und noch

Anlagerung von P.vibrioformes Zellen an S0-Partikel
P.vibrioformis gehört zu den phototrophen Schwefelbakterien, welches giftiges Sulfid in
harmlose Stoffe wie Sulfit oder Schwefel umwandeln kann.
Phototrophe Schwefelbakterien sind vor allem deshalb so außergewöhnlich, weil sie im
Grunde “lebende Fossilen“ sind. Sie haben sich auf unserer Erde vor Milliarden von Jahren
entwickelt, als völlig andere Lebensbedingungen herrschten. Sauerstoff war nicht vorhanden,
organische Materie noch kaum entstanden und Schwefelwasserstoff allgegenwärtig.
Sauerstoff war für die damaligen Lebewesen sogar ein Gift. Phototrophe Schwefelbakterien
waren die ersten Lebewesen, die Photosynthese betrieben, also die Sonnenenergie als Quelle
nutzen und sie in biochemische Energie umwandeln konnten, lange bevor Algen und Pflanzen
existierten. Sie haben den Wandel der Erdatmosphäre und der irdischen Ökosysteme überlebt
und sind auch heute noch Weltweit verbreitet. Jedoch beschränkt sich ihr Vorkommen auf
wenige spezielle ökologische Nischen, in denen kein Sauerstoff vorhanden ist, wie das
Wattsediment in flachen Küstenbereichen oder auch das freie Wasser in tieferen Schichten,
das in der Nord- und Ostsee häufig anoxisch ist. Man findet sie aber nicht nur im Meerwasser,
sondern auch in Seen und Tümpeln.
P.vibrioformis ist also befähigt giftigen Schwefelwasserstoff aus der Umwelt in harmloses
Sulfit oder Schwefel umzuwandeln. Während Algen und Pflanzen mit Hilfe der
Sonnenenergie aus Wasser und Kohlendioxid Zucker herstellen und dabei Sauerstoff
freisetzen, läuft bei diesen Bakterien ein ähnlicher Vorgang ab, mit dem Unterschied, dass bei
ihnen anstatt Wasser der Schwefelwasserstoff zersetzt wird und kein Sauerstoff entsteht.
Ohne diese Entgiftungsleistung der Schwefelbakterien könnte eine Anhäufung des Gases
nicht nur zur Geruchsbelästigung führen, sondern auch zu einer Abtötung aller höheren
Lebewesen im Wasser. Daraus würde eine starke Beeinträchtigung des normalen
ökologischen Gleichgewichtes resultieren.
P.vibrioformis hat sich im Zuge der Evolution eine weitere Besonderheit geschaffen. Das
Schwefelbakterium ist nicht nur zum Wachstum mit Sulfid befähigt, sondern kann sich ein
Schwefeldepot anlegen. Bei einem Überangebot von Schwefelwasserstoff bildet
P.vibrioformis extrazelluläre „ Schwefelkugeln“. Diesen extrazellulären Schwefel kann das
Schwefelbakterium in Zeiten von Nährstoffarmut als Energiequelle nutzen.
Wie Versuche gezeigt haben vermag P.vibrioformis sowohl eigenen Schwefel als auch
Industrieschwefel zu verwerten.
Produktion von extrazellulärem Schwefel durch
P.vibrioformis ( Schwefelkugeln SK )
Damit P.vibrioformis Schwefelkugeln bildet muss der Organismus unter
Standardbedingungen photoautotroph angereichert werden. Nach 5 Tagen hat eine 3%
angeimpfte Kultur in der Regel. ihr Wachstumsoptimum erreicht.
Dieser Kultur wird dann 8mM Sulfid zugesetzt und eine erneute Inkubation bei
Standardbedingungen erfolgt für 2 Stunden.
Nach diesen 2 Stunden wird die Kultur milchig trüb und an der Gefäßwand setzt sich
Schwefel ab. Der Schwefel wird unter anaeroben Bedingungen abgeerntet.
Beim abernten entsteht ein Schwefelpellet am Boden des Zentrifugenbechers. Das
Schwefelpellet wird resuspendiert und unter anaeroben Bedingungen wiederholt mit einer
Kochsalzlösung gewaschen. Um die noch vorhandenen Zellen von P.vibrioformis zu
inaktivieren wird der gebildete Schwefel pasteurisiert.
P.vibrioformis in 5l Kultur zur Produktion von Schwefelkugeln
Die Schwefelkugeln haben sich an der Flaschenwand angeheftet
gewaschene und pasteurisierte Schwefelkugeln von P.vibrioformis
Schwefelkugeln in Meerwassermedium
Schwefelkugel von P.vibrioformes:
Eine Schwefelkugel ( mikroskopische Aufnahme )
Mittels elektronenmikroskopischer Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass der von z.B.
P.vibrioformis gebildete Schwefel von einer 2,5 nm dicken Proteinhülle umgeben ist
( Nicolson und Schmidt,1971), die als Proteinhülle identifiziert und deren einzelne Proteine
charakterisiert wurden (Brune,1995a). Die Schwefelkugelhülle besteht aus hydrophoben
Proteinen, die unter den Schwefelbakterien homolog sind.
Schwefel
Wegen seiner geringen Löslichkeit in Wasser ist elementarer Schwefel als Substrat des
Energiestoffwechsels für die meisten mesophilen Bakterien ungeeignet.
In wässrigen Lösungen, die Sulfid – das Produkt der Schwefel-Atmung – enthalten, löst sich
Schwefel aber mit großer Geschwindigkeit.
Dabei werden Polysulfidionen gebildet .nS0+HS- Sn+12-+H+
Bei pH8 und 37°C wird etwa soviel Schwefel gelöst wie Sulfid vorhanden ist ( Klimmek
et.al.1991).
Bei pH-Werten unterhalb des pK von H2S (7) wird wesentlich weniger Schwefel gelöst (
Schauder und Kröger 1993). Bei pH-Werten über sechs werden hauptsächlich Tetrasulfid
(S42-) und Pentasulfid (S52-) gebildet, deren pK-Werte unterhalb von sieben liegen
( Giggenbach 1972, Schwarzenbach und Fischer 1960).Da die beiden Polysulfide mit großer
Geschwindigkeit in einander umgewandelt werden ( Giggenbach 1972)
3S52-+HS4S42-+H+ , ist nicht zu entscheiden ob Tetrasulfid oder Pentasulfid bevorzugt
von P.vibrioformis umgesetzt wird.
Da in unseren Versuchen ausgeschlossen werden soll, dass der Schwefel durch eine
chemische Reaktion mit Sulfid gelöst wird, werden die Vorkulturen von P.vibrioformis in
Sulfidfreiem Medium angezogen.
Schwefel in Meerwassermedium
Industrieschwefel:
Schwefel in einem Erlenmeyerkolben
Lichtmikroskopische Aufnahme
P.vibrioformis findet im Medium nicht ausreichend gelösten Schwefel vor, deshalb haben die
Grünen Schwefelbakterien einen speziellen Mechanismus entwickelt um den Schwefel nutzen
zu können. Hierzu müssen die Zellen mit dem Schwefel in Kontakt kommen (Fritsche, 1998 ).
Das Grüne Schwefelbakterium Chlorobium limicola bildet für einen solchen Kontakt
„ Haftfüßchen“ zu den Schwefelkristallen aus ( Pibenat und Arbella, 1996 ).
Klumpen von Schwefelkugeln mit Zellen
Wachstum von P.vibrioformis mit Sulfid:
Eine Schwefelkugel und vier Zellen
Nach 1 Stunde