Morphologie der Zellen von Deferrivibrio essentukiensis Stamm Es71-Z0220T. (a) Phasenkontrastaufnahme einer mit Fumarat und Acetat gezüchteten Kultur, aufgenommen in der stationären Wachstumsphase, (b) TEM-Aufnahme einer Zelle mit einem Flagellum, (c) TEM-Aufnahme eines ultradünnen Zellschnitts, der die gramnegative Struktur der Zellwand zeigt. Maßstäbe: in (a) 10 µm; in (b) und (c) 0,5 µm
Deferrivibrio ist innerhalb der biologischen Systematik eine Gattung von Bakterien. Die Arten tolerieren hohe Temperaturen, was als thermophil bezeichnet wird. So zeigt die noch nicht vollständig beschriebene Art “D. metallireducens” noch Wachstum bei Temperaturen von bis zu 65 °C. Die Arten sind anaerob, sie tolerieren allerdings sehr geringe Mengen an Sauerstoff (so zeigt D. essentukiensis Wachstum bis zu 2% O2). Sie nutzen anorganische, unlösliche Fe(III)-Verbindungen sowie Mangandioxid (MnO2), Nitrat oder elementaren Schwefel als Elektronenakzeptoren (in der aeroben Atmung ist Sauerstoff der Elektronenakzeptor). Acetat, Pyruvat und Succinat dienen beiden beschriebenen Arten als Elektronendonatoren. “D. metallireducens” wächst auch chemolithoautotroph mit molekularem Wasserstoff als Elektronendonator und Kohlendioxid (CO2) als Kohlenstoffquelle. Bekannte Lebensräume sind Thermalwasser-Aquifere, unterirdische Erdöllagerstätten sowie marine und terrestrische hydrothermale Systeme.
Merkmale
Die Zellen von Deferrivibrio sind kleine, vibrionenförmige oder leicht gekrümmte, bewegliche oder unbewegliche Stäbchen, die einzeln, paarweise oder in langen Ketten vorkommen. Stämme von D. essentukiensis sind durch ein polar gelegenes Flagellum begeißelt. Die Zellen von D. essentukiensis sind 0,4–0,5 μm breit und 1–3 μm lang. Die Zellen von D. metallireducens sind unbewegliche, gerade oder leicht gekrümmte Stäbchen mit einem Durchmesser von 0,2–0,8 μm und einer Länge von 4,0–8,0 μm. Sporen werden nicht gebildet. Die Zellen der Gattung Deferrivibrio vermehren sich durch normale Zellteilung. Unter suboptimalen Wachstumsbedingungen bilden die Zellen von D. essentukiensis lange Ketten. In der späten exponentiellen Wachstumsphase oder unter aeroben Bedingungen bilden die Zellen Sphäroplasten, lysieren und lagern sich häufig in dichten Clustern langer Ketten zusammen. Die Zellwand weist eine typische Gram-negative Struktur auf: Zwei äußere Membranen mit einer dazwischenliegenden, dünnen Mureinschicht.
Bei D. essentukiensis wurde ein charakteristisches Absorptionsmaximum oxidierter Cytochromevom c -Typ bei 405 nm nachgewiesen. Absorptionsmaxima liegen bei 419, 522 und 552 nm im Redox-Differenz-Absorptionsspektrum, was charakteristisch für reduzierte Cytochrome vom c -Typ ist.
Stoffwechsel
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von Deferrivibrio metallireducens Stamm V6Fe1T, der auf 20mM Fumarat und 2g/L Hefeextrakt gezüchtet wurde und eine gramnegative Struktur aufweist. Durchschnittliche Breite 0,2–0,4 µm, durchschnittliche Länge 4–8 µm.
