äußere Membran innere Membran ADP ATP Thylakoidlumen Thylakoidmembran

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1 Phototrophe Lebensweise Plus 15.2 V Chloroplasten Chloroplasten sind die Organellen der Photosynthese grüner Pflanzen. Die Chloroplasten sind von einer doppelten äußeren Membran umhüllt, die sie gegen das Cytoplasma der Pflanzen- bzw. Algenzelle abgrenzt ( Abb. 15.2). Die innere Membran entspricht der Membran des endosymbiontischen Cyanobakteriums. Der Innenraum wird Stroma genannt; hier finden wir typisch bakterielle Bestandteile und Stoffwechselleistungen: plastidäre DNA, den plastidären Proteinsyntheseapparat, die Enzyme der CO 2 -Fixierung, der Stärkesynthese und der Fettsäuresynthese sowie der Sulfat- und Nitratassimilation (ausgenommen die Nitrat-Reduktase). Das Stroma ist durchzogen von in sich geschlossenen sackartigen Thylakoidmembranen. In diesen sind die Multienzymkomplexe der Lichtreaktionen und der ATP- Synthase-Komplex lokalisiert, zu denen ADP, Phosphat sowie NAD(P) + freien Zugang haben. Die Membranen lagern sich oft zu Stapeln zusammen, die sich nach Aufschluss der Chloroplasten als Grana isolieren lassen. Die Thylakoidmembranen umschließen einen Innenraum, der Lumen genannt wird. Dieser proteinfreie Raum entspricht dem Außenraum und in ihm finden keine Synthesen statt. Zwischen Lumen und Stroma bildet sich im Fließgleichgewicht der Photosynthese ein ph-gradient aus (sauer im Lumen, also außen ), der die ATP-Synthese treibt. Chloroplast Cytoplasma Stroma hν PS 2H 2 O O 2 äußere Membran innere Membran ADP ATP Thylakoidlumen Thylakoidmembran Abb Aufbau eines Chloroplasten grüner Pflanzen und Algen. Während der Evolution entwickelte sich die äußere Membran aus einer Membran der Eukaryonten, die innere aus einer Membran des endosymbiontischen Cyanobakteriums, sie entspricht dessen Cytoplasmamembran. Von ihr leiten sich die Thylakoide von Chloroplasten und Cyanobakterien ab, wie im Schema angegeben. PS, Photosystem. kette, beim Protonentransport und während der ATP- Synthese ablaufen, haben große Ähnlichkeiten mit denen der Atmungskette Oxygene phototrophe Bakterien (Cyanobakterien) Cyanobakterien repräsentieren die größte, formenreichste und am weitesten verbreitete Gruppe von phototrophen Bakterien. Sie werden fälschlicherweise auch Blaualgen genannt, doch es sind typische Prokaryonten und keine Algen. Wie ihr Name sagt, sind sie meist blaugrün (durch Phycocyanine), einige sind rotbraun (durch Phycoerythrine) oder schwarzgrün (S. 469). Ihre Pigmentausstattung ist nicht für Leben in tiefem Wasser oder in Sedimenten geeignet und sie benötigen, bis auf seltene Ausnahmen, Sauerstoff, um im Dunkeln eine Atmung zu betreiben. Die Lebensprozesse werden im Tag-Nacht- Rhythmus gesteuert (circadiane Rhythmen, z. B. bei Neurospora crassa) (S. 104). Cyanobakterien betreiben als einzige Bakteriengruppe eine oxygene Photosynthese und sind damit nicht an begrenzt verfügbare Elektronendonatoren für die Kohlenstoffassimilation aus CO 2 angewiesen. Diese Tatsache sowie ihre in einer langen Evolution erlangte Anpassungsfähigkeit erklären ihr praktisch universelles Vorkommen in der aeroben Welt. Außerdem hat ein Viertel des Genpools der Pflanzen einen cyanobakteriellen Ursprung Vorkommen und Rolle von Cyanobakterien Ihre Befähigung, an extremen Standorten zu wachsen und oft auch N 2 fixieren zu können, gibt Cyanobakterien eine große Bedeutung im Naturhaushalt. Sie übernehmen an nährstoffarmen oder extremen Standorten die Rolle von Pionieren. Man kann sie im Fluoreszenzmikroskop leicht als rot fluoreszierende Bakterien (Chlorophyll-a- Fluoreszenz) von anderen Bakterien unterscheiden, neben den ebenfalls rot fluoreszierenden, aber meist größeren Algen. Unter günstigen Entwicklungsbedingungen können sie ganze Matten bilden (z. B. Stromatolithen, Abb. 1.7a, s. auch Abb ). In aeroben Bereichen des Süßwassers und in den Ozeanen sind sie, neben den Algen, die wesentlichen Primärproduzenten. Da viele Cyanobakterien Stickstoff fixieren können, gewinnen sie unter Stickstofflimitierung, wenn Nitrat oder Ammoniak nur in kleinsten Konzentrationen vorhanden sind und deshalb das Wachstum begrenzen, im Licht sogar die Überhand. Unter diesen Bedingungen können sich 468

