Was sind Purpurbakterien? Diese Mikroorganismen sind mit Bakteriochlorophyll a oder b zusammen mit verschiedenen Carotinoiden pigmentiert, die ihnen Farben verleihen, die von lila, rot, braun und orange reichen. Dies ist eine ziemlich heterogene Gruppe. Sie lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Purpur-Schwefelbakterien und einfache Purpurbakterien (Rhodospirillaceae). Das Forschungspapier Frontiers in Energy aus dem Jahr 2018 schlug vor, sie als Bioressourcen zu verwenden.
Biologie
Purple Bakterien sind meist photoautotroph, aber auch chemoautotrophe und photoheterotrope Arten sind bekannt. Sie können Mixotrophe sein, die zur aeroben Atmung und Gärung fähig sind.
Die Photosynthese von Purpurbakterien findet in Reaktionszentren auf der Zellmembran statt, wo photosynthetische Pigmente (z. B. Bakteriochlorophyll, Carotinoide) und pigmentbindende Proteine in die Invagination eingeführt werden, um spezifische Vesikel, Tubuli oder einpaarige oder gestapelte Lamellen zu bilden Blätter. Dies wird als intrazytoplasmatische Membran (ICM) bezeichnet, die vergrößert istOberfläche zur Maximierung der Lichtabsorption.
Physik und Chemie
Purple Bakterien verwenden einen zyklischen Elektronentransfer, der durch eine Reihe von Redoxreaktionen verursacht wird. Lichtsammelkomplexe, die das Reaktionszentrum (RC) umgeben, sammeln Photonen in Form von Resonanzenergie und fangen die im RC befindlichen P870- oder P960-Chlorophyllpigmente ein. Angeregte Elektronen zirkulieren von P870 zu den Chinonen QA und QB, dann zu Cytochrom bc1, Cytochrom c2 und zurück zu P870. Das reduzierte Chinon QB zieht zwei zytoplasmatische Protonen an und wird zu QH2, das schließlich oxidiert wird und Protonen freisetzt, die vom Cytochrom-bc1-Komplex in das Periplasma gepumpt werden. Die resultierende Ladungsteilung zwischen Zytoplasma und Periplasma erzeugt eine Protonen-treibende Kraft, die von der ATP-Synthase verwendet wird, um ATP-Energie zu erzeugen.
Purple Bakterien übertragen auch Elektronen von externen Spendern direkt auf Cytochrom bc1, um NADH oder NADPH zu erzeugen, die für den Anabolismus verwendet werden. Sie sind Einkristalle, weil sie kein Wasser als Elektronendonator verwenden, um Sauerstoff zu produzieren. Eine Art von Purpurbakterien, die als Purpur-Schwefel-Bakterien (PSB) bezeichnet werden, verwenden Sulfid oder Schwefel als Elektronendonoren. Ein anderer Typ, der als schwefelfreie Purpurbakterien bezeichnet wird, verwendet normalerweise Wasserstoff als Elektronendonator, kann aber im Vergleich zu PSB auch Sulfid oder organische Verbindungen in geringeren Konzentrationen verwenden.
Violette BakterienEs gibt nicht genügend externe Elektronenträger, um NAD(P)+ spontan zu NAD(P)H zu reduzieren, also müssen sie ihre reduzierten Chinone verwenden, um NAD(P)+ energisch zu reduzieren. Dieser Prozess wird durch die treibende Kraft des Protons angetrieben und wird als Elektronenrückfluss bezeichnet.
Schwefel statt Sauerstoff
Purpurne Nicht-Schwefel-Bakterien waren die ersten Bakterien, bei denen Photosynthese ohne Sauerstoff als Nebenprodukt gefunden wurde. Stattdessen ist ihr Nebenprodukt Schwefel. Dies wurde nachgewiesen, als erstmals die Reaktionen von Bakterien auf unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen festgestellt wurden. Es wurde festgestellt, dass Bakterien sich schnell von der geringsten Spur von Sauerstoff entfernen. Dann führten sie ein Experiment durch, bei dem sie eine Bakterienschale verwendeten und das Licht auf einen Teil davon fokussierten und den anderen im Dunkeln ließen. Da Bakterien ohne Licht nicht überleben können, bewegen sie sich in den Lichtkreis. Wenn das Nebenprodukt ihres Lebens Sauerstoff wäre, würden die Abstände zwischen Individuen mit zunehmender Sauerstoffmenge größer werden. Aber aufgrund des Verh altens von violetten und grünen Bakterien bei fokussiertem Licht wurde der Schluss gezogen, dass das Nebenprodukt der bakteriellen Photosynthese kein Sauerstoff sein kann.
Forscher haben vorgeschlagen, dass einige violette Bakterien heute mit Mitochondrien assoziiert sind, symbiotischen Bakterien in Pflanzen- und Tierzellen, die als Organellen fungieren. Ein Vergleich ihrer Proteinstruktur zeigt, dass es einen gemeinsamen Vorfahren dieser Strukturen gibt. Purpurgrüne Bakterien und Heliobakterien haben ebenfalls eine ähnliche Struktur.
