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).

Ähnliche Artikel wie "Kabelbakterien"

21.04.2020
Botanik | Mikrobiologie | Ökologie
Reisanbau und Methan: Mit Bakterien gegen Treibhausgas
Der weltweite Reisanbau ist schlecht fürs Klima, denn die Felder sondern viel Methan ab.
20.08.2019
Mikrobiologie | Biochemie
Unerwartete Arbeitsteilung bei Kabelbakterien
Die weltweit vorkommenden Kabelbakterien bilden elektrisch leitfähige, zentimeterlange Filamente.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News

20.01.2021
Genetik | Evolution
Was das Genom des Lungenfischs über die Landeroberung der Wirbeltiere verrät
Das vollständig sequenzierte Genom des Australischen Lungenfisches ist das größte sequenzierte Tiergenom und hilft, den Landgang der Wirbeltiere besser zu verstehen.
20.01.2021
Zoologie | Ethologie
Weniger gestresst: Hochrangige Hyänenmännchen haben bei Weibchen beste Chancen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) haben herausgefunden, dass die Interaktion mit anderen Männchen für rangniedrige Tüpfelhyänenmännchen "stressiger" ist als für hochrangige.
18.01.2021
Zytologie | Entwicklungsbiologie
Die ersten Löwen-Embryonen aus eingefrorenen Eizellen
E
18.01.2021
Mikrobiologie | Biochemie | Biotechnologie
Mikroorganismus baut Phenol unter extremen Bedingungen ab
Forschende vom Leibniz-Institut DSMZ in Braunschweig haben den Abbau von Phenol durch Saccharolobus solfataricus charakterisiert.
18.01.2021
Physiologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Methanausstoß von Milchkühen messen
Wissenschaftler des Instituts für Nutztierbiologie Dummerstorf haben ein neues Verfahren zur Vorhersage des Methanausstoßes einer Milchkuh entwickelt.
18.01.2021
Zoologie | Genetik | Ethologie
Berliner Igel bilden keine genetisch isolierten Bestände
Igel leben sowohl auf dem Lande als auch in größeren Städten.
16.01.2021
Botanik | Taxonomie
Die einzigartige Flora Neukaledoniens
Sieben neue Arten der Hundsgiftgewächse (Apocynaceae) haben Forscher*innen der Universität Bayreuth in Neukaledonien entdeckt. Auf den Spuren des britischen Entdeckers James Cook untersuchten sie im Frühjahr 2019 die Flora auf der Inselgruppe im Südwestpazifik.
16.01.2021
Taxonomie | Fischkunde
Neue Fischgattung aus Indien: Der Kiemenschlitzaal
Senckenberg-Wissenschaftler Ralf Britz hat gemeinsam mit internationalen Kolleg*innen eine neue Fischgattung beschrieben.
16.01.2021
Anthropologie
Wo man lebt, prägt das Verhalten
Je nachdem, wo auf der Welt sie leben, organisieren Menschen aus Jäger- und Sammlergesellschaften sich ihr Leben zum Beispiel bei der Nahrungssuche, Fortpflanzung, Betreuung des Nachwuchses und sogar hinsichtlich ihres sozialen Umfelds ähnlich wie Säugetier- und Vogelarten, mit denen sie ihren Lebensraum teilen.
16.01.2021
Ökologie | Biochemie
Wie Pflanzen Abwehrgifte bilden ohne sich selbst zu schaden
In einer neuen Studie klären Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Münster die Biosynthese und genaue Wirkungsweise von Diterpen-Glykosiden in wilden Tabakpflanzen auf.
13.01.2021
Zoologie | Ethologie | Meeresbiologie
Kegelrobben fressen Seehunde, Schweinswale – und ihre Artgenossen
Kegelrobben (Halichoerus grypus) sind Deutschlands größte freilebende Raubtiere. Viele Feriengäste kennen das Bild, wenn sie auf Helgoland am Strand oder in anderen Nordseeregionen auf Sandbänken liegen – friedlich nebeneinander oder neben Seehunden.