2 15.3 Oxygene phototrophe Bakterien (Cyanobakterien) Cyanobakterien sind photolithoautotroph und ihr Stoffwechsel folgt einem Tag-Nacht-Rhythmus (circadiane Rhythmik). Sie besitzen Photosystem I und II und verwenden Wasser als Elektronendonator für die autotrophe CO 2 -Fixierung über den Calvin-Benson-Zyklus ( Tab. 15.1). Einige Arten (Leptolyngbya spp.) können aber auch mit H 2 S als Elektronendonator eine anoxygene Photosynthese (nur Photosystem I) betreiben, und nur wenige sind fakultativ chemotroph. Die mehrschichtige Zellwand enthält Murein, Polysaccharide (sogar Cellulose), Lipopolysaccharide und Proteine und ist oft von Schleim oder einer Kapsel überlagert. Ihre Membranlipide enthalten mehrfach ungesättigte Fettsäuren (vgl. Chloroplasten!), eine Besonderheit unter den Bakterien. Auffallend sind die umfangreichen Thylakoidmembranen mit Phycobilisomen als Lichtantennen (S. 482). Die lamellaren Thylakoidmembranen bilden ein Netzwerk, das auf den peripheren Teil der Zelle begrenzt ist. Sie sind wahrscheinlich nicht mit der Cytoplasmamembran verbunden, obwohl sie aus ihr ursprünglich entstanden sind. Beide Membransysteme enthalten den Photosyntheseapparat und die Atmungskette. Man findet bei Cyanobakterien häufig Carboxysomen (S. 161), phagenkopfähnliche Einschlusskörperchen, in denen die Enzyme der CO 2 -Fixierung kristallin vorliegen. Cyanobakterien besitzen keine Flagellen, aber viele fadenbildende Arten können sich auf festen Oberflächen oder in Bakterienmatten gleitend fortbewegen und zeigen phototaktisches Verhalten. Gasvakuolen erlauben ihnen, sich an der Oberfläche oder in geeigneten Wassertiefen zu halten. Sie bilden neben Stärke und Polyphosphat häufig in großen Mengen Cyanophycin (Poly-(Asp-Arg)) (S. 164) als Speicherstoffe. Der Proteinspeicher dient als Stickstoffspeicher, aber auch als bescheidener Energiespeicher: Arginin kann nämlich in Ornithin und Carbamoylphosphat gespalten werden, und letzteres ermöglicht selbst unter anoxischen Bedingungen eine ATP-Bila b c Abb Cyanobakterien. a Wasserblüte in einem eutrophierten See, die im Wesentlichen aus Cyanobakterien (Microcystis sp.) besteht. (Aufnahme Jürgen Weckesser, Freiburg) b Mikroskopisches Bild einer Probe aus einer Wasserblüte. Man erkennt mindestens drei koloniebildende Arten. (Aufnahme Rolf Albert, Lübeck) c Cyanobakterien in Laborkulturen. Die Farben können je nach Chromophoren von grün bis blau über rot bis gelb variieren. ( Cyanobakterien massenhaft vermehren und blaugrüne Teppiche an der Wasseroberfläche bilden ( Wasserblüte ). Dies geschieht, wenn das sonst wachstumsbegrenzende Element Phosphor in Gewässer eingetragen wird oder zu bestimmten Jahreszeiten mit dem nährstoffreichen Tiefenwasser nach oben gelangt ( Abb. 15.3a) (s. auch Freiwasser) (S. 615). In den Tropen lässt sich Spirulina maxima zur Gewinnung von Tierfutter und Eiweiß züchten. Auch in der Teichwirtschaft ist eine solche Massenentwicklung erwünscht. Bei der Trinkwassergewinnung ist eine Wasserblüte dagegen gefürchtet, da einige Gattungen wie Microcystis sp. ( Netzblaualge ) Toxine (gegen die Fressfeinde gerichtet) und andere, erdig schmeckende Stoffe (Geosmin) bilden. Neben den toxischen zyklischen Peptiden scheiden Cyanobakterien eine Vielzahl von Alkaloiden aber auch antivirale Substanzen (Lectine) aus. Man findet Cyanobakterien auch an extremen Standorten: auf und in feuchtem Boden ( Abb. 15.4a), sie bilden Krusten auf Gestein (z. B. sog. Tintenstriche an feuchten Felswänden, Abb. 15.4b) und sie leben