Schwefelbakterien (Schwefelbakterien)
Purpur-Schwefelbakterien (PSB) sind Teil der Gruppe der Proteobakterien, die zur Photosynthese befähigt sind und zusammen als Purpurbakterien bezeichnet werden. Sie sind anaerob oder mikroaerophil und kommen häufig in geschichteten aquatischen Umgebungen vor, einschließlich heißer Quellen, stagnierender Pools und mikrobieller Ansammlungen in Hochwassergebieten. Im Gegensatz zu Pflanzen, Algen und Cyanobakterien verwenden Purpur-Schwefel-Bakterien kein Wasser als Reduktionsmittel und produzieren daher keinen Sauerstoff. Stattdessen verwenden sie möglicherweise Schwefel in Form von Sulfid oder Thiosulfat (und einige Arten können auch H2, Fe2+ oder NO2-) als Elektronendonor in ihren Photosynthesewegen verwenden. Schwefel wird oxidiert, um elementare Schwefelkörner herzustellen. Diese wiederum kann zu Schwefelsäure oxidiert werden.
Klassifizierung
Die Gruppe der Purpurbakterien wird in zwei Familien unterteilt: Chromatiaceae und Ectothiorhodospiraceae, die innere bzw. äußere Schwefelkörner produzieren und Unterschiede in der Struktur ihrer inneren Membranen aufweisen. Sie gehören zur Ordnung Chromatiales, die zur Gamma-Division Proteobacteria gehört. Die Gattung Halothiobacillus gehört ebenfalls zu den Chromatiales in einer eigenen Familie, ist aber nicht photosynthetisch.
Lebensräume
Purpur-Schwefelbakterien kommen typischerweise in den beleuchteten anoxischen Zonen von Seen und anderen aquatischen Lebensräumen vor, in denen sich Schwefelwasserstoff ansammelt,und auch in "Schwefelquellen", wo geochemisch oder biologisch erzeugter Schwefelwasserstoff Purpur-Schwefelbakterien zum Blühen bringen kann. Die Photosynthese erfordert anoxische Bedingungen; diese Bakterien können in sauerstoffreichen Umgebungen nicht gedeihen.
Meromiktische (permanent geschichtete) Seen sind für die Entwicklung von Purpur-Schwefel-Bakterien am günstigsten. Sie bilden Schichten, weil sie am Boden dichteres (normalerweise physiologisches) Wasser und näher an der Oberfläche weniger dichtes (normalerweise Süßwasser) haben. Das Wachstum von Purpur-Schwefel-Bakterien wird auch durch die Schichtung in holomitischen Seen unterstützt. Sie sind thermisch geschichtet: Im Frühling und Sommer erwärmt sich das Oberflächenwasser, wodurch das obere Wasser weniger dicht ist als das untere, was eine ziemlich stabile Schichtung für das Wachstum von Purpur-Schwefel-Bakterien bietet. Wenn genügend Sulfat vorhanden ist, um die Sulfatierung zu unterstützen, diffundiert das im Sediment gebildete Sulfid nach oben in anoxisches Grundwasser, wo violette Schwefelbakterien dichte Zellmassen bilden können.
Cluster
Purpur-Schwefel-Bakterien können ebenfalls gefunden werden und sind eine prominente Komponente in intermediären mikrobiellen Aggregationen. Cluster wie der Sippewissett-Mikrobenteppich haben aufgrund des Gezeitenflusses und des einströmenden Süßwassers eine dynamische Umgebung, was zu ähnlich geschichteten Umgebungen wie meromiktische Seen führt. Wachstum von Purpur-Schwefel-Bakterienwird aktiviert, wenn Schwefel aufgrund des Todes und der Zersetzung von darüber befindlichen Mikroorganismen zugeführt wird. Die Schichtung und Schwefelquelle ermöglicht es PSB, in diesen Gezeitenbecken zu wachsen, in denen Aggregationen auftreten. PSB kann dazu beitragen, mikrobielle Sedimente durch die Sekretion extrazellulärer polymerer Substanzen zu stabilisieren, die Sedimente in Wassereinzugsgebieten binden können.
Ökologie
Purpur-Schwefelbakterien sind in der Lage, die Umwelt zu beeinflussen, indem sie den Nährstoffkreislauf fördern und ihren Stoffwechsel nutzen, um die Umwelt zu verändern. Sie können eine bedeutende Rolle in der Primärproduktion spielen, indem sie den Kohlenstoffkreislauf durch Kohlenstofffixierung beeinflussen. Auch Purpur-Schwefel-Bakterien tragen in ihrem Lebensraum zur Phosphorproduktion bei. Durch die lebenswichtige Aktivität dieser Organismen wird Phosphor, der die Nährstoffe in der Sauerstoffschicht von Seen begrenzt, recycelt und heterotrophen Bakterien zur Verfügung gestellt. Dies weist darauf hin, dass, obwohl Purpur-Schwefel-Bakterien in der anoxischen Schicht ihres Lebensraums vorkommen, sie in der Lage sind, das Wachstum vieler heterotropher Organismen zu stimulieren, indem sie der oben erwähnten Oxidschicht anorganische Nährstoffe zuführen.
