Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie

Riesenbakterien im Meer

Autoren
Schulz-Vogt, Heide N.
Abteilungen
Abteilung Mikrobiologie
Zusammenfassung
Das größte Bakterium der Welt, Thiomargarita namibiensis, wurde vor 14 Jahren vor der Küste Namibias entdeckt. Heute wissen wir, dass die „namibische Schwefelperle“ nicht nur viele nahe Verwandte in anderen Meeresgebieten hat, sondern auch eine wichtige Rolle für die Ökologie spielt: Diese Bakterien können die Bildung von Gesteinen mit einem hohen Phosphorgehalt auslösen. Dadurch verringert sich die Menge an Phosphat im Meerwasser, sodass es anderen Lebewesen nicht mehr als Nährstoff zur Verfügung steht. Die Bildung dieser Gesteine wirkt somit einer Überdüngung der Meere mit Phosphat entgegen.

Was sind Riesenbakterien?

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Fünf hell leuchtende <em>Thiomargarita</em>-Zellen neben einem menschlichen Haar

Die meisten Bakterien sind in der Regel sehr klein und nur mit dem Mikroskop zu erkennen. Aber in einigen wenigen Bakteriengruppen haben sich Riesenformen herausgebildet. Sie sind mehr als hundertmal größer als normale Bakterien und leicht mit bloßem Auge zu erkennen (Abb. 1). Die größten bekannten Bakterien gehören zur Gruppe der Schwefelbakterien. Diese Bakterien erkennt man an den leuchtend weißen Schwefeleinschlüssen, die dadurch zustande kommen, dass die Schwefelbakterien zur Energiegewinnung Sulfid zu Schwefel und weiter zu Sulfat oxidieren. Dazu verwenden sie entweder Sauerstoff oder Nitrat. Die Atmung mit Nitrat ist auch der Grund für die ungewöhnliche Größe. Anders als Sauerstoff, der als Gas frei in Zellen hinein und hinaus diffundieren kann, wird Nitrat als geladenes Ion über die Zellmembran aktiv aufgenommen und kann in der Zelle festgehalten werden. Die Zellen der Riesenbakterien bestehen hauptsächlich aus großen, von Membranen umschlossenen Vakuolen, in denen sie Nitrat hochkonzentriert speichern können [1]. Durch die Speicherung von Nitrat zur Atmung und Schwefel als Energiequelle sind die Riesenbakterien in der Lage, lange Zeit unter ungünstigen äußeren Bedingungen zu überleben.

Thiomargarita namibiensis - die Schwefelperle Namibias

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In Afrika leben nicht nur die größten Landtiere der Welt, sondern auch die größten Bakterien. 1997 wurden sie im Meeresboden vor der Küste Namibias zum ersten Mal entdeckt [2]. Vor Namibia enthält der Meeresboden sehr viel mehr Sulfid als in anderen Küstenregionen, was offenbar gerade diesen Riesen mit ihrem entsprechend großen Nitratspeicher zugutekommt. Außerdem wird der besonders weiche namibische Meeresboden regelmäßig durch großflächige Methanausbrüche aufgewirbelt [3]. So kommt Thiomargarita namibiensis, die namibische Schwefelperle, wieder in Kontakt mit Nitrat und Sauerstoff aus dem Meerwasser und kann ihren Nitratspeicher füllen. Seit ihrer Entdeckung vor 14 Jahren haben es diese Bakterien zu einiger Berühmtheit gebracht und wurden sowohl in das Guinness Buch der Rekorde aufgenommen als auch auf einer namibischen Briefmarke abgebildet (Abb. 2).

Natürlich begann nach der Entdeckung in Namibia die Suche nach Thiomargarita in anderen sulfidreichen Meeresgebieten, und tatsächlich konnten sehr ähnliche Bakterien auch an anderen Standorten gefunden werden, aber nirgends in solcher Menge und mit so vielen verschiedenen Formen wie vor der Küste Namibias (Abb. 3). Erst vor kurzem ist es gelungen, diese Vielfalt an Erscheinungsformen auch genetisch zu untersuchen [4]. Dabei stellte sich heraus, dass es außer Thiomargarita namibiensis noch zwei weitere Thiomargarita-Arten gibt, die nach zwei bekannten Mikrobiologen Thiomargarita joergensenii und Thiomargarita nelsonii benannt wurden. Außerdem wurden noch zwei weitere, bisher unbekannte Gattungen gefunden, die jetzt Thiopilula (Schwefelbällchen) und Thiophysa (Schwefelblase) heißen. Die zuerst beschriebene Art Thiomargarita namibiensis bleibt jedoch ihrem Namen treu. Obwohl sie auch am Meeresboden vor den Küsten von Chile und Costa Rica gefunden wurde, kommt sie dort nur als Einzelzelle vor und bildet nicht die typischen Perlenketten, denen Thiomargarita ihren Namen verdankt.

