Definition: Was sind chemosynthetische Bakterien?

Chemosynthetische Bakterien umfassen im Wesentlichen eine Gruppe autotropher Bakterien, die chemische Energie zur Herstellung ihrer eigenen Nahrung verwenden. Wie photosynthetische Bakterien benötigen chemosynthetische Bakterien eine Kohlenstoffquelle (z. B. Kohlendioxid) sowie eine Energiequelle, um ihre eigenen Lebensmittel herzustellen.

Zum größten Teil Diese Bakterien sind aerob und daher auf Sauerstoff angewiesen, um diesen Prozess erfolgreich abzuschließen. Einige Arten (z. B. Sulphuricurvum kujiense) wurden jedoch mit anaerober Chemosynthese in Verbindung gebracht.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, ihre eigenen Lebensmittel mit chemischer Energie herzustellen, können diese Organismen Überleben in einer Vielzahl von Lebensräumen / Umgebungen (einschließlich rauer Umgebungen mit extremen Bedingungen) als frei lebende Organismen oder in Verbindung mit anderen Organismen (durch Symbiose mit anderen Organismen).

* Im Gegensatz zur Photosynthese, die bei eukaryotischen Organismen und Cyanobakterien üblich ist, sind chemosynthetische Reaktionen meistens durchgeführt von prokaryotischen Mikroorganismen (insbesondere Bakterien und Archaeen)

Beispiele für chemosynthetische Bakterien umfassen :

• Venenivibrio stagnispumantis
• Beggiatoa
• T. neapolitanus
• T. novellus
• Ferrooxidane

Arten von Chemosynthetische Bakterien

Wie bereits erwähnt, können durch die Chemosynthese verschiedene Arten von Bakterien (chemosynthetische Bakterien) überleben, ohne auf Lichtenergie oder andere Organismen für Lebensmittel angewiesen zu sein. Hier wird die zur Herstellung von Lebensmittelmaterialien verwendete Energie aus einer Vielzahl anorganischer Chemikalien (und damit unterschiedlichen chemischen Reaktionen) gewonnen. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Arten von chemosynthetischen Bakterien, basierend auf der Art der Verbindungen, die sie als Energiequelle verwenden.

* Einige chemosynthetische Bakterien leben in sonnigen Umgebungen und sind daher Sonnenlicht ausgesetzt. Sie sind jedoch nicht auf Sonnenlicht als Energiequelle angewiesen.

Schwefelbakterien – Diese Bakterien (z. B. Paracoccus) oxidieren Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff (Sulfide) Thiosulfate und anorganischen Schwefel usw. Je nach Organismus oder Art der verwendeten Schwefelverbindung erfolgt der Oxidationsprozess in mehreren Stufen. In einigen Organismen wird beispielsweise anorganischer Schwefel gespeichert, bis sie zur Verwendung benötigt werden.

Stickstoffbakterien – In drei Gruppen unterteilt, die nitrifizierende Bakterien umfassen , denitrifizierende Bakterien und stickstofffixierende Bakterien. Bei nitrifizierenden Bakterien wird Ammoniak zunächst im Zytoplasma (durch Ammoniummonooxygenase) zu Hydroxylamin oxidiert. Das Hydroxylamin wird dann durch Hydroxylaminoxidoreduktase unter Bildung von Nitrit im Periplasma oxidiert. Dieser Prozess erzeugt ein Proton (ein Proton für jedes Ammoniummolekül). Im Vergleich zu nitrifizierenden Bakterien oxidieren denitrifizierende Bakterien Nitratverbindungen als Energiequelle.

Methanobakterien / Methanbakterien – Obwohl einige Wissenschaftler vorgeschlagen haben, dass einige Bakterien Methan als Quelle verwenden Dies ist besonders häufig bei chemosynthetischen Archaebakterien der Fall.

Wasserstoffbakterien – Bakterien wie Hydrogenovibrio marinus und Helicobacter pylori oxidieren Wasserstoff als Energiequelle unter mikroaerophilen Bedingungen. Es wurde größtenteils gezeigt, dass diese Bakterien anaerob sind und daher in Gebieten mit sehr wenig bis gar keinem Sauerstoff gedeihen. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass das für Oxidationszwecke verwendete Enzym (Hydrogenase) unter anaeroben Bedingungen effektiv funktioniert.

Eisenbakterien – Acidithiobacillus ferrooxidans und Leptospirillum ferrooxidans sind einige der Bakterien, die Eisen oxidieren. Es wurde gezeigt, dass dieser Prozess je nach Organismus unter verschiedenen Bedingungen abläuft (z. B. niedriger pH-Wert und oxisch-anoxisch).

