Chemolithotrophie

Neben der Aufnahme von Lichtenergie, die zum Aufbau organischer, energiereicher Verbindungen aus den anorganischen Vorstufen Kohlendioxid und Wasser dient, wie es in der Photosynthese der Fall ist, gibt es lithotrophe Mikroorganismen, die anorganische Reduktionsmittel für ihren Baustoffwechsel bzw. Energiegewinnung nutzen. In dieser Gruppe gibt es photolithotrophe und chemolithotrophe Mikroorganismen.

Für Reduktionen in der Biosynthese benötigt ein Lebewesen reduzierende Coenzyme als Elektronenüberträger, die wieder regeneriert werden müssen. Lithotrophen Organismen gelingt diese Regeneration von Coenzymen durch Nutzung anorganischer Reduktionsmittel. Eine große Rolle spielt hier das Molekül NADP+ und das NADPH, welches auch im Calvinzyklus der Photosynthese vorkommt. So kann hier auch die anoxygene Photosynthese erwähnt werden, bei der anaerobe photlithotrophe Mikroorganismen die Lichtenergie zur Umwandlung von Schwefelwasserstoff zu elementaren Schwefel nutzen, wie es z. B. bei den Schwefelpurpurbakterien der Fall ist.

Als anorganische Reduktionsmittel dienen den lithotrophen, aeroben oder anaeroben, Mikroorganismen dabei z. B. Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Schwefel, Nitrit- und Ammonium-Ionen. Die Redoxpotentiale spielen hierbei eine große Rolle. NADP+ erfordert ein recht starkes Reduktionsmittel, damit es reduziert werden kann. Hier helfen die verschiedenen Cytochrome (redoxaktive Transmembranproteine) und umgekehrte Protonenpumpen, um die entsprechende Redoxsysteme aufzubauen, so daß die Reduktion von NADP+ zu NADPH gelingt. NADPH unterscheidet sich von NADH (Zitronensäurezyklus) nur in einer Phosphatgruppe an der OH-Gruppe am C2-Atom.

Schwefelbakterien oxidieren zur Energiegewinnung Sulfide, Schwefel, Thiosulfat und Sulfit teils bis zu Sulfat, wie z. B. Acidithiobacillus thiooxidans. Nitrifizierende Bakterien wandeln Ammonium- und Nitrit-Ionen in elementaren Stickstoff oder auch Nitrat-Ionen um. Es gibt auch Mikroorganismen, wie z. B. Acidithiobacillus ferrooxidans oder Sulfobulus acidocaldarius (Temperaturoptimum 75 Grad Celsius, pH-Optimum 2 bis 3), die mittels Sauerstoff zweiwertige Eisen-Ionen zu dreiwertigen Eisen-Ionen oxidieren. Die beiden genannten Bakterien, tolerieren niedrige pH-Werte und wurden in Sauerwässern gefunden, die aus Pyrit-haltigen Bergbauhalden sickern. Beide Bakterien werden für das sogenannte „Bioleaching“ genutzt, auch mikrobielle Erzlaugung genannt, bei der unlösliche Erzmineralien in lösliche Formen überführt und anschließend aufgearbeitet werden.

Die Schwefelbakterien finden sich oft an Quellen, an denen warmes bis heisses Wasser aus der Tiefe tritt, wie z. B. im submarinen Bereich. Es sind Hydrothermalquellen, die sich auf dem Grund des Ozeans befinden und oft mit vulkanischen submarinen Aktivitäten an tektonischen Plattengrenzen verbunden sind. In den Ozeanen gibt es sogenannte „Schwarze Raucher“ und auch „Weisse Raucher“, die sich durch Mineralabscheidungen zu erkennen geben und dabei auch größere, interessant gestaltete Unterwassertürme aufbauen. Man nennt sie auch Tiefseeschlote.

Der schwarze Raucher „Kandelabra“ liegt in einer Tiefe von 3300 Metern am mittelatlantischen Rücken. Auch im Indischen und Pazifischen Ozean hat man Tiefseeschlote gefunden (siehe Link). Hydrothermalquellen sind ein Biotop für sich. Dort trifft das mit 300 bis 400 Grad Celsius austretende Wasser auf 2 Grad Celsius kaltes Wasser am Meeresboden. Dabei fallen die darin gelösten Mineralien aus. In der Umgebung von Hydrothermalquellen leben Archaeen und Bakterien und nutzen als chemolithotrophe Mikroorganismen einerseits die vorhandene Wärme, als auch den Schwefelwasserstoff und die vorhandenen Mineralien, wie z. B. Eisen, Zink. Kupfer, Mangan. Licht gibt es in dieser Tiefe keines mehr und spielt daher für Mikroorganismen keine Rolle.

https://www.eskp.de/schadstoffe/schwarze-raucher-auf-dem-meeresboden-935546/

Die blaue Biotechnologie wird auch marine Biotechnologie genannt, ist noch recht jung und kümmert sich um nutzbare biologische Systeme in den Ozeanen und Meeren dieser Welt. Aufgrund der Tatsache, daß sich das Leben im Meer entwickelt hat, hat es, gegenüber den am Land befindlichen Lebensformen, einen Zeitvorsprung von etwa 1 Milliarde Jahre. Daher ist die submarine Vielfalt noch größer als jene am Land. Weil diese Ozeane mit ihren großen Tiefen nicht so leicht zugänglich sind, ist die Erforschung noch nicht so weit fortgeschritten, wie in anderen Bereichen der Biotechnologie.

Da es noch eine ganze Menge unentdeckter Tiefsee-Mikroorganismen gibt, die zudem auch noch anaerob Methan produzieren, besteht hier natürlich ein recht großes Interesse weitere Untersuchungen anzustellen. Bei Methan in diesen Tiefen des Ozeans und bei den dort vorherrschenden Temperaturen könnte man noch über Methan-Clathrate sprechen, was ich hier aber nicht weiter ausführen möchte. Die Menge an Methan, die durch marine Methanogene hergestellt wird und sich in den Ozeanen befindet, wird weltweit auf mehr als alle andere fossile Energieträger geschätzt.

Biotechnologie für Chemiker