Mikrobielle Planktonforschung: Bakterien, Ökologie und Stoffwechsel im Meer
Planktonforschung und mikrobielle Ökologie
Planktonische Gemeinschaften
Das Plankton umfasst Zooplankton, Phytoplankton und Bakterioplankton. Das Bakterioplankton lässt sich nach Größe unterteilen: Pico-Plankton (0,2–2 µm) und Nano-Plankton (2–20 µm), zu dem auch die Nano-Cyanobakterien gehören.
Probenahme
Bei der Probenahme aus der Tiefe darf keine Kontamination durch Oberflächenwasser erfolgen. Die Flasche wird geschlossen, und das System muss steril und dicht sein. Dafür wird ein Probennehmer verwendet.
Nährmedien und Salzzusammensetzung
Die Medien enthalten Magnesiumsulfat (0,7 %), Kaliumchlorid (0,075 %) und Natriumchlorid (2,4 %).
Direkte Zählmethoden
Mit der direkten Methode lassen sich Bakterien insgesamt zählen, unabhängig davon, ob sie kultivierbar sind. Die Probe wird dabei mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt und mikroskopisch ausgewertet.
Bakterielle Biomasse und Aktivität
Die bakterielle Biomasse wird durch Temperatur, Salinität und Nährstoffe bestimmt. Die bakterielle Aktivität hängt von Nährstoffen (Gewinnung organischer Substanz), Sauerstoff (Atmung) und weiteren Faktoren ab.
Besiedlung organischer Partikel
Mikroorganismen besiedeln organische, partikuläre Aggregate in Suspension. Ihre vertikale Verlagerung hängt von der Aktivität, der Größe und der Neubesiedlung ab. Die Bakterien reagieren dabei durch Chemotaxis.
Zu den Partikeln gehören Tiere, Pflanzen, Protisten, Fäkalien, anorganische Partikel und Meeresschnee. Die Aggregate bestehen zum Teil aus transparenten, schleimigen exopolymeren Substanzen (EPS), die von Bakterien und Algen produziert werden. Sie erreichen Größen von 100–200 µm und sinken etwa 100 m pro Tag. Sie besitzen einen hohen Stoffwechsel.
Messung der bakteriellen Biomasse über Lipopolysaccharide
Die Konzentration von Adenosintriphosphat (ATP) und Lipopolysacchariden (LPS, nur bei gramnegativen Bakterien) wird als Indikator verwendet. Radioaktive Isotope kommen ebenfalls zum Einsatz.
Es wird vorausgesetzt, dass der LPS-Gehalt pro Zelle konstant ist. Der LPS-Gehalt ändert sich jedoch beim Absterben der Zellen.
Die Methode der turbidimetrischen Bestimmung des LPS nutzt lysierte Erythrozyten des Kaninchens. Gemessen wird die Trübung bei 360 nm. Der Umrechnungsfaktor beträgt 2,78 ± Ferritogramm LPS pro Zelle.
Systematische Einordnung
Bakterien bilden eine eigene Domäne, neben der Archaeen und Eukarya. Die Archaeen sind ausschließlich prokaryotisch. Die dritte Domäne ist nicht ausschließlich prokaryotisch.
Phototrophe Mikroorganismen
Phototrophe Organismen sind im Ozean weit verbreitet. Sie besitzen Pigmente wie Chlorophyll a und b sowie Phycoerythrin und können bis in eine Tiefe von etwa 200 m in der euphotischen Zone leben.
Organotrophe Mikroorganismen
Organotrophe Organismen gewinnen Energie durch Gärung oder Atmung, aerob oder anaerob. In Dunkelheit und unter aeroben Bedingungen sind sie organotroph. Bei anaerobem Licht sind sie fotoheterotroph.
Schwefelbakterien in aquatischen Lebensräumen
In Umgebungen mit Schwefelwasserstoff gibt es anoxygene phototrophe Bakterien. Sie sind sauerstofffrei und reduzieren NADP zu NADPH.
Systematik nach Bergey
Nach dem Bergey-Handbuch werden die gramnegativen Bakterien in mehrere Gruppen eingeteilt, darunter:
- Chloroflexi: grüne, nicht schwefelhaltige Bakterien
- Chlorobi: grüne Schwefelbakterien
- Chromatiaceae: Purpurschwefelbakterien, die Schwefel im Inneren einlagern
- Ectothiorhodospiraceae: Purpurschwefelbakterien, die Schwefel außerhalb der Zelle ablagern
Die Purpurschwefelbakterien umfassen insgesamt fünf Familien.
Nachweis der Atmungsaktivität
Die Methode mit dem Farbstoff INT (Iodonitrotetrazolium) misst die respiratorische Aktivität. Das Tetrazoliumsalz wird von aktiven Zellen zu einem farbigen Formazan reduziert. Dabei werden Zwischenprodukte des Elektronentransports genutzt.
Anpassung an ungünstige Bedingungen
Mikroorganismen passen sich an ungünstige Bedingungen an. Sie teilen sich zu ultramikrozellen Formen und verkleinern sich durch kontinuierlichen Abbau von endogenem Material. Das vergrößerte Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis ermöglicht eine effiziente Nährstoffaufnahme in oligotrophen Umgebungen. Gleichzeitig bietet die geringe Größe Schutz vor Fraßdruck durch Bakterienfresser im Bakterioplankton.