Während der Chemosynthese müssen chemosynthetische Bakterien, die nicht photosynthetisch sind, auf Energie angewiesen sein, die durch Oxidation dieser Verbindungen erzeugt wird (anorganisch), um Lebensmittel (Zucker) herzustellen, während stickstofffixierende Bakterien Stickstoffgas in Nitrat umwandeln. Alle diese Verfahren dienen zur Herstellung eines Protons, das bei der Kohlendioxidfixierung verwendet wird.

Normalerweise treten diese Reaktionen im Zytoplasma in Gegenwart membrangebundener respiratorischer Enzyme auf. Beispielsweise katalysieren im Fall der Wasserstoffoxidation im Zytoplasma gefundene NiFe-Hydrogenasen der Gruppe 1 die Reaktion, um aus einem Wasserstoffmolekül (H2 < > 2H + und 2e-). Diese Elektronen werden dann in den Chinonpool in der Elektronentransportkette geleitet.

Im Fall von Schwefelwasserstoff wird die Verbindung oxidiert, um Elektronen und Wasserstoffionen freizusetzen (als Protonen bezeichnet, da sie von der Verbindung und den Elektronen getrennt sind und gewinnen eine positive Ladung). Die Produkte dieser Reaktion sind daher Schwefel, Elektronen sowie Protonen. Elektronen und Protonen treten dann in die Elektronentransportkette (an der Membran) ein.

Wenn Elektronen in diese Kette eintreten, werden Protonen aus der Zelle gepumpt. Elektronen hingegen werden von Sauerstoff aufgenommen und ziehen die Protonen (Wasserstoffionen) an, wodurch Wassermoleküle gebildet werden. Durch ein Enzym, das als ATP-Synthase bekannt ist, werden Protonen, die zuvor aus der Zelle gepumpt wurden, mit ihrer Energie (kinetische Energie) zurück in die Zelle geleitet, als ATP gespeichert und für die Zuckersynthese verwendet.

Kohlenstoffassimilation in chemosynthetischen Bakterien (Fixierung)

Abhängig von der Art der Bakterien, ihrem Lebensraum und der Kohlenstoffquelle gibt es eine Reihe von Stoffwechselwegen, die zur Fixierung verwendet werden.

Einige der häufigsten Pfade sind:

Calvin-Benson-Zyklus – In diesem Zyklus das Enzym RuBisCo (Ribulose 1,5-Bisphosphatcarboxylase / Oxygenase) ) erleichtert die Zugabe von molekularem Kohlendioxid zu Ribulose 1,5-Bisphosphat. Dieser Prozess erzeugt eine Sechs-Kohlenstoff-Verbindung, die wiederum in zwei Moleküle 3-PGA (3-Phosphoglycerat) umgewandelt wird. Dieser Prozess wird als Kohlenstofffixierung bezeichnet, da er die Umwandlung von Kohlendioxid in organische Moleküle beinhaltet.

Durch die in ATP und NADPH gespeicherte Energie (die durch den Oxidationsprozess erzeugt wird) wird die Kohlenstoffverbindung (3-PGA) erneut in eine andere Kohlenstoffverbindung umgewandelt, um G3P zu bilden (Glycerinaldehyd-3-phosphat) in der Reduktionsphase. Wenn eines dieser Moleküle die Calvin-Kette verlässt (um das Kohlenhydratmolekül / Zucker zu bilden), ist das andere an der Erzeugung von RuBP beteiligt.

Krebs-Umkehrzyklus – Im Vergleich zum Calvin-Zyklus ergibt sich eine Kohlenstofffixierung im Krebs-Umkehrzyklus bei der Herstellung von Pyruvat. Dieser Zyklus, auch als reduktiver Tricarbonsäurezyklus bekannt, beginnt mit der Fixierung von zwei Kohlendioxidmolekülen. Es entsteht Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), das wiederum reduktiv carboxyliert wird, um Pyruvat zu erzeugen. Das durch das Verfahren erzeugte Pyruvat wird dann zur Synthese der organischen Zellmaterialien verwendet.

Einige der anderen von diesen Bakterien verwendeten Prozesse umfassen:

· 3-Hydroxypropionat-Fahrrad – Dieser Weg wird auch als 3-Hydroxypropionat-Zyklus bezeichnet und fixiert Kohlendioxid zur Bildung Malyl-CoA in Gegenwart von Acetyl-CoA- und Propionyl-CoA-Carboxylasen. Dieses wird dann aufgeteilt, um Acetyl-CoA und Glyoxylat herzustellen. Letztendlich führt der Weg zur Produktion von Pyruvat, das zur Synthese verschiedener organischer Materialien verwendet wird, die von der Zelle benötigt werden.

· Reduktiver Acetyl-CoA-Weg – Auf diesem Weg werden zwei Kohlendioxidmoleküle fixiert um Acetyl-CoA zu bilden. Typischerweise wirkt Wasserstoff bei dieser Reaktion als Elektronendonor, wobei Kohlendioxid der Elektronenakzeptor ist.

