Kabelbakterien

Kabelbakterien sind filamentöse Bakterien, die Elektronen über cm-Distanzen transportieren und somit Elektrizität leiten können. Die Elektronen entstehen bei der Sulfidoxidation im tiefer gelegenen, anoxischen Sediment und werden entlang des Filaments zur Sedimentoberfläche geleitet, wo Sauerstoff oder Nitrat als Elektronenakzeptor reduziert werden.

Kabelbakterien zwischen zwei getrennten Sedimentschichten in einem Glaszylinder.

Das Diagramm zeigt den Metabolismus von Kabelbakterien in einem Oberflächensediment. Schwefelwasserstoff (H₂S) wird in der sulfidhaltigen Schicht ("sulfidic sediment") oxidiert und die dabei entstehenden Elektronen (e⁻) werden entlang des Kabelbakterienfilaments zur sauerstoffreichen Sedimentschicht ("oxic sediment") geleitet. Molekularer Sauerstoff (O₂) wird hier reduziert.

Entdeckung und Vorkommen

Entdeckt wurde der Prozess des Elektronentransfers über lange Distanzen 2010^[1] in einem Experiment, bei dem die räumlich getrennte Sulfidoxidation und Sauerstoffreduktion unterbrochen und wieder hergestellt wurde. Die Geschwindigkeit der gemessenen Raten war nicht allein durch Diffusionsvorgänge erklärbar. In einem späteren Experiment wurden als einzig mögliche Elektronenleiter filamentöse Bakterien der Familie Desulfobulbaceae identifiziert^[2]. Die elektrische Leitfähigkeit von einzelnen Bakterienfilamenten wurde später durch Beobachtung des Oxidationsstatus der Cytochrome mit Hilfe von Raman Mikroskopie festgestellt^[3]. Kabelbakterien wurden seit ihrer Entdeckung in marinen Sedimenten auch in einem Grundwasser-Aquifer^[4] und Süßwassersedimenten^[5] weltweit nachgewiesen. Dabei wurden Dichten von bis zu 2 km Kabelbakterienfilamenten pro Quadratzentimeter Sedimentoberfläche nachgewiesen^[6].

Morphologie

Kabelbakterienfilamente weisen einen Durchmesser von 0,4–1,7 µm und Längen von über 1 cm auf^[6]. Die einzelnen Zellen in den Filamenten sind stäbchenförmig mit einer durchschnittlichen Länge von 3 µm und 15–58 rippenartigen Leisten, die längs entlang des gesamten Filaments verlaufen und rund um die Zellen angeordnet sind^[2]. Es wird vermutet, dass diese rippenartigen Strukturen in Zusammenhang mit den elektrisch leitenden Eigenschaften der Kabelbakterien stehen^[2][7]. Eine weitere Besonderheit der Kabelbakterien ist, dass sie als Gram-negative Bakterien über zwei zellumhüllende Membranen verfügen und jede einzelnen Zelle in einem Filament ihre individuelle innere Zellmembran aufweist, aber die äußere Zellmembran von allen Zellen in einem Filament geteilt wird^[2].

Taxonomie

Zwei Candidatus Gattungen wurden beschrieben: Electrothrix mit vier Candidatus Arten in marinen und brackigen Habitaten und Electronema mit zwei Cadidatus Arten aus Süßwasser-Sedimenten^[8]. Beide Gattungen sind in der Desulfobulbaceae Familie klassifiziert. Da Kabelbakterien eher durch ihre Funktion als ihre Phylogenie definiert sind, ist es möglich, dass zukünftig weitere Taxa entdeckt werden.

Ökologische Bedeutung

Kabelbakterien beeinflussen die geochemischen Eigenschaften ihrer Umgebung. Sie oxidieren Eisen an der Sedimentoberfläche, wodurch Eisenoxide entstehen, die Phosphor-enthaltende Verbindungen^[9] und Schwefelwasserstoff^[10] binden können. Dadurch wird der frei verfügbare Anteil von Phosphor und Schwefelwasserstoff im Wasser begrenzt. Da Phosphor Eutrophierung verursachen kann^[11] und Schwefelwasserstoff für viele Lebewesen giftig ist, spielen Kabelbakterien eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung der Balance in Ökosystemen.

Anwendung

Kabelbakterien wurden in Zusammenhang mit benthischen mikrobiellen Brennstoffzellen gefunden^[12]. Dabei handelt es sich um Instrumente, welche chemische Energie auf dem Meeresgrund in elektrische Energie umwandeln können. In der Zukunft ist es denkbar, dass Kabelbakterien eingesetzt werden, um die Effizienz von solchen mikrobiellen Brennstoffzellen zu steigern. Weiterhin stehen Kabelbakterien in Zusammenhang mit einem bioelektrochemischen System zum Abbau von Kohlenwasserstoffkontaminationen in marinen Sedimenten^[13]. Eine zukünftige Anwendung von Kabelbakterien in der Bioremediation nach Ölverschmutzungen wäre somit denkbar.

Verbreitung

Kabelbakterien wurden weltweit in verschiedenen Klimazonen und Ökosystemen gefunden^[14], so unter anderem in Dänemark^[2][5], den Niederlanden^[7], Deutschland^[4], Japan^[15], Australien^[16] und den USA^[17].

Quellenangaben