Wie andere Vertreter der Ordnung Deferribacterales nutzen auch Deferribacter-Arten dreiwertiges Eisen (Fe3+), Mangan4+, Nitrat und elementaren Schwefel als Elektronenakzeptoren. Bekannte Deferrivibrio-Arten reduzieren ausschließlich unlösliche Formen von Fe(III)-Verbindungen wie synthetisches Ferrihydrit (5Fe2O3 · 9H2O) und Goethit (α-FeO(OH)), nicht jedoch lösliche Formen wie Fe(III)-Citrat oder Fe(III)-Ethylendiamintetraacetat (Fe(III)-EDTA). Die Fähigkeit zur Denitrifikation mit Nitratreduktion zu molekularem Stickstoff oder dissimilatorischer Nitratreduktion zu Ammonium, abhängig vom Verhältnis von Reduktionskraft zu Nitratkonzentration, wurde für „D. metallireducens“ nachgewiesen. Bei D. essentukiensis geht das Wachstum auf Nitrat und Acetat mit der Bildung von Nitrit als Zwischenprodukt und Ammonium als Endprodukt einher, das sich während der stationären Wachstumsphase anreichert. Bei „D. metallireducens “ wird während des Wachstums mit Nitrat und Fumarat Distickstoff gebildet, während bei der Nitratreduktion mit molekularem Wasserstoff als einzigem Elektronendonator die dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) beobachtet wird. Während der anaeroben Atmung oxidieren beide Arten der Gattung nur wenige organische Säuren wie Acetat, Lactat, Pyruvat oder Succinat.
Im Gegensatz zur Typusart der Gattung weist „D. metallireducens“ einen deutlich flexibleren Stoffwechsel auf. Es wächst durch anaerobe Atmung mit Fe(III), Mn(IV), S° und NO3- als Elektronenakzeptoren und nutzt dabei nicht nur ein breites Spektrum organischer Säuren als Elektronendonatoren, sondern auch proteinhaltige Substrate wie Hefeextrakt, Pepton, Trypton oder Casaminosäuren. Darüber hinaus wächst es durch Fermentation von Butyrat, Lactat, Malat, Pyruvat, Succinat, Hefeextrakt, Pepton, Trypton und Casaminosäuren, jedoch nicht von Zuckern oder Alkoholen, dies ist eine Stoffwechselfähigkeit, die bei anderen Vertretern des Stammes Deferribactota selten zu finden ist. Auch die Fähigkeit zum lithoautotrophen Wachstum mit CO2 als einziger Kohlenstoffquelle, H2 als einzigem Elektronendonator und NO3⁻ , N2O , Fe(III), Mn(IV) oder S° als Elektronenakzeptoren wurde für diese Art beobachtet.
Deferrivibrio essentukiensis kann mit Fumarat als Elektronenakzeptor und Acetat als Elektronendonator wachsen, während „D. metallireducens“ Fumarat fermentiert oder Fumarat mit Nitrat als Elektronenakzeptor oxidiert. Höchstwahrscheinlich können beide Arten der Gattung Fumarat disproportionieren, diese Frage bleibt jedoch aufgrund fehlender Daten zur Bildung von Stoffwechselprodukten in der Originalbeschreibung offen.
Alle kultivierten Deferrivibrio- Arten sind mäßig thermophil mit einem Wachstumstemperaturbereich von 30 bis 65 °C und einem Wachstumsoptimum von 45–60 °C. Deferrivibrio essentukiensis und „D. metallireducens“ sind neutrophil mit einem pH-Wachstumsbereich von 5,1 bis 8,2, das Optimum liegt bei 7,1 bzw. 6,3–6,5. Beide Arten sind halotolerant, jedoch benötigt „D. metallireducens “, isoliert aus hydrothermal erwärmten Meerwasserumgebungen, höhere NaCl-Konzentrationen. D. essentukiensis wächst nicht bei 2% O2 oder höher, und seine Zellen lysieren schnell an der Luft. Es ist Katalase- und Oxidase-positiv. „D. metallireducens“ zeigte eine Sauerstofftoleranz von bis zu 0,6%, während bei ≥1,5% O2 in der Gasphase kein Wachstum beobachtet wurde.
Das Genom von “D. metallireducens” zeigt, dass es Enzyme wie Glykosidhydrolasen (Zucker-spaltende Enzyme), Proteasen und Peptidasen (Proteine-spaltende Enzyme) besitzt. Zudem nutzt es spezielle ABC-Transporter (Proteine in der Zellmembran, die Moleküle unter Energieverbrauch in die Zelle pumpen), um Zucker und Peptide aufzunehmen.