Zellformen und Zellwand
Kokken haben eine verringerte Größe und ein verändertes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Die Zellwand enthält Murein, bei gramnegativen Bakterien zusätzlich eine Lipopolysaccharid-Schicht. Der Zytoplasmagehalt ist reduziert.
Stäbchenförmige Bakterien
Gramnegative Stäbchen sind hyperthermophil und kommen in Quellen, submarinen Quellen und Zonen mit geochemischer Aktivität vor.
Filamentöse Bakterien
Manche Bakterien bilden Fäden, Fasern oder Filamente mit einer axialen Struktur. Sie besitzen eine FS-Kulturschicht und nutzen Kohlenhydrate, Aminosäuren und Fettsäuren als Quelle für Kohlenstoff und Energie.
Taxonomische Einordnung: Pseudomonas
Die Klassifikation lautet: Domäne Bakterien, Stamm Proteobacteria, Klasse Gammaproteobacteria, Ordnung Pseudomonadales, Familie Pseudomonadaceae, Gattung Pseudomonas. Vertreter sind P. elongata und P. nautica.
Zellanhänge und Fortpflanzung
Manche Bakterien besitzen Anhänge wie Stiele oder Hyphen. Hyphomonas vergrößert durch Knospung die Oberfläche. Caulobacter nutzt Anhänge zur Anheftung und zur Aufnahme von Nährstoffen. Bestimmte Arten fixieren Stickstoff. Eine Hülle umgibt die Zelle.
Knospung und Hyphenbildung
Gramnegative Bakterien mit Stiel oder Prostheka vermehren sich durch Knospung oder durch Ausbildung von Hyphen.
Bekannte Gattungen
Beggiatoa, Thiotrix, Thioploca, Leucothrix, Thiobacillus.
Schwefelkreislauf in Reisfeldern
In Reisfeldern entsteht durch anaerobe Bedingungen Schwefelwasserstoff (H2S). Die Pflanzen reagieren empfindlich auf die toxischen Wirkungen. Die Bakterien Beggiatoa können Schwefel oxidieren und in die Pflanzen transportieren. Sauerstoff diffundiert in die Rhizosphäre und schafft mikroaerophile Bedingungen, die für Biota bevorzugt werden.
Eisenbegrenzung im Meer
Eisen ist im marinen Milieu ein limitierender Nährstoff.
Vibrionen und Pathogene
Gramnegative, gekrümmte Stäbchen mit polaren oder seitlichen Geißeln leben in Salz- und Süßwasser. Einige sind pathogen für aquatische Tiere und Menschen, bioluminescent und Oxidase-positiv. Zu den typischen Vertretern gehört Vibrio cholerae.
Nachweis durch Laktosevergärung
Die Kultur wird 24 Stunden in laktosehaltigem Medium bei 35 °C inkubiert. Der Test dient der Differenzierung der Gruppe und ist ein Bioassay.
Bakterien in tiefen Sedimenten
In tiefen Sedimenten und Gewässern ohne Sauerstoff nutzen Bakterien Verbindungen für ihren Stoffwechsel. Die Sedimente enthalten organische Substanz, die von Mikroorganismen abgebaut wird.
Biologische Kontrolle
Ein Teil der Mikroorganismen wirkt als Räuber anderer Bakterien.
Sulfat und organische Substanz
Sulfatreduzierende Bakterien oxidieren organische Verbindungen zu CO2. Dieser Prozess ist ein wichtiger Faktor bei der Mineralisierung organischer Substanz.
Photosynthese bei Purpurbakterien
Purpurbakterien besitzen Bakteriochlorophyll und ein einziges photosynthetisches Reaktionszentrum. Ein Elektron wird über Chinon an den Cytochrom-bc1-Komplex weitergegeben. So entsteht ein Protonengradient, der zur ATP-Synthese genutzt wird. Ferredoxin überträgt Elektronen auf NAD+, wodurch NADH entsteht.
Die Oxidation von Schwefel durch Purpurschwefelbakterien ist chemisch ähnlich zur Wasserspaltung bei Pflanzen.
Sauerstoffarme Zonen
In der oberflächlichen Sedimentschicht und im unteren Teil der Wassersäule fehlt Sauerstoff. Dort finden sich die beschriebenen anaeroben Prozesse.
Chemolithoautotrophe Bakterien
Chemolithoautotrophe Bakterien sind aerob und benötigen Sauerstoff. Nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrit. Sie nutzen anorganische Verbindungen als Elektronendonatoren und kommunizieren über chemische Signale.
Quorum Sensing
Bakterien regulieren Genexpression über Zelldichte-Erkennung. Die Biolumineszenz wird über Autoinduktoren gesteuert. Erst bei hoher Zelldichte leuchten die Bakterien.
Nachweis mit FISH
Mit Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) lassen sich Bakterien anhand ihrer phylogenetischen Merkmale nachweisen. Dafür werden die Zellen permeabilisiert und mit fluoreszenzmarkierten Sonden behandelt, die spezifisch an die Ziel-rRNA binden.