Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe unterschiedlicher Studien und verbindet sie eine Charakterisierung der mikrobiellen Diversität und der Struktur der mikrobiellen Lebensgemeinschaft mit einer detailierten Beschreibung der physiko-chemischen Bedingungen und wichtiger metabolischer Aktivitäten in einzelnen Darmkompartimenten der bodenfressenden höheren Termiten (Cubitermes spp.).
Die unterschiedlichen physiko-chemischen Bedingungen wurden durch eine ausgeprägte Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft in den verschiedenen Darmkompartimenten reflektiert. Die Bakterienklone 16S rRNA-Gene des ersten extrem alkalischen Enddarmsegments der bodenfressenden Termite Cubitermes orthognathus umfassten fast ausschließlich Gram-positive Bakterien mit niedrigem G+C Gehalt. In den hinteren Darmsegmenten nahm ihr Anteil an der Klonbibliothek zugunsten einer größeren Breite von bakteriellen Phylotypen stetig ab. Zu diesen zählten Klone der Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides Gruppe, der verschiedenen Untergruppen der Proteobakteria und der Spirochaeta. Die axiale Verteilung der verschiedenen Bakteriengruppen im Termitendarm wurde mit Fingerprint -Analysen (T-RFLP) und Fluoreszenz-In-Situ-Hybridisierung (FISH) für diese und andere Cubitermes spp. verifiziert. Die FISH-Analysen zeigten eine bisher unbekannte Abundanz von Planctomycetales in allen Enddarmsegmenten von Cubitermes ugandensis. Die Gemeinschaft der Archaebakterien im ersten, extrem alkalischen Enddarmsegment wurde von Methanosarcinaceae dominiert, wohingegen in den folgenden Enddarmsegmenten Methanobacteriaceae, Methanomicrobiales und Thermoplasmales dominierten. Zum ersten Mal konnte auch die Existenz von Crenarchaeota im Verdauungstrakt von Arthropoden nachgewiesen werden.
Die meisten Klone der Archaea und der Bacteria bildeten nach der phylogenetischen Analyse eigenständige termitenspezifische Cluster. Zwischen den bakteriellen Populationen des Bodens, des Darms und des Nestmaterials sowie auch zwischen den einzelnen Darmsegmenten wurden durch die T-RFLP Analyse deutliche Unterschiede sichtbar, die zusammen mit der phylogenetischen Analyse der Klonsequenzen die Existenz einer termitenspezifischen Mikrobiota bestätigten. Der Vergleich von drei verschiedenen Cubitermes-Arten offenbarte eine segmentspezifische mikrobielle Gemeinschaft in den homologen Darm-kompartimenten, die auch nach einigen Monaten Aufbewahrung der Termiten im Labor vergleichsweise stabil war.
Messungen mit Wasserstoff-Mikrosensoren zeigten eine räumliche Trennung von wasserstoffproduzierenden und wasserstoffkonsumierenden Aktivitäten im axialen Verlauf der verschiedenen Darmkompartimente von Cubitermes spp. Während im vorderen Teil des Darms ein hoher Wasserstoffpartialdruck vorhanden war, zeigte der hintere Teil keine Akkumulation von Wasserstoff. Methanogene Aktivitäten waren auf die hinteren Darmsegmente beschränkt und stellten einen wichtigen elektronenverbrauchenden Prozess im Enddarm bodenfressender Termiten dar. Der niedrige Wasserstoffpartialdruck im Enddarm zusammen mit einer starken Stimulierung von Methano- und Homoacetogenese in den hinteren Darmsegmenten durch eine exogene Zugabe von Wasserstoff sowie die unmittelbare Nähe von wasserstoffproduzierenden und wasserstoffverbrauchenden Darmregionen im Abdomen der Termite sind ein starker Hinweis auf einen epithelialen Wasserstofftransfer von den vorderen in die hinteren Darmsegmente.

This thesis summarizes a series of studies combining a characterization of the microbial diversity and community structure in the highly compartmentalized gut of soil-feeding higher termites (Cubitermes spp.), with a detailed description of physicochemical conditions and important metabolic activities in the individual gut compartments.
The variety of physicochemical conditions was reflected in a large diversity in the microbial communities in the different gut compartments. Bacterial 16S rRNA gene clones obtained from the highly alkaline first proctodeal segment of the soil-feeding termite Cubitermes orthognathus represented almost exclusively gram-positive bacteria with low G+C content. In the posterior gut segments, their proportion decreased progressively, and the clone libraries comprised a variety of phyla, including the Cytophaga-Flexibacter-Bacteroides group, various subgroups of Proteobacteria, and the Spirochaetes. The axial distribution of the different groups was verified by T-RFLP fingerprinting and by fluorescence in situ hybridization (FISH) for this and other Cubitermes spp. The latter revealed a hitherto unknown, large abundance of Planctomycetales in all hindgut segments of Cubitermes ugandensis. The archaeal community in the first highly alkaline hindgut segment was dominated by Methanosarcinaceae, whereas Methanobacteriaceae, Methanomicrobiales and Thermoplasmales predominate in the posterior gut segments. For the first time, also the occurrence of Crenarchaeota in the digestive tract of arthropods was shown.
Most of the archaeal and bacterial clones grouped in phylogenetically distinct termite-specific clusters. Distinct differences between the bacterial community of soil, gut, and nest material, and also among the different gut sections determined with T-RFLP analysis, together with the phylogenetic analysis of the clone sequences, revealed the existence of a termite-specific microbiota. The comparison of three different Cubitermes species confirmed the existence of segment-specific communities in the homologous gut compartments, which remained comparatively stable during several months of maintenance in the laboratory.
Hydrogen microsensor measurements revealed an axial separation of hydrogen-producing and hydrogen-consuming activities among the different gut compartments of Cubitermes spp. Whereas high hydrogen partial pressures were present in the anterior part of the gut, the posterior part showed no accumulation of hydrogen. Methanogenic activities were restricted to the posterior gut segments and represent an important electron sink reaction in the hindgut of soil-feeding termites. The low hydrogen partial pressure in the hindgut, together with the strong stimulation of methanogenesis and homoacetogenesis in the posterior gut segments by exogenously supplied hydrogen and the proximity of hydrogen-forming and hydrogen-consuming gut regions in the abdomen of the termite, are strong indication for a cross-epithelial hydrogen transfer between the anterior and the posterior gut segments.