Kénbaktériumok
A nagy, nitráttartalmú kénbaktériumok felfedezése
Mik azok a kénbaktériumok?
Sok baktérium, mint a legtöbb magasabb rendű szervezet, oxigénnel lélegzik, és ezáltal oxidálja ("égeti") ételeit. De nem csak szerves anyagok, például növényi és állati világ maradványai biztosítják a használható és magas kalóriatartalmú ételeket. Számos szervetlen kémiai vegyület is felhasználható és a speciális baktériumok fő táplálékául szolgál. A kénbaktériumok hidrogén-szulfidon élnek, amelyet szulfáttá alakítanak. Ugyanakkor oxigénnel lélegeznek. Ez energiát ad számukra teljes anyagcseréjükhöz és növekedésükhöz.
A szulfát a tengervíz egyik legfontosabb sója, és folyamatosan behatol a tengerfenékbe. A tengerfenék felületét lélegző bőrként borító milliméteres vékony fedőréteg alatt a tengerfenék oxigénmentes világ, de nem halt meg. Ez a baktériumok világa, amely lebontja a haldokló algák szerves maradványait, miután a tengerfenékre süllyedtek. Ezen baktériumok közül sok szulfáttal lélegzik, amely hidrogén-szulfiddá alakul.
Tehát állandó változás van a szulfát és a hidrogén-szulfid között, amely az egyik legfontosabb ökológiai anyagciklus a tengerben, és biztosítja, hogy a szerves anyag újra szervetlen ásványokká és növényi tápanyag-sókká alakuljon át. Óriási mennyiségű hidrogén-szulfid keletkezik a tenger fenekén. A magasabb rendű élőlények, például a halak vagy a rákfélék számára létfontosságú, hogy a tengerfenéken újra lebontsák, mielőtt a tengervízbe kerülne. Mivel a hidrogén-szulfid nagyon mérgező, ugyanolyan mérgező, mint a cianid, de természetes toxin. Éppen ezért számos olyan baktérium is található a természetben, amelyek specializálódtak a hidrogén-szulfid lebontására. Közülük a leghíresebb oxigénnel lélegzik. Szinte mindenhol előfordulnak, a tengerben, a tavakban, a talajban vagy a bioreaktorokban és a szennyvíztisztító telepeken.
Különösen part menti vizeinkben, ahol az elmúlt évtizedekben a nitrogéntartalmú tápanyag-sók kibocsátása meredeken megnőtt, a megnövekedett nitráttartalom fokozott algatermeléshez vezet, ami viszont a szerves algamaradványok erőteljesebb süllyedését okozza a tengerfenéken. Ez mindenekelőtt serkenti a szulfát légzését, és a hidrogén-szulfid termelése még nagyobbá válik, amíg alig képes oxidálni a tengervíz egyidejűleg csökkenő oxigéntartalmával. Ezután a kénbaktériumok átveszik a színpadot, és fehér lepedőt terítenek a fekete tengerfenékre. Ez egy vékony fonalszerű kénbaktérium, amelyet Beggiatoa-nak neveznek, és amelynek sejtjeinek számtalan kéncseppben történő fénytörése fehér fényt kölcsönöz nekik. Ők jelentik az utolsó akadályt a hidrogén-szulfid tengerfenékről történő elszökésének, és ehhez a tengervíz oxigénjét használják fel. Ez volt az ismert funkciójuk mindaddig, amíg felfedeztük a nitrát-vakuolokat a kénbaktériumokban.
A legtöbb baktérium egy-néhány mikrométer (ezredmilliméter) méretű. Ennek jó okai vannak. A baktériumok csak vizes környezetükből képesek felszívni táplálékukat oldott anyagok formájában. Ha a baktériumok túl nagyok lesznek, az abszorpció túl lassú, mert a sejteknek nincs belső transzport rendszere (pl. Keringés), és éhen halnak. Ezért a nagy baktériumok ritkaságnak számítanak a vadonban. Akkora baktériumok, mint a nemrégiben felfedezett tiomargariták (Schulz et al., Science, 1999. április 16.), valójában nem lehetnek képesek létezni. Ez csak azért lehetséges, mert speciális sejtszerkezettel rendelkeznek.