selbst wenige Millimeter unter der Oberfläche von feuchten porösen Gesteinen (endolithisch, der Tau in Wüstengegenden genügt zum Leben!). Einige einzellige Cyanobakterien wie Synechococcus lividus sind so säure- und hitzetolerant, dass sie in sauren heißen Quellen (ph = 4, 70 C) wachsen (s. Abb , Abb und Methode 15.1) (S.475). Manche Cyanobakterien gehen Symbiosen ein ( Abb. 15.5). Sie versorgen den Wirt mit organischen Verbindungen (einige tropische Blattflechten) oder mit gebundenem Stickstoff, wie im Fall der Hornmoose, der Palmenfarne (Cycadaceae) und der Blütenpflanze Gunnera, sowie des tropischen Wasserfarns Azolla. Letzterer dient der Gründüngung von Reisfeldern Stoffwechsel und Zellstruktur 469

3 Phototrophe Lebensweise Morphologische Gruppen Cyanobakterien sind zwar hinsichtlich ihres Stoffwechsels recht einheitlich und bilden eine natürliche Gruppe; dafür ist ihre Biologie und Morphologie umso vielseitiger ( Abb. 15.6). Ihre Einteilung in fünf morphologische Gruppen deckt sich nur bedingt mit ihrem Stammbaum. 1. Einzellige Formen (Stäbchen oder Kokken) mit gewöhnlicher Zellteilung sind phylogenetisch sehr divers. Man findet sie in den Gattungen Synechococcus (= Anacystis ), Gloeocapsa ( Hüllenblaualge ; gloios, griech.: klebrige Masse) oder Synechocystis. Die Zellen bilden meist Kolonien oder tafelförmige Platten, die teilweise mit bloßem Auge sichtbar sind; sie werden durch Kapseln oder Schleimsubstanzen ( Gallerte ) zusammengehalten ( Abb. 15.4a, Abb. 15.6). 2. Cyanobakterien mit multipler Teilung innerhalb einer Zelle findet man in den Gattungen Pleurocapsa ( Krustenalge ) und Dermocapsa. Es entstehen viele kleine Zellen innerhalb einer Hülle. Abb Auffällige Cyanobakterienkolonien. (Aufnahmen Georg Fuchs, Freiburg) a Am Wegrand findet man häufig Kolonien von Nostoc commune, die wegen ihres unerklärlichen Auftretens vom Volksmund Engelsschnäuze genannt werden. b An Felswänden der Kalkalpen findet man die Kolonien der Tintenstrichalge Scytonema sp. dung durch Substratphosphorylierung (Carbamoylphosphat + ADP CO 2 +NH 3 + ATP). Die folgenden Gruppen bilden Zellfäden, Trichome. Die Einzelzellen sind durch Plasmabrücken (Plasmodesmen) miteinander verbunden. Die Zellteilung erfolgt innerhalb des Fadens und die Trichome können sich gleitend auf Oberflächen bewegen oder schwingende Bewegungen ausführen. Die Vermehrung erfolgt durch Zerbrechen der Fäden in sogenannte Hormogonien. 3. Recht stattliche Cyanobakterein mit teilweise auffallendem Aussehen, die Scheiden ausbilden und keine Heterocysten haben, finden sich in den Gattungen Oscillatoria ( Schwingalge ), Trichodesmium, Phormidium ( Häutchenblaualge ) und Spirulina ( Schraubenzieheralge ). Oscillatoria princeps misst bis zu 60 μm im Durchmesser. 4. Eine große Gruppe bilden die fädigen Cyanobakterien ohne Scheiden. Sie bilden Heterocysten aus und fixieren N 2, darunter die Gattungen Nostoc ( Zitter- oder Gallertalge ), Nostoc commune ( Engelsschnäuze ; Abb. 15.4a), Anabaena ( Ringelalge ), Lyngbia ( Scheidenblaualge ) und Scytonema ( Tintenstrichalge ; Abb. 15.4b). 5. Verzweigte, filamentbildende Vertreter, teilweise mit Heterocysten, sind Stigonema ( Lagerblaualge ) und Fischerella sp. Eine Besonderheit sind die Prochlorophyten, mit den fädigen Prochlorothrix und den kugelförmigen Prochlorococcus als typischen Vertretern. Prochlorococcus sp. stellen in den Ozeanen bis 200 m Wassertiefe einen wichtigen Anteil am Phytoplankton ( Zellen ml 1 ). Es handelt sich um phototrophe Bakterien, die wie die Chloroplasten der Pflanzen Thylakoidstapel ausbilden und (ein modifiziertes) Chlorophyll a und Chlorophyll b besitzen, während verwandte Cyanobakterien nur Chlorophyll a besitzen. Sie enthalten auch keine Phycobilisomen. Wegen des Vorkommens von Chlorophyll b hat man 470

