Kabelbakterien

Kabelbakterien sind filamentöse Bakterien, die Elektronen über cm-Distanzen transportieren und somit Elektrizität leiten können. Die Elektronen entstehen bei der Sulfidoxidation im tiefer gelegenen, anoxischen Sediment und werden entlang des Filaments zur Sedimentoberfläche geleitet, wo Sauerstoff oder Nitrat als Elektronenakzeptor reduziert werden.

Kabelbakterien zwischen zwei getrennten Sedimentschichten in einem Glaszylinder.
Das Diagramm zeigt den Metabolismus von Kabelbakterien in einem Oberflächensediment. Schwefelwasserstoff (H2S) wird in der sulfidhaltigen Schicht ("sulfidic sediment") oxidiert und die dabei entstehenden Elektronen (e) werden entlang des Kabelbakterienfilaments zur sauerstoffreichen Sedimentschicht ("oxic sediment") geleitet. Molekularer Sauerstoff (O2) wird hier reduziert.

Entdeckung und Vorkommen

Entdeckt wurde der Prozess des Elektronentransfers über lange Distanzen 2010[1] in einem Experiment, bei dem die räumlich getrennte Sulfidoxidation und Sauerstoffreduktion unterbrochen und wieder hergestellt wurde. Die Geschwindigkeit der gemessenen Raten war nicht allein durch Diffusionsvorgänge erklärbar. In einem späteren Experiment wurden als einzig mögliche Elektronenleiter filamentöse Bakterien der Familie Desulfobulbaceae identifiziert[2]. Die elektrische Leitfähigkeit von einzelnen Bakterienfilamenten wurde später durch Beobachtung des Oxidationsstatus der Cytochrome mit Hilfe von Raman Mikroskopie festgestellt[3]. Kabelbakterien wurden seit ihrer Entdeckung in marinen Sedimenten auch in einem Grundwasser-Aquifer[4] und Süßwassersedimenten[5] weltweit nachgewiesen. Dabei wurden Dichten von bis zu 2 km Kabelbakterienfilamenten pro Quadratzentimeter Sedimentoberfläche nachgewiesen[6].

Morphologie

Kabelbakterienfilamente weisen einen Durchmesser von 0,4–1,7 µm und Längen von über 1 cm auf[6]. Die einzelnen Zellen in den Filamenten sind stäbchenförmig mit einer durchschnittlichen Länge von 3 µm und 15–58 rippenartigen Leisten, die längs entlang des gesamten Filaments verlaufen und rund um die Zellen angeordnet sind[2]. Es wird vermutet, dass diese rippenartigen Strukturen in Zusammenhang mit den elektrisch leitenden Eigenschaften der Kabelbakterien stehen[2][7]. Eine weitere Besonderheit der Kabelbakterien ist, dass sie als Gram-negative Bakterien über zwei zellumhüllende Membranen verfügen und jede einzelnen Zelle in einem Filament ihre individuelle innere Zellmembran aufweist, aber die äußere Zellmembran von allen Zellen in einem Filament geteilt wird[2].

Taxonomie

Zwei Candidatus Gattungen wurden beschrieben: Electrothrix mit vier Candidatus Arten in marinen und brackigen Habitaten und Electronema mit zwei Cadidatus Arten aus Süßwasser-Sedimenten[8]. Beide Gattungen sind in der Desulfobulbaceae Familie klassifiziert. Da Kabelbakterien eher durch ihre Funktion als ihre Phylogenie definiert sind, ist es möglich, dass zukünftig weitere Taxa entdeckt werden.

Ökologische Bedeutung

Kabelbakterien beeinflussen die geochemischen Eigenschaften ihrer Umgebung. Sie oxidieren Eisen an der Sedimentoberfläche, wodurch Eisenoxide entstehen, die Phosphor-enthaltende Verbindungen[9] und Schwefelwasserstoff[10] binden können. Dadurch wird der frei verfügbare Anteil von Phosphor und Schwefelwasserstoff im Wasser begrenzt. Da Phosphor Eutrophierung verursachen kann[11] und Schwefelwasserstoff für viele Lebewesen giftig ist, spielen Kabelbakterien eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung der Balance in Ökosystemen.

