Mikrobiologie: Phototrophe und chemotrophe Bakterien im Überblick

Anoxygene phototrophe Bakterien

Der Photosynthesekomplex der Schwefelbakterien (BVA) besteht in phototrophen Bakterien hauptsächlich aus Bacteriochlorophyll. Er unterscheidet sich von anderen Antennenkomplexen durch seine große Matrix aus Pigmenten und Proteinen, die den FS-Komplex umschließt. Die Chlorosomen enthalten vor allem Bacteriochlorophyll c, d und e.

Sauerstoffbildende Cyanobakterien

Cyanobakterien (Blaualgen) sind sauerstoffbildende Organismen, die maßgeblich zur Entstehung der Erdatmosphäre beigetragen haben. Sie kommen in einer breiten Vielfalt von Lebensräumen vor, sind teils immobil, teils beweglich durch Gleitbewegungen und können Toxine produzieren. Ihre Pigmente sind Phycobiliproteine.

Spezialisierte Zellen

Viele Cyanobakterien bilden spezialisierte Zellen aus, etwa Heterocysten und Akineten. Heterocysten sind für die Stickstofffixierung zuständig: Der Stickstoff der Atmosphäre wird dort über die Nitrogenase verarbeitet, die mit Photosystem I zusammenarbeitet.

Strukturen und Vorkommen

Supramolekulare Strukturen in Form von Zylindern oder Stäbchen sind an der Thylakoidoberfläche bis zur Membran der Cyanobakterien angelagert und verleihen ihnen ein körniges Aussehen. Prochlorophyten besitzen Chlorophyll a und b, während Cyanobakterien dies nicht tun. Prochlorophyten können als freilebende Organismen oder als Endosymbionten in Eukaryoten vorkommen.

Extremophile Bakterien

Einige Arten leben an extremen Standorten, etwa an sauren oder salzhaltigen Orten. Die meisten sind streng aerob, andere sind anaerob oder fakultativ anaerob und können Kohlenhydrate fermentieren.

Planctomyceten und Verrucomicrobia

Planctomyceten vermehren sich durch Knospung an einem Ende der Zelle. Ein Fortsatz (Hyphe oder Stiel) kann vorhanden sein. Eine Besonderheit ist die Membran um das Zytoplasma, die bei Verrucomicrobia und Planctomyceten vorkommt. Der Stiel ist ohne Zytoplasma nicht lebensfähig.

Methanogene und methylotrophe Bakterien

Methanogene Archaeen reduzieren CO2, Methan, Methylamin und andere Verbindungen unter anaeroben Bedingungen. Methylotrophe Bakterien nutzen C1-Verbindungen wie Methanol und Formaldehyd als Kohlenstoffquelle und können unter aeroben Bedingungen eigene organische Verbindungen herstellen.

Nitrifikanten

Nitrifizierende Bakterien oxidieren Ammoniak zu Nitrit (Nitrosomonas, Nitrosifikanten) und Nitrit zu Nitrat (Nitrobacter, Nitrifikanten). Sie sind fotoautotroph oder chemolithotroph.

Eisen- und Manganbakterien

Manche Bakterien sind von einer Scheide (Tubus "L'Eco") umgeben und können Eisen oder Mangan oxidieren. Sie bilden Feststoffe auf Oberflächen und gewinnen daraus Nährstoffe. Beispiele sind Sphaerotilus und Leptothrix, die zur Ordnung Burkholderiales der Betaproteobacteria gehören.

Schwefeloxidierende Bakterien

Schwefeloxidierende Bakterien sind chemolithotroph und oxidieren H2S, elementaren Schwefel und Thiosulfat. Schwefeloxidierende Algen tragen zum Reisanbau bei und sind eine wichtige Grundlage für Ökosysteme in der Tiefe. Die Bakterien werden zur biologischen Entschwefelung (Biodesulfurisation) genutzt.

In schwefelhaltigen Quellen, in Schlamm und in Wasser, das mit organischem Material verunreinigt ist, leben Bakterien, die Schwefel oxidieren. Sie gedeihen in Bereichen ohne Sauerstoff.

Aerobe und chemolithotrophe Mikroorganismen

Aerobe Organismen benötigen Sauerstoff. Sie reduzieren Stickstoffverbindungen, nutzen CO2 als Kohlenstoffquelle und sind chemolithotroph mit aerober Atmung.

Sulfatreduzierende und schwefelreduzierende Bakterien

Sulfatreduzierende Bakterien nutzen Sulfat als Elektronenakzeptor bei der dissimilatorischen Reduktion: Organische Verbindungen + SO₄^2- → H₂S + H₂O. Schwefelreduzierende Bakterien nutzen Acetat oder Ethanol als Elektronendonatoren: Acetat + S⁰ → H₂S.

Vermehrung und Lebenszyklus

Viele Mikroorganismen wie Protozoen, Algen und Hefen vermehren sich asexuell, etwa durch Zweiteilung (binäre Teilung), ungleiche Teilung oder Knospung. Die Tochterzellen können sich vom Elternteil lösen oder als Kolonien verbleiben.

Gram-negative Bakterien und Prädatoren

Einige Bakterien sind gram-negativ, aerob oder fakultativ anaerob und leben im Wasser oder im Boden. Manche sind Parasiten oder Prädatoren anderer Bakterien.

Systematische Einordnung

Beispiel: Domäne Bakterien, Stamm Proteobacteria, Klasse Alphaproteobacteria, Ordnung Caulobacterales, Familie Caulobacteraceae, Gattung Caulobacter.

Stoffwechselwege und Umweltbedingungen

Der inverse Zitronensäurezyklus (reduktiver TCA-Zyklus) kommt in anaeroben Lebensräumen vor. Der pH-Wert ist ein wichtiger Faktor: Saure Bedingungen sind für Betaproteobacteria erforderlich, die als chemolithoautotrophe Organismen Schwefel oxidieren.

Aerobe Atmung führt zur Reduktion von CO2 und NO3^- als Endprodukte. Bei anaerober Atmung werden Nitrat oder andere Stoffe als Elektronenakzeptoren genutzt; Denitrifikanten reduzieren Nitrat zu Stickstoffgasen.

Symbiose und Epibionten

Einige fadenförmige Bakterien bilden Trichome und haften an Substraten oder an Mollusken. Epibiontische Organismen benötigen Sauerstoff und teilweise Licht.

Zusammenfassung

Anorganische Verbindungen dienen als Elektronenquelle, organische Verbindungen als Kohlenstoffquelle. Chemolithotrophe Organismen gewinnen Energie durch Oxidation anorganischer Stoffe, heterotrophe Organismen nutzen organische Verbindungen.