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Schwefelbakterien und der Phosphorkreislauf

In den riesigen Zellen der Schwefelbakterien ist viel Platz, um Stoffe zu speichern. Nicht nur Schwefel zur Energieversorgung und Nitrat als Oxidationsmittel, sondern auch Phosphat kann die Zelle als eine Art Energiespeicher in Form von Polyphosphat in großen Mengen anhäufen. In den Küstengebieten, in denen besonders viele Schwefelbakterien leben, entstehen auch Gesteine mit hohem Phosphorgehalt, sogenannte Phosphorite. In alten Gesteinen, die von marinen, küstennahen Gebieten stammen, findet man oft Fossilien, deren Form an Schwefelbakterien erinnert. Alles zusammen legt die Vermutung nahe, dass schon seit langer Zeit die großen Schwefelbakterien eine direkte Rolle im Phosphorkreislauf des Meeres gespielt haben könnten, indem sie die Entstehung von Phosphoriten begünstigen. Daher stellt sich jetzt die Frage, unter welchen Bedingungen sich Phosphorite bilden, denn dieser Prozess verringert die Menge an gelöstem Phosphat, die im Meerwasser als Nährstoff für alle Lebewesen zur Verfügung steht. Eine stärkere Phosphoritbildung bedeutet daher auf lange Sicht weniger Wachstum für alle Organismen. Tatsächlich scheint es einen direkten Zusammenhang zwischen Phosphoritbildung und großen Schwefelbakterien zu geben. Unter bestimmten Bedingungen geben Thiomargarita-Zellen Phosphat aus ihrem Speicher in das umgebende Meerwasser ab und erzeugen dadurch eine sehr konzentrierte Phosphatlösung in ihrer direkten Umgebung. Als Folge davon bildet sich das phosphorreiche Mineral Apatit, und der erste Schritt zur Entstehung von Phosphoriten ist getan (Abb. 4) [5].

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Der Meeresboden vor der namibischen Küste ist so reich an Phosphoriten, dass sie jetzt sogar als Rohstoff für die Düngemittelindustrie lohnenswert erscheinen. Um zu verstehen, unter welchen Bedingungen diese Phosphorite entstanden sind, müssen wir wissen, was der Auslöser für die Phosphatabgabe bei Thiomargarita ist. Diese Fragestellung ließ sich jedoch erst an dem etwas kleineren verwandten Schwefelbakterium namens Beggiatoa untersuchen, denn im Gegensatz zu Thiomargarita lässt sich Beggiatoa gut im Labor unter genau definierten Bedingungen heranziehen. Es stellte sich heraus, dass bei Beggiatoa eine hohe Sulfidkonzentration in Abwesenheit von Sauerstoff der entscheidende Auslöser für die Phosphatabgabe ist [6]. Wir vermuten, dass ähnliche Mechanismen auch für Thiomargarita gelten (Abb. 4). Bis jetzt ist noch nicht bekannt, warum Sulfid die Phosphatabgabe auslöst. Tatsächlich kann man jedoch beobachten, dass sowohl heutzutage als auch in der Erdgeschichte Phosphorite in stark sulfidischen Meeresböden entstanden sind. Wir vermuten daher, dass diese und ähnliche Bakterien eine wichtige Rolle für den Phosphorkreislauf des Meeres spielen und wahrscheinlich auch schon  in der geologischen Vergangenheit zur Phosphoritbildung beigetragen haben.

1.
Fossing, H.; Gallardo, V. A.; Jørgensen, B. B.; Hüttel, M.; Nielsen, L. P.; Schulz, H.; Canfield, D. E.; Forster, S.; Glud, R. N.; Gundersen, J. K.; Küver, J.; Ramsing, N. B.; Teske, A.; Thamdrup, B.; Ulloa, O.
Concentration and transport of nitrate by the mat-forming sulphur bacterium Thioploca
Nature 374, 713-715 (1995)
2.
Schulz, H. N.; Brinkhoff, T.; Ferdelman, T. G.; Hernández Mariné, M.; Teske, A.; Jørgensen, B. B.
Dense Population of a Giant Sulfur Bacterium in Namibian Shelf Sediments
Science 284, 389-544 (1999)
3.
Weeks, S. J.; Currie, B.; Bakun, A.; Peard, K. R.
Hydrogen sulphide eruptions in the Atlantic Ocean off southern Africa: implications of a new view based on SeaWiFS satellite imagery
Deep-Sea Research I 51, 153-172 (2004)
4.
Salman, V.; Amann, R.; Girnth, A.-C.; Polerecky, L.; Bailey, J. V.; Høgslund, S.; Jessen, G.; Pantoja, S.; Schulz-Vogt, H. N.
A single-cell approach to the classification of large, vacuolated sulfur bacteria
Systematic and Applied Microbiology 34, 243-259 (2011)
5.
Schulz, H. N.; Schulz, H. D.
Large Sulfur Bacteria and the Formation of Phosphorite
Science 307, 416-418 (2005)
6.
Brock, J.; Schulz-Vogt, H. N.
Sulfide induces phosphate release from polyphosphate in cultures of a marine Beggiatoa strain
The ISME Journal 5, 497-506 (2011)
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