4 15.3 Oxygene phototrophe Bakterien (Cyanobakterien) Tab Eigenschaften phototropher Bakterien. Alle Bakterien, die Cyanobakterien ausgenommen, betreiben unter anaeroben Bedingungen eine anoxygene Photosynthese (aerobe anoxygene phototrophe Bakterien) (S. 478). Cyanobakterien Purpurbakterien Grüne Schwefelbakterien PS-Typ PS I + II PS II ohne Wasserspaltung PS I Grüne Nicht- Schwefelbakterien PS II ohne Wasserspaltung Heliobakterien Pigmente Chl a (b) BChl a,b BChl a,c (d,e) BChl a,c BChl g Antennen Phycobilisomen LH I + LH II Chlorosomen Chlorosomen?? Thylakoide intracytoplasmatische Membranen autotroph + (+) + + / Ernährungsweise CO 2 -Fixierung photoautotroph lithoautotroph Calvin- Benson- Zyklus photoautotroph lithoautotroph organoheterotroph Calvin- Benson- Zyklus Elektronendonator H 2 O H 2 S/organische Verbindungen fakultativ chemotroph photoautotroph lithoautotroph reduktiver TCA- Zyklus H 2 S photoautotroph lithoautotroph organoheterotroph 3-Hydroxypropionat-Bizyklus H 2 /organische Verbindungen (+) + / + + PS I photoheterotroph organoheterotroph (anaerob) keine organische Verbindungen a c b d Abb Beispiele für Symbiosen von Cyanobakterien (Gattung Nostoc). a Im Thallus von Hornmoosen (extrazellulär). (Aufnahme C. Lobban, Guam, USA) b In den Korallenwurzeln des Palmfarns Cycas (extrazellulär). (Aufnahme Georg Fuchs, Freiburg) c In den Blättern des Wasserfarns Azolla (extrazellulär). (Aufnahme Georg Fuchs, Freiburg) d In der Blattbasis am Rhizom der Blütenpflanze Gunnera (intrazellulär). (Aufnahme Georg Fuchs, Freiburg) Plus 15.3 Prochloron und Cyanophora paradoxa Prochloron sp. wurde als erster Vertreter der Prochlorophyten als Symbiont von marinen Seescheiden entdeckt. Es ist ein recht großes phototrophes, derzeit noch nicht kultivierbares Bakterium mit ausgeprägten intracytoplasmatischen Membranen. V Cyanophora paradoxa ist eine Süßwasseralge (Glaucocystophyt), die sogenannte Cyanellen enthält und von deren Photosyntheseprodukten lebt. Die Cyanellen haben noch viele Eigenschaften von Cyanobakterien erhalten, wie cyanobakterienähnliche Thylakoide und Photosyntheseapparat, Reste der Peptidoglykanschicht und ein kleines Genom (etwa 10 % des Genoms verwandter Cyanobakterien). Es sind obligate Endosymbionten, die aber eine gemeinsame Wurzel mit den Chloroplasten haben. 471

5 Phototrophe Lebensweise 1 2 Gloeobacter Synechococcus Gloeothece Gloeocapsa 4 Anabaena Abb Einige Cyanobakterien aus verschiedenen Verwandtschaftsgruppen und mit verschiedener Morphologie. Symbole: dick gezeichnete Zellwände und polare Granula kennzeichnen Heterocysten; ausgefüllte Zellen markieren Akineten (Dauerzellen); dünne Linien außerhalb der Trichome kennzeichnen Scheiden. 1 bis 5, siehe Text. Dermocarpa Nostoc 3 Spirulina Cylindrospermum Oscillatoria 5 Calothrix Lyngbya Fischerella anfangs in ihnen das missing link zwischen den Cyanobakterien und den Chloroplasten gesehen; es handelt sich aber nicht um die direkten Vorläufer der Chloroplasten (Plus 15.3). Vielmehr haben Cyanobakterien einschließlich der Prochlorophyten und der Chloroplasten einen gemeinsamen Vorläufer. Ein lebender naher Cyanobakterienverwandter der Chloroplasten wurde bisher nicht gefunden Zelldifferenzierungen In dieser großen Bakteriengruppe beobachtet man auch besondere Zelldifferenzierungen und Strukturen ( Abb. 15.7). Akineten sind dickwandige, große und stark gefärbte Dauerzellen in einem Zellfaden, die der Überdauerung dienen. Heterocysten sind ebenfalls dickwandige, aber farblose oder gelbliche Zellen in einem ansonsten blaugrünen Zellfaden. Sie fixieren N 2 (S. 298) und versorgen die Nachbarzellen mit gebundenem Stickstoff (Glutamin) im Gegentausch mit Disacchariden. Sie besitzen kein Photosytem II und entwickeln deshalb auch keinen Sauerstoff. Hormogonien sind Bruckstücke von Zellfäden, die der Verbreitung dienen. Baeocyten nennt man Zellpakete, die nach vielfacher Zellteilung in einer Ursprungszelle entstehen (Pleurocapsales) Anoxygene