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06.04.08 Strategien chemolithotropher Bakterien

Überlebensstrategien der Schwefelbakterien

Schwefel-Bakterien aus nordspanischem Salzsee nutzen gleiche zellinterne Mechanismen zur Energiespeicherung wie Ihre Verwandten aus der Tiefsee

Abb. 1: Einzelaufnahme eines Filaments, angefärbt mit FITC (zeigt die Vakuolen in grün) und Sypro Orange (Proteinfärbung in rot dargestellt). Die weißen Punkte zeigen die Schwefeleinschlüsse.
Quelle: MPI, Bremen

Seit mehr als 100 Jahren sind die fadenförmigen farblosen Schwefelbakterien, die Beggiatoa, den Forschern bekannt. Das Besondere neben ihrer Morphologie ist ihre chemolithotrophe Lebensweise - die Veratmung von einer anorganischen Substanz, Schwefelwasserstoff (Sulfid), mit Sauerstoff zur Energiegewinnung. Jetzt hat eine Doktorandin vom Bremer Max-Planck-Institut zeigen können, dass die Schwefelbakterien in den Sedimenten der Salzseen dieselben Methoden aber unterschiedliche Strategien zur Verwaltung des zellinternen Energiehaushalts wie ihre Verwandten aus der Tiefsee zum Überleben nutzen.

Beggiatoa sind Bakterien und kommen nur in Sedimenten vor. Und auch nur dort, wo ausreichend Schwefelwasserstoff zur Verfügung steht. Das kann weltweit an den verschiedensten Standorten sein: In Kläranlagen, in Seen mit viel organischem Material, an Schwefelquellen, in Meerwasser-Höhlen, in nährstoffreichen Küstengewässern, auf abgestorbenem organischen Material wie toten Haien, Walen und Korallen. Aber auch in der Tiefsee in der Nähe von Gashydraten und schwarzen Rauchern, und in Seen oder künstlichen Becken zur Salzgewinnung (Salinen) mit mehr als dreifacher Salzkonzentration des Meeres.

Beggiatoa sind schon bemerkenswert. Sie bilden bis zu einem Zentimeter lange Bakterienfäden und sind immer auf Wanderschaft auf der Suche nach Nahrung.
Sie können elementaren Schwefel, der als Zwischenform bei der Umwandlung von Schwefelwasserstoff entsteht, in ihren Zellen einlagern. Den nutzen sie dann als Energiespeicher, falls tempörär und in erreichbarer Umgebung kein Sulfid vorhanden ist.

Um ebenso unabhängig vom Sauerstoff-Vorkommen zu sein, hat sich die Natur eine weitere zellinterne Struktur einfallen lassen, die Vakuole. In diesem flüssigkeitsgefüllten Hohlraum, der den Großteil der Zellen einnimmt, speichern sie Nitrat in hohen Konzentrationen.

Abb. 1: Anfärbung der Vakuolen eines Beggiatoa-Filaments mit FITC (grün). Elementarer Schwefel ist durch Reflexion als weiße Punkte sichtbar
Quelle: MPI Bremen

Dieses Nitrat nutzen sie als Oxidationsmittel, wenn der Sauerstoff zur Sulfidumsetzung nicht zur Verfügung steht. Beide Speicher sind an verschieden Orten in ihrer Umgebung wieder zu befüllen: Nitrat wird durch das Meerwasser an die Oberflächen der Meeresböden transportiert - Schwefelwasserstoff hingegen ensteht eher in den tieferen Bodenschichten, wo organisches Material von anderen Spezialisten, den sulfatreduzierenden Bakterien produziert wird. Sulfat ist reichhaltig im Meerwasser vorhanden und kann daher auch in tiefere Bodenschichten eindringen.

Die räumliche Lücke, die zwischen diesen beiden "Tankstellen" liegt, überwinden die Bakterien durch Gleiten. Die durchschnittliche Geschwindigkeit liegt bei 8mm/h. Wenn alle Speicher voll sind, könnten sie theoretisch mehrere Meter ohne Futterstop durch die Meeresböden wandern.

Anders verhält es sich in den stark salzhaltigen Seen und Salinen (Salzgewinnungsbecken). Hier leben die Mikroorganismen in zentimenterdicken Bakterienmatten. In der Matte sind ständig wechselnde Bedingungen gegeben, denn die Ansiedlung vieler anderer Bakterienarten mit ihren unterschiedlichen Stoffwechselprodukten, und die welchselnde Lichtintensität je nach Sonnenstand beeinflussen die Mikroumgebung von Beggiatoa.

Am Tag bilden Cyanobakterien durch Photosynthese Sauerstoff, welcher in die tieferen Schichten der Matte dringt. In der Nacht hingegen produzieren die unteren Bakterienschichten Schwefelwasserstoff, der nach oben diffundiert. Die Beggiatoa machen sich diese ständig wechselnden Konzentrationen von Sauerstoff, Nitrat und Schwefelwasserrstoff zunutze, um ihre Vorräte aufzubessern. Während die Tiefsee-Beggiatoa diesen Stoffen hinterher wandern müssen, bleiben die Matten-Beggiatoa an Ort und Stelle.

In ihrer Arbeit konnte jetzt Susanne Hinck diese Wanderungsbewegungen und andere Umgebungsparameter genau verfolgen und zeigen, dass beide Beggiatoa-Arten die gleichen Zellstrukturen für unterschiedliche Überlebensstrategien einsetzen. So gelingt es beiden Arten, den Wettbewerbsvorteil in völlig verschiedenen Lebensräumen gegenüber konkurrierenden Mikroorganismen zu sichern.

Quelle:

Physiological Adaptation of a Nitrate-Storing Beggiatoa sp. to Diel Cycling in a Phototrophic Hypersaline Mat
S. Hinck, T. R. Neu, G. Lavik, M. Mussmann, D. de Beer, H. M. Jonkers, App. Environ. Microbiol. 2007, 73, 7013. DOI: 10.1128/AEM.00548-07

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Strategien chemolithotropher Bakterien
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