%0 Journal Article %K Biogasanlagen %K Gärsubstrat %K mikrobielle Gemeinschaft %K PCR %K phylogenetische Analyse %K Clostridium botulinum %B Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift %C Hannover %D 2016 %G German %I Schlütersche Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG %P 408-416 %R 10.2376/0005-9366-15105 %T Bakterienvielfalt und Nachweis potenziell pathogener Arten in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage – neue Erkenntnisse dank Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung von rRNA-Gen-Amplikons %V 129 %1 {"oldId":97916,"title":"Bakterienvielfalt und Nachweis potenziell pathogener Arten in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage \u2013 neue Erkenntnisse dank Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung von rRNA-Gen-Amplikons","topline":"","teaserText":"Bacterial diversity and detection of potentially pathogenic species in an agricultural biogas plant \u2013 new insights gained by high-throughput DNA sequencing of rRNA gene amplicons","content":"

Zusammenfassung<\/span>
Die meisten Umweltbakterien lassen sich nicht im Labor kultivieren, aber sie k\u00f6nnen direkt, ohne Kultivierung, durch Analysen ihrer 16S rRNA-Gene detektiert und differenziert werden. Dabei werden 16S rRNA-Gene mit \u2265 97 % Sequenzidentit\u00e4t spezifischen OTUs (operational taxonomic units) zugeordnet, was grob dem Arten-Niveau entspricht. Hier wurde kultivierungsunabh\u00e4ngig die Bakterienvielfalt und das m\u00f6gliche Vorkommen von pathogenen Arten in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage untersucht. Die Anlage bestand aus zwei Linien, eine erhielt Silage, die andere Silage plus Rinderg\u00fclle. Jede Linie bestand aus einem Haupt- und Nachg\u00e4rer. Insgesamt wurden 3,5 Millionen 16S rRNA-Genabschnitte analysiert. Bioinformatische und phylogenetische Analysen ergaben, dass in jedem G\u00e4rer etwa 2150 OTUs, die sich auf insgesamt 53 Klassen verteilten, vorkamen. Clostridia<\/span> (49\u201356 % aller Sequenzen), Bacilli <\/span>(8\u201312 %) und Bacteroidia<\/span> (7\u201310 %) waren besonders stark vertreten. Nur 5,1 % der OTUs reagierten auf den Zusatz von Rinderg\u00fclle. Eine dominante OTU (6,5\u201310,9 %) lie\u00df sich dem Komplex Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus<\/span> zuordnen. Die 16S rRNA-Gene anderer potenziell pathogener Arten wurde nur in sehr niedriger Abundanz nachgewiesen (\u2264 0,01 %), darunter Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum<\/span> oder Mycobacterium tuberculosis<\/span>. Keine dieser OTUs nahm in ihrer Abundanz in Vergleich von Haupt- zu Nachg\u00e4rern zu oder wurde durch die Zugabe von Rinderg\u00fclle signifikant ver\u00e4ndert. Ob die identifizierten Sequenzen tats\u00e4chlich von pathogenen Bakterien stammen, kann \u00fcber die 16S rRNA-Gen-Analysen nicht bewiesen werden. Mit der Methode lassen sich jedoch mit sehr hoher Empfindlichkeit potenziell risikoreiche Umweltproben f\u00fcr ggf. weitere diagnostische Verfahren identifizieren.

Schl\u00fcsselw\u00f6rter:<\/span> Biogasanlagen, G\u00e4rsubstrat, mikrobielle Gemeinschaft, PCR, phylogenetische Analyse, Clostridium botulinum<\/span><\/p>

Summary<\/span>
Most environmental bacteria cannot be cultivated in the laboratory, but they can be detected and differentiated, independent of cultivation, by analyses of their 16S rRNA genes. DNA-sequences of \u2265 97 identity are grouped together as OTUs (operational taxonomic units), which correspond roughly the species-level. In this study, an agricultural biogas plant was analysed for the diversity of bacterial communities and the potential occurrence of bacterial pathogens during fermentation. The plant consisted of two subsequent fermentation chambers, and two independent lines, both receiving silage, and one, in addition, cattle manure. A total of 3.5 million 16S rRNA gene fragment sequences were analysed. Bioinformatic and phylogenetic analyses indicated that each chamber contained about 2150 OTUs, which could be assigned to 53 different bacterial classes. Clostridia<\/span> (49\u201356% of all sequences), Bacilli <\/span>(8\u201312%), and Bacteroidia<\/span> (7\u201310%) were the most dominant. Only 5.1% of the OTUs responded to the presence of cattle manure. One dominant OTU (6.5\u201310.9%) belonged to the Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus<\/span> complex. The 16S rRNA genes of other potential pathogens occurred only in very low abundances ( lt; 0.01%), including Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum<\/span>, or Mycobacterium tuberculosis<\/span>. None of these OTUs increased between the first and second fermentation chambers. The addition of cattle manure had no significant effect. Clearly 16S rRNA gene sequencing, as applied here, cannot conclusively demonstrate the presence of pathogens, but this approach allows a highly sensitive identification of potentially risky environmental samples which would be relevant for further diagnostic analyses.