Anwendung

Kabelbakterien wurden in Zusammenhang mit benthischen mikrobiellen Brennstoffzellen gefunden[12]. Dabei handelt es sich um Instrumente, welche chemische Energie auf dem Meeresgrund in elektrische Energie umwandeln können. In der Zukunft ist es denkbar, dass Kabelbakterien eingesetzt werden, um die Effizienz von solchen mikrobiellen Brennstoffzellen zu steigern. Weiterhin stehen Kabelbakterien in Zusammenhang mit einem bioelektrochemischen System zum Abbau von Kohlenwasserstoffkontaminationen in marinen Sedimenten[13]. Eine zukünftige Anwendung von Kabelbakterien in der Bioremediation nach Ölverschmutzungen wäre somit denkbar.

Verbreitung

Kabelbakterien wurden weltweit in verschiedenen Klimazonen und Ökosystemen gefunden[14], so unter anderem in Dänemark[2][5], den Niederlanden[7], Deutschland[4], Japan[15], Australien[16] und den USA[17].

Quellenangaben

  1.  Lars Peter Nielsen, Nils Risgaard-Petersen, Henrik Fossing, Peter Bondo Christensen, Mikio Sayama: Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment. In: Nature. 463, Nr. 7284, 2010, ISSN 0028-0836, S. 1071–1074, doi:10.1038/nature08790 (http://www.nature.com/articles/nature08790).
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4  Christian Pfeffer, Steffen Larsen, Jie Song, Mingdong Dong, Flemming Besenbacher: Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances. In: Nature. 491, Nr. 7423, 2012, ISSN 0028-0836, S. 218–221, doi:10.1038/nature11586 (http://www.nature.com/articles/nature11586).
  3.  Jesper T. Bjerg, Andreas Schramm, Lars Peter Nielsen, Michael Wagner, Filip J. R. Meysman, Paula Tataru: Long-distance electron transport in individual, living cable bacteria. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 115, Nr. 22, 29. Mai 2018, ISSN 0027-8424, S. 5786–5791, doi:10.1073/pnas.1800367115, PMID 29735671 (https://www.pnas.org/content/115/22/5786).
  4. 4,0 4,1  Hubert Müller, Rainer U. Meckenstock, Tillmann Lueders, Lars Peter Nielsen, Lars Riis Damgaard, Christian Griebler: Long-distance electron transfer by cable bacteria in aquifer sediments. In: The ISME Journal. 10, Nr. 8, 2016, ISSN 1751-7370, S. 2010–2019, doi:10.1038/ismej.2015.250, PMID 27058505 (https://www.nature.com/articles/ismej2015250).
  5. 5,0 5,1  Nils Risgaard-Petersen, Lars Peter Nielsen, Andreas Schramm, Lars Riis Damgaard, Lars Schreiber, Daniela Trojan: Cable Bacteria in Freshwater Sediments. In: Appl. Environ. Microbiol.. 81, Nr. 17, 1. September 2015, ISSN 0099-2240, S. 6003–6011, doi:10.1128/AEM.01064-15, PMID 26116678 (https://aem.asm.org/content/81/17/6003).
  6. 6,0 6,1  Regina Schauer, Lars Peter Nielsen, Andreas Schramm, Bo B. Jørgensen, Jesper J. Tataru Bjerg, Kasper U. Kjeldsen: Succession of cable bacteria and electric currents in marine sediment. In: The ISME Journal. 8, Nr. 6, 2014, ISSN 1751-7370, S. 1314–1322, doi:10.1038/ismej.2013.239, PMID 24451206 (https://www.nature.com/articles/ismej2013239).
  7. 7,0 7,1  Sairah Y Malkin, Filip JR Meysman, Henricus TS Boschker, Silvia Hidalgo-Martinez, Eva-Maria Zetsche, Diana Vasquez-Cardenas: Natural occurrence of microbial sulphur oxidation by long-range electron transport in the seafloor. In: The ISME Journal. 8, Nr. 9, 2014, ISSN 1751-7370, S. 1843–1854, doi:10.1038/ismej.2014.41, PMID 24671086 (https://www.nature.com/articles/ismej201441).
