Formation of Humic-like Substances in Mixed and Pure Cultures of Aquatic Microorganisms

Abstract

A natural decay of plant and animal biomass in aquatic environments results in the release of different simple structured organic substances into water. In our laboratory experiments we investigated whether some of them, e.g., starch or peptone, and also a complex yeast biomass can be transformed into humic-like substances by natural assemblages and some pure cultures of aquatic microorganisms. After a 6 months incubation most of the cultural media enriched with those natural organic substrates turned dark in color and humic-like substances (HS) could be isolated. However, the original substrate organic carbon was mainly mineralized in microbial cultures, and only about 3 % C was converted into HS. Total yields of HS differed in dependence of the individual substrate used (peptone > yeast > starch), the origin of inoculum (river > lake > groundwater), and the incubation temperature (20°C > 10°C). According to their elemental composition, and their spectroscopical and electrophoretic characteristics the microbially formed HS resembled natural aquatic humic matter, but were higher in aliphatic constituents (carbohydrates, peptides) and lower in aromatic structures. HS-like substances were also obtained from pure cultures of a bacterium Bacillus sphaericus and a fungus Cladosporium cladosporioides. The 13C and 15N isotopic contents of the microbially produced HS differed in dependence on the microbial inoculum and the type of organic substrates used, but in general they indicated anabolic processes to be mainly responsible for the humification of the simple organic substrates used in our experiments. Bildung huminstoffartiger Substanzen in Misch- und Reinkulturen aquatischer Mikroorganismen Der natürliche Abbau pflanzlicher und tierischer Biomasse in Gewässern führt zur Freisetzung einfacher organischer Stoffe ins Wasser. Die Humifizierung solcher Substanzen wie Stärke und Pepton und auch der komplexen Mikrobenbiomasse durch Misch- und Reinkulturen aquatischer Mikroorganismen wurde unter Laborbedingungen untersucht. Nach einer Inkubationszeit von 6 Monaten verfärbten sich die mit den einzelnen Substraten angereicherten Kulturen dunkel, und huminstoffähnliche Substanzen (HS) konnten isoliert werden. Der substrateigene organisch gebundene Kohlenstoff wurde allerdings überwiegend mineralisiert und nur zu ca. 3 % in HS umgewandelt. Die Gesamtausbeuten der HS unterschieden sich je nach dem eingesetzten Substrat (Pepton > Hefe > Stärke), der Herkunft des Inokulums (Flußwasser > Seewasser > Grundwasser) und der Inkubationstemperatur (20°C > 10°C). In ihrer elementaren Zusammensetzung sowie ihren spektroskopischen und elektrophoretischen Eigenschaften waren die mikrobiell gebildeten HS den natürlichen aquatischen Huminstoffen ähnlich. Sie enthielten jedoch mehr aliphatische (Kohlenhydrate, Peptide) und weniger aromatische Bestandteile. Auch in Reinkulturen des Bakteriums Bacillus sphaericus und des Pilzes Cladosporium cladosporioides wurden HS gebildet. Die 13C- und 15N-Isotopengehalte mikrobiell gebildeter HS variierten in Abhängigkeit von dem mikrobiellen Inokulum und dem organischen Ausgangssubstrat. Sie zeigten jedoch an, daß die Humifizierung der verwendeten organischen Substrate einen anabolischen Prozeß darstellt.