12.01.2021
Botanik | Ökologie | Insektenkunde
Schmetterling beweist: Karpaten waren in der Eiszeit teilweise bewaldet
Senckenberg-Wissenschaftler haben die Rückzugsorte des Tagfalters Erebia aethiops während der letzten Eiszeit in Europa untersucht.
12.01.2021
Mikrobiologie | Biochemie
Bakterium produziert pharmazeutische Allzweckwaffe
Ein Wirkstoff aus den Blättern einer Zierpflanze gilt seit einigen Jahren als möglicher Vorreiter einer neuen Gruppe potenter Medikamente.
11.01.2021
Zoologie | Physiologie | Video
Neon-grünes Leuchten beim Wüstengecko
Forschende der Zoologischen Staatssammlung München (SNSB-ZSM), der LMU und der Hochschule München haben entdeckt, dass der Wüstengecko Pachydactylus rangei aus Namibia unter UV-Licht stark neon-grün fluoreszierende Streifen an den Körperseiten und um die Augen zeigt.
11.01.2021
Ethologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Ziegen mögen Denksport
Wissenschaftler untersuchten in einem Deutsch-Schweizer Projekt die Lernfähigkeit von Ziegen.
09.01.2021
Ethologie | Neurobiologie
Schlaf für Erholung des Gehirns unersetzlich
Forscher*innen des Universitätsklinikums Freiburg weisen erstmals direkt nach, dass während des Schlafens im Gehirn aktive Erholungsprozesse ablaufen, die sich nicht durch Ruhe ersetzen lassen. Die Erkenntnisse sind relevant für optimale Leistung.
07.01.2021
Ökologie | Biodiversität
Starker Rückgang einer einst zahlreichen Tierart
Eine erneute Untersuchung der Puku-Antilopen im Kasanka Nationalpark in Sambia dokumentiert einen starken Rückgang.
07.01.2021
Ethologie | Video | Primatologie
Guineapaviane grunzen mit Akzent
Vokales Lernen führt zur Anpassung der Lautstruktur in einer mehrstufigen Pavian-Gesellschaft.
07.01.2021
Klimawandel | Meeresbiologie
Das neue Gesicht der Antarktis
Die Antarktis könnte künftig ergrünen und von neuen Arten besiedelt werden. Andererseits dürften Spezies verschwinden.
07.01.2021
Klimawandel | Meeresbiologie | Neobiota
Biodiversitäts-Kollaps im östlichen Mittelmeer
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Paolo G.
07.01.2021
Botanik | Klimawandel
Klimawandel verursachte Mangrovensterben in Oman
Vor rund 6.000 Jahren verschwanden die meisten Mangroven-Bestände an den Küsten Omans.
04.01.2021
Biodiversität | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Angepasste Konzepte für die Vielfalt der Waldbewirtschaftung
Europas Wälder müssen heute viele Funktionen gleichzeitig erfüllen. Wer Holz nutzt und die Biodiversität fördert, deckt zwei wichtige davon ab.
01.01.2021
Physiologie | Paläontologie
Früher Säuger mit erstaunlich präzisem Biss
Wissenschaftlern ist es gelungen, die Kaubewegung eines frühen Säugetiers zu rekonstruieren, das vor knapp 150 Millionen Jahren gelebt hat. Demnach arbeitete sein Gebiss äußerst präzise und mit erstaunlich hoher Effizienz.
29.12.2020
Klimawandel | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Klimakrise lässt Seen schrumpfen
Autoren plädieren in Fachartikel für mehr Aufmerksamkeit für Regionen, in denen der Wasserpegel sinkt.
28.12.2020
Zoologie | Physiologie | Ethologie
Globale Studie über Frequenzen von Vogelgesängen
Viele Tiere kommunizieren über akustische Signale.