Chemoautotrophe und chemolithotrophe Bakterien

Autotrophe Bakterien beziehen den Kohlenstoff, den sie zum Überleben und Wachstum benötigen, aus Kohlendioxid (CO2). Um diese Kohlenstoffquelle zu verarbeiten, benötigen die Bakterien Energie. Chemoautotrophe Bakterien und chemolithotrophe Bakterien beziehen ihre Energie aus der Oxidation anorganischer (kohlenstofffreier) Verbindungen. Das heißt, sie beziehen ihre Energie aus der Energie, die bereits in chemischen Verbindungen gespeichert ist. Durch die Oxidation der Verbindungen kann die in chemischen Bindungen gespeicherte Energie in zellulären Prozessen genutzt werden. Beispiele für anorganische Verbindungen, die von diesen Bakterientypen genutzt werden, sind Schwefel, Ammoniumionen (NH4+) und Eisen (Fe2+).

Die Bezeichnung autotroph bedeutet „sich selbst ernährend“. Tatsächlich sind sowohl chemoautotrophe als auch chemolithotrophe Organismen in der Lage, auf kohlenstofffreiem Medium zu wachsen. Die Bezeichnung lithotroph bedeutet „steinfressend“, ein weiterer Beleg für die Fähigkeit dieser Bakterien, in scheinbar unwirtlichen Umgebungen zu wachsen.

Die meisten Bakterien sind chemotroph. Wenn die Energiequelle aus großen, komplex aufgebauten Chemikalien besteht, wie es der Fall ist, wenn die Chemikalien von ehemals lebenden Organismen stammen, dann sind es die chemoautotrophen Bakterien, die die Quelle nutzen. Sind die Moleküle klein, wie bei den oben genannten Elementen, können sie von chemolithotrophen Bakterien verwertet werden.

Nur Bakterien sind chemolithotroph. Zu den Chemoautotrophen gehören Bakterien, Pilze, Tiere und Protozoen.

Es gibt mehrere gemeinsame Gruppen chemoautotropher Bakterien. Die erste Gruppe sind die farblosen Schwefelbakterien. Diese Bakterien unterscheiden sich von den Schwefelbakterien, die das Sonnenlicht nutzen. Letztere enthalten die Verbindung Chlorophyll und erscheinen daher farbig. Farblose Schwefelbakterien oxidieren Schwefelwasserstoff (H2S), indem sie ein Elektron aus dieser Verbindung aufnehmen. Durch die Annahme eines Elektrons durch ein Sauerstoffatom entstehen Wasser und Schwefel. Die Energie aus dieser Reaktion wird dann genutzt, um Kohlendioxid zu Kohlenhydraten zu reduzieren. Ein Beispiel für ein farbloses Schwefelbakterium ist die Gattung Thiothrix.

Eine andere Art von chemoautotrophen Bakterien sind die „Eisenbakterien“. Diese Bakterien sind am häufigsten als rostig gefärbte und schleimige Schicht anzutreffen, die sich auf der Innenseite von Toilettenbecken ablagert. In einer Reihe von chemischen Reaktionen, die denen der Schwefelbakterien ähneln, oxidieren Eisenbakterien Eisenverbindungen und nutzen die aus dieser Reaktion gewonnene Energie, um die Bildung von Kohlenhydraten voranzutreiben. Beispiele für Eisenbakterien sind Thiobacillus ferrooxidans und Thiobacillus thiooxidans. Diese Bakterien kommen häufig in Abwässern von Kohleminen vor. Das Wasser ist sehr sauer und eisenhaltig. Chemoautotrophe Bakterien gedeihen in einer solchen Umgebung.

Eine dritte Art von chemoautotrophen Bakterien sind die nitrifizierenden Bakterien. Diese chemoautotrophen Bakterien oxidieren Ammoniak (NH3) zu Nitrat (NO3-). Pflanzen können das Nitrat als Nährstoffquelle nutzen. Diese nitrifizierenden Bakterien sind wichtig für das Funktionieren des globalen Stickstoffkreislaufs. Beispiele für chemoautotrophe nitrifizierende Bakterien sind Nitrosomonas und Nitrobacter.

Die Evolution von Bakterien als Chemoautotrophe oder Chemolithotrophe hat es ihnen ermöglicht, Nischen zu besetzen, in denen es sonst kein bakterielles Leben gäbe. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler zum Beispiel eine Höhle in der Nähe von Lovell, Wyoming, untersucht. Das Grundwasser, das durch die Höhle fließt, enthält eine starke Schwefelsäure. Außerdem gibt es dort kein Sonnenlicht. Die einzige Lebensquelle für die florierenden Bakterienpopulationen, die an den Felsen haften, sind die Felsen und die Chemie des Grundwassers.

Die Energieausbeute aus der Nutzung anorganischer Verbindungen ist nicht annähernd so groß wie die Energie, die durch andere Arten von Bakterien gewonnen werden kann. Aber Chemoautotrophe und Chemolithotrophe stehen in der Regel nicht in Konkurrenz zu anderen Mikroorganismen, so dass die Energie, die sie gewinnen können, ausreicht, um ihre Existenz zu sichern. Die anorganischen Prozesse, die mit chemoautotrophen und chemolithotrophen Bakterien verbunden sind, machen diese Bakterien möglicherweise zu einer der wichtigsten Quellen für die Verwitterung und Erosion von Gestein auf der Erde.

Die Fähigkeit chemoautotropher und chemolithotropher Bakterien, durch die aus anorganischen Prozessen gewonnene Energie zu gedeihen, ist die Grundlage für die Stoffwechselaktivitäten der so genannten Extremophilen . Dabei handelt es sich um Bakterien, die in extremen pH-, Temperatur- und Druckbereichen leben, um nur drei Beispiele zu nennen. Darüber hinaus wird vermutet, dass die Stoffwechselfähigkeiten der Extremophilen auf extraterrestrischen Planetenkörpern dupliziert werden könnten.

Siehe auch Stoffwechsel