phototrophe Bakterien Es gibt mehrere nicht näher verwandte Bakteriengruppen, welche die Fähigkeit zur anoxygenen Photosynthese entwickelt haben ( Abb. 15.8). Die Vertreter der verschiedenen Gruppen unterscheiden sich dabei in einigen Abb Akineten und Heterocysten von Cyanobakterien. a Zellfaden von Anabaena baltica mit zwei Akineten und einer Heterocyste dazwischen. (Aufnahme Seija Hällfors, the Finish Institute of Marine Research) b Zellfaden von Anabaena sp. mit einer kleineren, runden Heterocyste (oben) und einem länglich-ovalen Akineten. (Aufnahme Dr. W. R. Harding, DH Environmental Consulting, Südafrika) grundlegenden Eigenschaften. Zum Beispiel kommen u. a. zwei verschiedene Typen von photosynthetischen Reaktionszentren vor (Photosystem-I- bzw. -II-Typ, Tab. 15.1). Deshalb geht man davon aus, dass die Photosynthese sich früh in getrennten Linien weiterentwickelt hat und darüber hinaus durch lateralen Gentransfer in weitere Bakteriengruppen gelangt ist. 472

6 15.4 Anoxygene phototrophe Bakterien Deinococci Grüne Nicht-Schwefelbakterien Thermotoga Thermodesulfobacterium Aquifex Spirochäten Flavobakterien Deferribacter Cytophaga Planctomyces/Pirella Chlamydien Verrucomikrobien Cyanobakterien Actinobakterien Heliobakterien Nitrospira Purpurbakterien α β γ Grüne Schwefelbakterien Nicht-Schwefelpurpurbakterien Schwefelpurpurbakterien Abb Stammbaum der Bacteria mit Gruppen, die phototrophe Bakterien beherbergen. Die Acidobacteria sind nicht gezeigt. Die anoxygenen phototrophen Bakterien sind auf einen externen Wasserstoffdonator angewiesen. Sie vermögen anorganische Verbindungen wie H 2,H 2 S, S, H 2 S 2 O 3 (Thiosulfat) oder Fe 2+ sowie organische Verbindungen wie Gärprodukte und sogar Aromaten zu verwerten. Diese Verbindungen stehen nur in begrenzter Menge und bevorzugt unter anoxischen Bedingungen zur Verfügung (deshalb auch das begrenze Vorkommen dieser Organismen). Nur unter anoxischen Bedingungen betreiben sie Photosynthese mithilfe von Bakteriochlorophyllen. Eine Ausnahme von der anaeroben Lebensweise machen aerobe anoxygene phototrophe Bakterien (S.472) Vorkommen und Rolle von anoxygenen phototrophen Bakterien Anoxygene phototrophe Bakterien kommen in der anoxischen Zone vieler Gewässer vor; sie bilden oft lachsfarbene bis dunkelweinrote Beläge über dem Schlamm oder faulendem Pflanzenmaterial ( Abb. 15.9). In solchen manchmal dezimeterdicken Schichten über dem Schlammhorizont findet man Schwefelpurpurbakterien (Chromatiaceae), darunter riesengroße Arten wie Chromatium okenii oder Thiospirillum jenense (s. Abb ). Diese auffallend purpurfarbenen Chromatien oxidieren im Licht rasch H 2 S zu Schwefel, den sie intrazellulär in großen Mengen als stark lichtbrechende Kügelchen ablagern. Der Schwefel dient als gespeichertes Reduktionsmittel (Weiteroxidation: S + 4 H 2 O H 2 SO H) und ermöglicht die Assimilation von CO 2 im Licht auch ohne äußeren Elektronendonator. Die Oxidation der reduzierten Schwefelverbindungen H 2 S, H 2 S 2 O 3 (Thiosulfat) und Schwefel wird in Kapitel 12 besprochen. Licht und hohe Sulfidkonzentration findet man auch in flachen Meerwassertümpeln, in denen starke Sulfatreduktion stattfindet, sowie in Schwefelquellen. Die Grünen Schwefelbakterien, aber auch verschiedene Schwefelpurpurbakterien, kommen in der Natur meist streng geschichtet vor, dort wo H 2 S vorhanden ist und noch ausreichend Licht zur Verfügung steht ( Abb ). Dagegen sind die fakultativ photoorganotrophen Purpurbakterien ubiquitär in oxischen und anoxischen Bereichen von Gewässern und Böden mit organischen Stoffen. Man findet anoxygene phototrophe Bakterien auch unter Wasserlinsendecken, die sozusagen als optische Filter denjenigen Lichtanteil bereits herausgefiltert haben, der für das Algenwachstum nützlich ist (s. Abb ). Jahreszeitlich bedingt kommt es zur Massenentwicklung von Schwefelpurpurbakterien in der anoxischen