  8.  DanielaTrojan, LarsSchreiber, Jesper T.Bjerg, Andreas Bøggild, Tingting Yang, Kasper U. Kjeldsen, Andreas Schramm: A Taxonomic Framework for Cable Bacteria and Proposal of the Candidate Genera Electrothrix and Electronema. In: Systematic and Applied Microbiology. 39, Nr. 5, ISSN 07232020, doi:10.1016/j.syapm.2016.05.006 (http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0723202016300388).
  9.  Fatimah Sulu-Gambari, Dorina Seitaj, Filip J. R. Meysman, Regina Schauer, Lubos Polerecky: Cable Bacteria Control Iron–Phosphorus Dynamics in Sediments of a Coastal Hypoxic Basin. In: Environmental Science & Technology. 50, Nr. 3, 2. Februar 2016, ISSN 0013-936X, S. 1227–1233, doi:10.1021/acs.est.5b04369 (http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5b04369).
  10.  Filip J. R. Meysman, Caroline P. Slomp, Laurine D. W. Burdorf, Sairah Y. Malkin, Silvia Hidalgo-Martinez: Cable bacteria generate a firewall against euxinia in seasonally hypoxic basins. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 112, Nr. 43, 27. Oktober 2015, ISSN 0027-8424, S. 13278–13283, doi:10.1073/pnas.1510152112, PMID 26446670 (https://www.pnas.org/content/112/43/13278).
  11.  David L. Correll: The Role of Phosphorus in the Eutrophication of Receiving Waters: A Review. In: Journal of Environment Quality. 27, Nr. 2, 1998, ISSN 0047-2425, S. 261, doi:10.2134/jeq1998.00472425002700020004x (https://www.agronomy.org/publications/jeq/abstracts/27/2/JEQ0270020261).
  12.  Michael Wolf, Paul S. Schrader, Michael F. Graw, Cheng Li, Clare E. Reimers: The Identification of Cable Bacteria Attached to the Anode of a Benthic Microbial Fuel Cell: Evidence of Long Distance Extracellular Electron Transport to Electrodes. In: Frontiers in Microbiology. 8, 2017, ISSN 1664-302X, doi:10.3389/fmicb.2017.02055, PMID 29114243 (https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2017.02055/full).
  13.  Simona Rossetti, Federico Aulenta, Carolina Cruz Viggi, Bruna Matturro: Cable Bacteria and the Bioelectrochemical Snorkel: The Natural and Engineered Facets Playing a Role in Hydrocarbons Degradation in Marine Sediments. In: Frontiers in Microbiology. 8, 2017, ISSN 1664-302X, doi:10.3389/fmicb.2017.00952, PMID 28611751 (https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2017.00952/full).
  14.  Filip J. R. Meysman, Henricus T. S. Boschker, Eva-Maria Zetsche, Silvia Hidalgo-Martinez, Lorenz Meire: Long-distance electron transport occurs globally in marine sediments. In: Biogeosciences. 14, Nr. 3, 10. Februar 2017, ISSN 1726-4170, S. 683–701, doi:10.5194/bg-14-683-2017 (https://www.biogeosciences.net/14/683/2017/bg-14-683-2017-discussion.html).
  15. Fehlender Parameter „zugriff“ (Hilfe) Daniela Trojan, Lars Schreiber, Jesper T. Bjerg, Andreas Bøggild, Tingting Yang, Kasper U. Kjeldsen, Andreas Schramm: A taxonomic framework for cable bacteria and proposal of thecandidate genera Electrothrix and Electronema. 2016.
  16. Fehlender Parameter „zugriff“ (Hilfe) Bridie Smith: Shock as scientists find 'electric' bacteria in the Yarra. 5. Dezember 2014 (english).
  17.  Steffen Larsen, Lars Peter Nielsen, Andreas Schramm: Cable bacteria associated with long-distance electron transport in New England salt marsh sediment. In: Environmental Microbiology Reports. 7, Nr. 2, 2015, ISSN 1758-2229, S. 175–179, doi:10.1111/1758-2229.12216 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1758-2229.12216).

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