Keywords:<\/span> biogas plants, fermentation substrate, microbial community, PCR, phylogenetic analysis, Clostridium botulinum<\/span>



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Zusammenfassung<\/strong>
Die meisten Umweltbakterien lassen sich nicht im Labor kultivieren, aber sie k\u00f6nnen direkt, ohne Kultivierung, durch Analysen ihrer 16S rRNA-Gene detektiert und differenziert werden. Dabei werden 16S rRNA-Gene mit \u2265 97 % Sequenzidentit\u00e4t spezifischen OTUs (operational taxonomic units) zugeordnet, was grob dem Arten-Niveau entspricht. Hier wurde kultivierungsunabh\u00e4ngig die Bakterienvielfalt und das m\u00f6gliche Vorkommen von pathogenen Arten in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage untersucht. Die Anlage bestand aus zwei Linien, eine erhielt Silage, die andere Silage plus Rinderg\u00fclle. Jede Linie bestand aus einem Haupt- und Nachg\u00e4rer. Insgesamt wurden 3,5 Millionen 16S rRNA-Genabschnitte analysiert. Bioinformatische und phylogenetische Analysen ergaben, dass in jedem G\u00e4rer etwa 2150 OTUs, die sich auf insgesamt 53 Klassen verteilten, vorkamen. Clostridia<\/em> (49\u201356 % aller Sequenzen), Bacilli <\/em>(8\u201312 %) und Bacteroidia<\/em> (7\u201310 %) waren besonders stark vertreten. Nur 5,1 % der OTUs reagierten auf den Zusatz von Rinderg\u00fclle. Eine dominante OTU (6,5\u201310,9 %) lie\u00df sich dem Komplex Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus<\/em> zuordnen. Die 16S rRNA-Gene anderer potenziell pathogener Arten wurde nur in sehr niedriger Abundanz nachgewiesen (\u2264 0,01 %), darunter Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum<\/em> oder Mycobacterium tuberculosis<\/em>. Keine dieser OTUs nahm in ihrer Abundanz in Vergleich von Haupt- zu Nachg\u00e4rern zu oder wurde durch die Zugabe von Rinderg\u00fclle signifikant ver\u00e4ndert. Ob die identifizierten Sequenzen tats\u00e4chlich von pathogenen Bakterien stammen, kann \u00fcber die 16S rRNA-Gen-Analysen nicht bewiesen werden. Mit der Methode lassen sich jedoch mit sehr hoher Empfindlichkeit potenziell risikoreiche Umweltproben f\u00fcr ggf. weitere diagnostische Verfahren identifizieren.

Schl\u00fcsselw\u00f6rter:<\/strong> Biogasanlagen, G\u00e4rsubstrat, mikrobielle Gemeinschaft, PCR, phylogenetische Analyse, Clostridium botulinum<\/em><\/p>

Summary<\/strong>
Most environmental bacteria cannot be cultivated in the laboratory, but they can be detected and differentiated, independent of cultivation, by analyses of their 16S rRNA genes. DNA-sequences of \u2265 97 identity are grouped together as OTUs (operational taxonomic units), which correspond roughly the species-level. In this study, an agricultural biogas plant was analysed for the diversity of bacterial communities and the potential occurrence of bacterial pathogens during fermentation. The plant consisted of two subsequent fermentation chambers, and two independent lines, both receiving silage, and one, in addition, cattle manure. A total of 3.5 million 16S rRNA gene fragment sequences were analysed. Bioinformatic and phylogenetic analyses indicated that each chamber contained about 2150 OTUs, which could be assigned to 53 different bacterial classes. Clostridia<\/em> (49\u201356% of all sequences), Bacilli <\/em>(8\u201312%), and Bacteroidia<\/em> (7\u201310%) were the most dominant. Only 5.1% of the OTUs responded to the presence of cattle manure. One dominant OTU (6.5\u201310.9%) belonged to the Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus<\/em> complex. The 16S rRNA genes of other potential pathogens occurred only in very low abundances ( lt; 0.01%), including Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum<\/em>, or Mycobacterium tuberculosis<\/em>. None of these OTUs increased between the first and second fermentation chambers. The addition of cattle manure had no significant effect. Clearly 16S rRNA gene sequencing, as applied here, cannot conclusively demonstrate the presence of pathogens, but this approach allows a highly sensitive identification of potentially risky environmental samples which would be relevant for further diagnostic analyses.