Zone von Seen unterhalb der Temperatur-Sprungschicht (oder Chemokline, Plus 18.9) (S. 614). Dort stehen H 2 S, CO 2 und organische Verbindungen aus dem anaeroben Stoffwechsel anderer Bakterien zur Verfügung. In Tiefen von m dringt kaum Infrarotlicht durch, sondern nur noch etwas Blau- und Blaugrünlicht ( nm) (s. Abb ). Gerade in diesem Wellenlängenbereich absorbieren die tiefrotgefärbten Carotinoide der Purpurbakterien, die ihnen ihre charakteristische Farbe verleihen. Einige Arten können an solchen ihnen zusagenden Standorten nahezu in Reinkulturen vorliegen. Unter den Grünen Schwefelbakterien findet man dort entsprechend die carotinoidreichen, braungefärbten Arten. Weitere ökologische Zusammenhänge werden in Kapitel 18.2 besprochen. Für eine Anreicherung der Purpurbakterien werden deren verschiedene Absorptionsspektren ausgenutzt (Methode 15.1). Viele anoxygene phototrophe Bakterien zeigen auch im Dunkel der Nacht bescheidenes Wachstum und überleben, wenn ihnen organische Substrate zur Verfügung stehen. Sie greifen dazu auch auf die im Licht angelegten Speicherpolymere zurück. 473

7 Phototrophe Lebensweise Abb Rand eines flachen Gewässers, in dem Schwefelpurpurbakterien zur Massenentwicklung kommen. Erklärung siehe Text. Purpurbakterien Faulschlamm Zucker Purpurbakterien, Algen, Cyanobakterien H2S Sulfatreduktion, Eiweißzersetzung H2S organische Säuren (Acetat, Propionat, Butyrat, CH4, H2) a Allochromatium vinosum Abb Einige anoxygene phototrophe Bakterien. a Schwefelpurpurbakterien (Chromatiaceae). b Nicht-Schwefelpurpurbakterien (Rhodospirillaceae). Thiocystis violacea Thiospirillum jenense Chromatium okenii Allochromatium warmingii Thiocystis gelatinosa Lamprocystis Thiodictyon Thiopedia Amoebobacter b Rhodospirillum rubrum Rhodobacter sphaeroides 474

8 Methode 15.1 Anreicherungskultur Die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der verschiedenen anaeroben phototrophen Bakterien ist die Voraussetzung dafür, dass sie verschiedene spektrale Anteile des Lichts zur Photosynthese zu nutzen vermögen. Bei der Anreicherung nutzt man die Anpassung dieser Organismen an bestimmte Lichtverhältnisse (Intensität, Wellenlänge) aus. Hinzu kommen andere Faktoren wie der H 2 S-Gehalt, andere Wasserstoffdonatoren, ph-wert, Temperatur, organische C-Quellen oder CO 2, sowie das Vorhandensein einiger Vitamine, insbesondere Vitamin B 12, aber auch Biotin, Thiamin oder 4-Aminobenzoat. Als Inokulum verwendet man Teichschlamm oder Teichwasser ( Abb ). Wird ein mit Eiweiß, Erde und Sand beschichteter Zylinder mit Wasser gefüllt und mit Standortmaterial beimpft, so kommen im nahen Infrarotlicht Nicht-Schwefelbakterien zum Wachstum. Das Eiweiß wird von anderen Bakterien vergoren und von den Gärprodukten und Licht leben die Purpurbakterien Anoxygene phototrophe Bakterien d Ein Zusatz von Calciumsulfat (Gips) sorgt dafür, dass Sulfatreduzierer H 2 S in hohen Konzentrationen bilden. Dadurch wird das Wachstum der Nicht-Schwefelpurpurbakterien unterdrückt (sie tolerieren nur geringe H 2 S-Konzentrationen < 0,01 %) und photolithoautotrophe Schwefelpurpurbakterien dominieren (sie benötigen H 2 S und tolerieren hohe H 2 S-Konzentrationen). In synthetischen, Vitamin B 12 und andere Vitamine enthaltenden Nährlösungen mit verschiedenen Wasserstoffdonatoren lassen sich durch feine Abstufungen der H 2 S- und Nährsalzkonzentration, des ph-wertes, der Temperatur und der Lichtintensität viele verschiedene Arten der Purpurbakterien sowie Arten der strikt anaeroben grünen Bakterien anreichern. Phototrophe, die am Grund tiefer Gewässer leben, haben häufig Gasvakuolen und verlangen niedrige H 2 S-Konzentrationen, Kälte und Schwachlicht. Im Extremfall genügt so wenig Licht, wie ein Teelicht in 60 m Entfernung spendet. Chlorobium phaeobacteroides kann noch ein Photon verwerten, das in 7 Stunden auf ein Chlorophyll-b-Molekül fällt nm nm nm nm