· Dicarboxylat / 4-Hydroxybutyrat-Zyklus – Dieser Zyklus tritt häufig bei Bakterien auf, die in anaeroben und mikroaerobe Lebensräume (zB Desulfurococcales). Wie der 3-Hydroxypropionat / 4-Hydroxybutyrat-Zyklus wandelt dieser Zyklus Cetyl-CoA und zwei Kohlenstoffmoleküle in Succinyl-Coenzym (CoA) um.Einige der an diesem Zyklus beteiligten Enzyme umfassen Pyruvatsynthase und Phosphoenolpyruvat (PEP) Carboxylase.

Bedeutung chemosynthetischer Bakterien

Im Wesentlichen bezieht sich die Chemosynthese auf den Prozess, durch den chemosynthetische Bakterien Lebensmittel mit chemischer Energie verarbeiten. Daher sind diese Organismen im Vergleich zur Photosynthese für die Produktion nicht auf Lichtenergie angewiesen. Dies macht sie zu wichtigen Primärproduzenten in verschiedenen Lebensräumen, die Oxidationsmittel wie Nitrate und Sulfate enthalten.

In Tiefsee-Ökosystemen beispielsweise bedeutet das Fehlen von Sonnenlicht, dass keine Photosynthese stattfinden kann. Aufgrund der Fähigkeit einiger Bakterien, Lebensmittel durch Chemosynthese herzustellen, spielen sie jedoch eine wichtige Rolle als Produzenten in diesem Ökosystem.

Es wurde gezeigt, dass dieses Verhalten auch anderen Organismen durch eine symbiotische Beziehung zugute kommt. Beispielsweise wurde gezeigt, dass stickstofffixierende Bakterien in verschiedenen Umgebungen symbiotische Beziehungen eingehen, von denen eine Vielzahl von Organismen (Algen, Kieselalgen, Hülsenfrüchte, Schwämme usw.) profitieren. Hier können sie Stickstoff (reichlich vorhanden) in verwertbare Formen umwandeln.

Hier können diese Bakterien Luftstickstoff katalysieren, um Ammoniak (unter Verwendung eines als Stickstoffase bekannten Enzyms) zu produzieren, das dann von Pflanzen zur Synthese stickstoffhaltiger Biomoleküle verwendet wird.

Eine der anderen symbiotischen Beziehungen, die große Aufmerksamkeit erhalten haben, besteht zwischen Röhrenwürmern (Riftia pachyptila). und chemosynthetische Bakterien in hydrothermalen Quellen. In dieser Umgebung sind die Wassertemperaturen aufgrund von Erdwärme extrem hoch. Darüber hinaus leben diese Würmer am Meeresboden (Umgebung ohne Lichtenergie).

Trotz der ungünstigen Bedingungen in dieser Umgebung (extrem hohe Temperaturen und Lichtmangel) ermöglicht die Verfügbarkeit von Schwefelwasserstoff Bakterien die Durchführung der Chemosynthese.

Mit einer stark vaskularisierten kiemenartigen Wolke kann der Wurm gelöstes Kohlendioxid, Sauerstoff und Schwefelwasserstoff aufnehmen (das Hämoglobin dieser Organismen kann Sauerstoff und Sulfide binden). . Sie werden dann zu spezialisierten Zellen transportiert, die als Bakteriozyten bekannt sind, in denen sich chemosynthetische Bakterien befinden.

Unter Verwendung von Sulfid und Sauerstoff produzieren die Bakterien Energie (ATP), die dann zur Umwandlung von Kohlendioxid in Zucker verwendet wird. Diese Zucker werden dann von der Molluske als Nahrungsquelle verwendet.

Solche symbiotischen Beziehungen wurden auch identifiziert mit:

• Solemyid- und Lucinid-Muscheln
• Achinoide
• Ciliate-Protisten
• Meeresschwämme
• Muscheln

Einige der Merkmale, die mit dem verknüpft wurden Symbionten (chemosynthetische Bakterien) umfassen:

· Haben Sie eine gramnegative Hülle

· Variieren Sie in der Form von kleinen kokkoidalen Endosymbionten mit einem Durchmesser von etwa 0,25 um bis zu relativ großen (etwa 10 um langen) stabförmigen chemotrophen Bakterien

· Je nach Art können Endosymbionten sein oder einfach an der Körperoberfläche der Wirte anhaften

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H. W. J annasch. (1985). Die chemisch-synthetische Unterstützung des Lebens und die mikrobielle Vielfalt an Tiefsee-Hydrothermien.

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Links

https://ocw.mit.edu/high-school/biology/exam-prep/cellular-energetics/photosynthesis/chemosynthesis/