Ezen nagy kénbaktériumok sejtjének aktív része egy vékony citoplazma héjból áll, amely egy nagy, gömb alakú vakuolát foglal magában. A citoplazmatikus réteg csak néhány mikrométer vastag, amely megfelel a normál baktériumok méretének. A tiomargarita biztosítja az anyagok transzportját a sejtekben méretük ellenére. A vakuola olyan, mint egy vízzel töltött léggömb - nagyon egyedi szerkezet a baktériumok között. Tárolótartályként szolgál a nitrát számára, amelyet ezek a baktériumok használnak a lélegzéshez. Légzőszervként a nitrát elvileg ugyanolyan jó, mint az oxigén, de annak nagy előnye, hogy a sejtmembrán mögött tárolható, míg az oxigén elkerülhetetlenül gázként távozik. Mint a sűrített levegős palackokkal rendelkező búvár, a tiomargariták hónapokig lélegezhetnek nitrátkészletükkel, mielőtt kívülről új ellátásra lenne szükségük. Ezzel a nitráttal a baktériumok hidrogén-szulfidot oxidálnak, amely folyamatosan képződik a környező tengerfenéken, amelyben mozdulatlanok. Ezután váltakozva ismét nitrátra van szükségük, és függenek a nitrátokat tartalmazó tengervizetől, amely az atlanti hullámok áramlásain keresztül behatol a tengerfenékbe, és az atlanti hullámok pumpáló aktivitása.
A Thiomargaritának vannak olyan közeli hozzátartozói is, akik mozdulatlan szálak a mozdulatlan labdák helyett, például a Tioploca. Ezek alkotják a világ legnagyobb látható baktériumközösségét Dél-Amerika csendes-óceáni partvidékén. Itt a tenger természetes trágyázása következik be, mivel a Csendes-óceán nitrátban gazdag mélyvizét a keleti szél fújja felfelé, de állandó oxigénhiány is van a vízoszlop alján. Thioploca formájú szőnyegek a tengerfenéken 3000 km-es partvonal felett. A szőnyegeket a tioploca nyálkás hüvelyéből fonják össze, és négyzetméterenként 1 kg friss súlyt érnek el. Sok baktériumszál él együtt minden héjban, amely függőleges alagútként nyúlik a tenger fenekébe. Ezáltal a baktériumok folyamatosan felfelé és lefelé csúsznak. A legfeljebb 7 cm hosszú, vékony baktériumszálak a tengervízbe nyúlnak, ahol légzésükre kiveszik a nitrátot a vízből. Töltőtartályaikkal alagútjukon keresztül csúsznak le a tengerfenékbe, ahol más baktériumok intenzív hidrogén-szulfid-termelést produkálnak. Ez a hidrogén-szulfid táplálja őket, és a tioploca teljesen átalakítja.
Négy évvel ezelőtt fedeztük fel először ezt az életmódot a chilei partok közelében végzett kutatóút során. De miután a baktérium vakuolát nitráttartályként ismerték el, mi és más kutatók ezt a jelenséget más baktériumoknál is megtaláltuk, és mindig a nagy kéntartalmú baktériumoknál, amelyek szorosan kapcsolódnak egymáshoz. A mélytengeri fenekű tektonikus elterjedési zónákban lévő forrásoknál a Beggiatoa nemzetség szabadon élő, fonalszerű kénbaktériumainak vastag szőnyegei is élnek. Egyéni sejtjei sokkal kisebbek, mint a tiomargaritáé, de a többsejtű baktériumszálak elég nagyok (átmérőjük tized millimétere és néhány centiméter hosszúak), hogy szabad szemmel láthassák őket a mélytengeri merülő, ALVIN ablakából.
A nitráttároló kénbaktériumok nemcsak a számunkra egzotikus helyeken találhatók. Chilei felfedezése után ezt az ingatlant a Balti-tenger őshonos Beggiatoa városában is megkerestük, és valóban megtaláltuk. Széles körű adaptációnak tűnik tehát, amely feltehetően bárhol megtalálható az óceánokban, miután tudjuk, mit keresünk. Jellemzői a sejtméret, az izzó kéngranulátum és a látszólag üres sejt belseje. E baktériumcsoport széles körű elterjedése azt is jelenti, hogy anyagcseréjük ennek megfelelően fontos szerepet játszik az ökológiai anyagciklusokban. A hidrogén-szulfid nitráttal való oxidációja miatt ezekben a baktériumokban a kén és a nitrát anyagciklusai összekapcsolódnak, amelynek következményeit még nem hagyhatjuk figyelmen kívül.
Bo B. Jørgensen
Max Planck Tengeri Mikrobiológiai Intézet