Abb Anreicherungskulturen ( Winogradsky-Säulen ) von phototrophen Bakterien. Oben ist der spektrale Durchlässigkeitsbereich von Lichtfiltern angegeben, hinter denen sich die benannten Bakterienarten und Schwefelpurpurbakterien Bakterienplatte organische Verbindungen Sand Erde Eiweiß H 2 S Faulschlamm, Gips, Erde -gruppen bevorzugt entwickeln. Einige Tage nach dem Ansetzen der Kultur und Beimpfung mit Teichschlamm und -wasser bilden sich rote bzw. grüne Bakterienplatten in der Wassersäule. Nicht-Schwefelpurpurbakterien Rhodospirillum rubrum Rhodopseudomonas viridis Grüne Schwefelbakterien Purpurbakterien und Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Photosysteme vom Typ II) Man kennt zwei natürliche Gruppen anoxygener phototropher Bakterien, deren Vertreter ein Photosystem II allerdings ohne Wasserspaltungsenzym besitzen, die Proteobakterien (Purpurbakterien) und die Grünen Nicht-Schwefelbakterien (auch Grüne schwefelfreie Bakterien genannt). Purpurbakterien Die photosynthetisierenden Proteobakterien nennt man auch Purpurbakterien. Ihre Bezeichnung geht auf die purpurrote (aber auch bräunliche bis gelbliche) Färbung dichter Kulturen ( Abb ) zurück, die durch den hohen Gehalt an Carotinoiden bedingt ist. Nach ihrem Stoffwechsel teilt man sie in zwei Gruppen ein, die Schwefelpurpurbakterien und die Nicht-Schwefelpurpurbakterien ( Tab. 15.1). Der Photosyntheseapparat (S. 478) ist auf intracytoplasmatischen Membranen lokalisiert, nur bei wenigen Arten ist er auf die Cytoplasmamembran be- 475

9 Phototrophe Lebensweise Abb Purpurbakterien. (Aufnahmen Georg Fuchs, Freiburg) a Rand einer warmen Quelle, in der verschiedene phototrophe Bakterien zur Massenentwicklung kommen und dünne Schichten ausbilden. b Laborkulturen von Purpurbakterien. schränkt. Alle Vertreter besitzen das Reaktionszentrum vom Typ II (aber ohne Wasserspaltungsenzym!), das von dem zylindrisch geformten Antennenkomplex LH I (LH, für engl. light harvesting; auch als Kernkomplex oder Core-Komplex bezeichnet) umgeben ist. Ein zweiter variabler Antennenkomplex LH II (S. 483) kann in Abhängigkeit von der Lichtintensität in variablen Mengen vorhanden sein. Alle Vertreter besitzen Bakteriochlorophyll a oder b und können N 2 fixieren. Autotrophe Vertreter fixieren CO 2 über den Calvin-Benson-Zyklus. Die Purpurbakterien stehen im natürlichen Stammbaum neben nichtphototrophen Vertretern der Proteobakterien. Ob die Photosynthese eine ursprüngliche Eigenschaft des gemeinsamen Vorfahren aller Proteobakterien war, ist unentschieden. Die Schwefelpurpurbakterien sind obligat phototroph und benötigen reduzierte Schwefelverbindungen als Elektronendonatoren für ihren photolithotrophen Stoffwechsel. Schwefelwasserstoff wird intermediär zu Schwefel oxidiert und dieser wird gespeichert. Sie gehören zur gamma-subklasse der Proteobakterien. Typische Gattungen sind Chromatium mit intrazellulärer Schwefelspeicherung und Ectothiorhodospira mit extrazellulärer Schwefelablagerung. Plus 15.4 Die Nicht-Schwefelpurpurbakterien (auch schwefelfreie Purpurbakterien genannt) gehören zu den alphaund beta-subklassen der Proteobakterien. Sie benötigen organische Verbindungen anstelle von reduzierten Schwefelverbindungen als Elektronendonatoren für die Photosynthese, sie sind also photoorganotroph. Dennoch besitzen die meisten Arten ebenfalls die Enzyme des Calvin-Benson-Zyklus, nutzen die CO 2 -Fixierung aber nur in Ausnahmefällen. Oft wachsen sie mixotroph, d. h. sie beziehen ihren Zellkohlenstoff sowohl aus der CO 2 -Fixierung als auch aus organischen Verbindungen, wenn solche vorhandenen sind. Bevorzugt werden Gärprodukte anderer Bakterien assimiliert (Plus 15.4). Wichtige Gattungen sind Rhodospirillum, Rhodobacter, Rhodopseudomonas (alpha-unterklasse) und Rhodocyclus (beta-unterklasse). Die meisten Arten der Nicht-Schwefelpurpurbakterien sind metabolisch sehr vielseitig. Man