Keywords:<\/strong> biogas plants, fermentation substrate, microbial community, PCR, phylogenetic analysis, Clostridium botulinum<\/em>



<\/p>","primaryLanguage":"deutsch","zusammenfassung":"Die meisten Umweltbakterien lassen sich nicht im Labor kultivieren, aber sie k\u00f6nnen direkt, ohne Kultivierung, durch Analysen ihrer 16S rRNA-Gene detektiert und differenziert werden. Dabei werden 16S rRNA-Gene mit \u2265 97 % Sequenzidentit\u00e4t spezifischen OTUs (operational taxonomic units) zugeordnet, was grob dem Arten-Niveau entspricht. Hier wurde kultivierungsunabh\u00e4ngig die Bakterienvielfalt und das m\u00f6gliche Vorkommen von pathogenen Arten in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage untersucht. Die Anlage bestand aus zwei Linien, eine erhielt Silage, die andere Silage plus Rinderg\u00fclle. Jede Linie bestand aus einem Haupt- und Nachg\u00e4rer. Insgesamt wurden 3,5 Millionen 16S rRNA-Genabschnitte analysiert. Bioinformatische und phylogenetische Analysen ergaben, dass in jedem G\u00e4rer etwa 2150 OTUs, die sich auf insgesamt 53 Klassen verteilten, vorkamen. Clostridia<\/em> (49\u201356 % aller Sequenzen), Bacilli <\/em>(8\u201312 %) und Bacteroidia<\/em> (7\u201310 %) waren besonders stark vertreten. Nur 5,1 % der OTUs reagierten auf den Zusatz von Rinderg\u00fclle. Eine dominante OTU (6,5\u201310,9 %) lie\u00df sich dem Komplex Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus<\/em> zuordnen. Die 16S rRNA-Gene anderer potenziell pathogener Arten wurde nur in sehr niedriger Abundanz nachgewiesen (\u2264 0,01 %), darunter Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum<\/em> oder Mycobacterium tuberculosis<\/em>. Keine dieser OTUs nahm in ihrer Abundanz in Vergleich von Haupt- zu Nachg\u00e4rern zu oder wurde durch die Zugabe von Rinderg\u00fclle signifikant ver\u00e4ndert. Ob die identifizierten Sequenzen tats\u00e4chlich von pathogenen Bakterien stammen, kann \u00fcber die 16S rRNA-Gen-Analysen nicht bewiesen werden. Mit der Methode lassen sich jedoch mit sehr hoher Empfindlichkeit potenziell risikoreiche Umweltproben f\u00fcr ggf. weitere diagnostische Verfahren identifizieren.","schluesselwoerter":["Biogasanlagen","G\u00e4rsubstrat","mikrobielle Gemeinschaft","PCR","phylogenetische Analyse","Clostridium botulinum"],"summary":"Most environmental bacteria cannot be cultivated in the laboratory, but they can be detected and differentiated, independent of cultivation, by analyses of their 16S rRNA genes. DNA-sequences of \u2265 97 identity are grouped together as OTUs (operational taxonomic units), which correspond roughly the species-level. In this study, an agricultural biogas plant was analysed for the diversity of bacterial communities and the potential occurrence of bacterial pathogens during fermentation. The plant consisted of two subsequent fermentation chambers, and two independent lines, both receiving silage, and one, in addition, cattle manure. A total of 3.5 million 16S rRNA gene fragment sequences were analysed. Bioinformatic and phylogenetic analyses indicated that each chamber contained about 2150 OTUs, which could be assigned to 53 different bacterial classes. Clostridia<\/em> (49\u201356% of all sequences), Bacilli <\/em>(8\u201312%), and Bacteroidia<\/em> (7\u201310%) were the most dominant. Only 5.1% of the OTUs responded to the presence of cattle manure. One dominant OTU (6.5\u201310.9%) belonged to the Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus<\/em> complex. The 16S rRNA genes of other potential pathogens occurred only in very low abundances ( lt; 0.01%), including Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum<\/em>, or Mycobacterium tuberculosis<\/em>. None of these OTUs increased between the first and second fermentation chambers. The addition of cattle manure had no significant effect. 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Hier wurde kultivierungsunabh\u00e4ngig die Bakterienvielfalt und das m\u00f6gliche Vorkommen von pathogenen Arten in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage untersucht. Die Anlage bestand aus zwei Linien, eine erhielt Silage, die andere Silage plus Rinderg\u00fclle. Jede Linie bestand aus einem Haupt- und Nachg\u00e4rer. Insgesamt wurden 3,5 Millionen 16S rRNA-Genabschnitte analysiert. Bioinformatische und phylogenetische Analysen ergaben, dass in jedem G\u00e4rer etwa 2150 OTUs, die sich auf insgesamt 53 Klassen verteilten, vorkamen. Clostridia (49\u201356 % aller Sequenzen), Bacilli (8\u201312 %) und Bacteroidia (7\u201310 %) waren besonders stark vertreten. Nur 5,1 % der OTUs reagierten auf den Zusatz von Rinderg\u00fclle. Eine dominante OTU (6,5\u201310,9 %) lie\u00df sich dem Komplex Streptococcus bovis\/Streptococcus equinus zuordnen. Die 16S rRNA-Gene anderer potenziell pathogener Arten wurde nur in sehr niedriger Abundanz nachgewiesen (\u2264 0,01 %), darunter Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum oder Mycobacterium tuberculosis. Keine dieser OTUs nahm in ihrer Abundanz in Vergleich von Haupt- zu Nachg\u00e4rern zu oder wurde durch die Zugabe von Rinderg\u00fclle signifikant ver\u00e4ndert. Ob die identifizierten Sequenzen tats\u00e4chlich von pathogenen Bakterien stammen, kann \u00fcber die 16S rRNA-Gen-Analysen nicht bewiesen werden. 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