findet bei ihnen Photosynthese, aerobe Atmung und Gärung. Die Grünen Nicht-Schwefelbakterien V Warum CO 2 -Fixierung, wenn organische Substrate vorhanden sind? Wenn phototrophe Bakterien beispielsweise eine Fettsäure als Energiequelle oxidieren oder als Kohlenstoffquelle verwenden, so ist dieser Prozess mit der Freisetzung von Reduktionsäquivalenten verbunden. Im Fall der Verwertung des Gärprodukts Buttersäure C 4 H 8 O 2, die Zellkohlenstoff auf der Oxidationsstufe von Kohlenhydraten [CH 2 O] liefern soll, gilt die Gleichung: C 4 H 8 O 2 +2H 2 O 4 [CH 2 O]+4H. Die Reduktionsäquivalente müssen verbraucht werden, was unter anoxischen Bedingungen ohne eine anaerobe Atmung nicht gelingt. Dagegen kann man damit CO 2 fixieren, nach der Gleichung: 4H+1CO 2 1 [CH 2 O] + 1 H 2 O. Die CO 2 -Fixierung dient hier als Elektronenabfluss bei der Verwertung von organischen Verbindungen, deren Reduktionszustand höher ist als derjenige des Zellkohlenstoffs. Diese Bakterien repräsentieren einen weiteren eigenen Stamm im Bakterienstammbaum. Eine typische Gattung ist Chloroflexus (S. 554). Chloroflexus-Arten sind fakultativ phototroph und wachsen auch chemotroph im Dunkeln. Sie sind meist photoorganotroph und verwenden organische Verbindungen als Elektronendonatoren, können aber auch auf photolithotrophe Bedingungen mit Wasserstoff als Elektronendonator umschalten. Sie fixieren dann CO 2 über den 3-Hydroxypropionat-Bizyklus, verwandte Gattungen dagegen über den Calvin-Benson- Zyklus. Die Photosynthese der Chloroflexaceae läuft wie 476

10 15.4 Anoxygene phototrophe Bakterien bei den Purpurbakterien über ein photosynthetisches Reaktionszentrum vom Photosystem-II-Typ. Die Lichtsammlung erfolgt wie bei den Chlorobiaceae über Chlorosomen, die auch hier Bakteriochlorophyll c als charakteristisches Pigment enthalten (dagegen enthält die verwandte Gattung Heliothrix Bakteriochlorophyll a) ( Abb ). Es scheint so, dass Chloroflexus und Verwandte den Photosyntheseapparat sekundär aus verschiedenen Quellen durch lateralen Gentransfer erworben haben; sie sind eine Art Chimäre. Das Leben in Mikrobenmatten, wo sie bevorzugt leben, erleichtert den Gentransfer. Abb Entwicklung von verschiedenen phototrophen Bakterien am Rande einer heißen vulkanischen Quelle. Das Foto zeigt eine Aufnahme des Morning Glory Pool im Yellowstone Nationalpark. Im blauen heißen Bereich wachsen keine Phototrophen. Im etwas kälteren grünen Randbereich gedeihen thermophile Cyanobakterien. Die kälteren (55 C), orangefarbenen Randbereiche der Quelle sind dominiert von Matten von Chloroflexus aurantiacus. (fotolia/madeleine Openshaw) Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien (Photosysteme vom Typ I) Man kennt drei natürliche Bakteriengruppen, von denen einige Vertreter ein Photosystem I besitzen: die Grünen Schwefelbakterien ( Abb ) und die grampositiven Heliobakterien. Im Phylum der Acidobacteria gibt es photoheterotrophe aerobe Vertreter (BChl a und b) mit Chlorosomen, die nicht in Reinkulturen vorliegen. Grüne Schwefelbakterien Die Grünen Schwefelbakterien bilden eine eigene Entwicklungslinie im Bakterienstammbaum, die Chlorobiaceae (s. Abb. 15.8). Diese Bakterien sind obligat photolithoautotroph; sie benötigen Schwefelwasserstoff als Elektronendonator und fixieren CO 2 über den reduktiven Citratzyklus. Darüber hinaus zeichnen sich die Chlorobiaceae durch ein photosynthetisches Reaktionszentrum vom Typ I und Chlorosomen (S. 483) als Lichtsammelkomplexe aus. Typische Pigmente für diese Gruppe der anoxygenen Phototrophen sind Bakteriochlorophyll c und d, die in großen Mengen in den Chlorosomen angereichert sind. Chlorobium-Arten sind auch die phototro- Abb Einige Grüne Schwefelbakterien (Chlorobiaceae). Chlorobium limicola Chlorobium vibrioforme Chlorobium phaeobacteroides Chlorochromatium (consortium) Pelodictyon clathratiforme Pelochromatium (consortium) 477