Für den Abbau und die Verwertung stehen den Bakterien der vollständige Citratyklus, die Gluconeogenese (die Neubildung von Glucose), der Pentosephosphat-Weg sowie der Embden-Meyerhof-Weg (die Glykolyse zum Zuckerabbau) zur Verfügung. “D. metallireducens” kann autotroph wachsen, also Kohlendioxid (CO2) als einzige Kohlenstoffquelle nutzen. Da den Bakterien die klassischen Enzyme zur CO2-Fixierung fehlen, nutzen sie vermutlich den reduktive Citratzyklus. Dieser Weg wird durch einen hohen CO2-Partialdruck begünstigt. Dies stellt eine Anpassung an ihren natürlichen Lebensraum dar: “D. metallireducens” wurde im hydrothermalen System von Vulcano isoliert, wo sehr hohe CO2-Konzentrationen herrschen. D. essentukiensis besitzt zwar ebenfalls alle Gene für den reduktiven Citratzyklus, kann jedoch nicht autotroph wachsen.
Für die Reduktion von unlöslichem Eisen nutzen sie spezielle Proteine. D. essentukiensis besitzt 18 Gene für Multihäm-c-Typ-Cytochrome (davon 11 in einem spezifischen Cytochrom-Locus), “D. metallireducens” besitzt 17 solcher Gene. Diese Proteine leiten Elektronen an Elektronenakzeptoren außerhalb der Zelle weiter (extrazellulärer Elektronentransfer). Beide Arten sowie verwandte Eisenreduzierer besitzen Homologe des Octahäm-Cytochroms SmhA, welche wahrscheinlich die Hauptverantwortlichen für die Eisenreduktion innerhalb der Ordnung Deferribacterales sind.
In “D. metallireducens” spielt das Enzym CymA (ein Tetrahäm-c-Typ-Cytochrom, das mit Menachinon-7 arbeitet) eine Rolle, um Elektronen über lösliche Shuttle-Proteine (STC) nach außen zu leiten. Zudem besitzt es sogenannte e-Pili, leitfähige Zellanhänge, die im Englischen oft als microbial nanowires oder im deutschen als bakterielle Nanodrähte bezeichnet werden. Es sind faserförmige Protein-Strukturen auf der Oberfläche, die Strom leiten können. Sie spielen eine Schlüsselrolle beim extrazellulären Elektronentransfer (EET), also bei der Fähigkeit von Bakterien, Elektronen aus ihrem Stoffwechsel an feste Untergründe außerhalb der Zelle abzugeben oder von dort aufzunehmen. Im Genom von “Deferrivibrio metallireducens” wurden zwei Gene für e-Pili identifiziert. Diese ermöglichen es dem Bakterium sehr wahrscheinlich, unlösliche Fe(III)-Verbindungen in seiner Umwelt zu reduzieren. Es nutzt die e-Pili zusammen mit spezifischen Cytochromen (wie CymA), um Elektronen über die Zellumgebung hinweg an die Mineralkristalle abzugeben.
Keine der beiden Arten kann Stickstoff fixieren oder oxidieren.
Ökologie
Die zwei kultivierten Stämme von Deferrivibrio, D. essentukiensis Es71-Z0220T und „D. metallireducens“ V6Fe1T, wurden aus einem unterirdischen Grundwasserleiter mit Mineralwasser bzw. aus Sedimenten einer flachen hydrothermalen Meeresquelle isoliert. Das Metagenom-Assembliertes Genom (MAG) von D. essentukiensis stammt aus den Förderflüssigkeiten hydraulisch frakturierter Schiefer. Es existieren außerdem zwei MAGs der Gattung Deferrivibrio, die jeweils eine weitere separate Art repräsentieren. Auch diese wurden aus den Förderflüssigkeiten hydraulisch frakturierter Schiefer assembliert.
Die Analyse der Sandpiper-Datenbank (eine Datenbank von Metagenomen) ergab, dass die Gattung Deferrivibrio, einschließlich MAGs, in über 190 Metagenomen vorkommen. Die höchste relative Häufigkeit dieser Phylotypen wurde in einem hydraulisch frakturierten Bohrloch, in unterirdischen Erdöllagerstätten, in terrestrischen Thermalquellen und an anderen Standorten gefunden. Diese Daten deuten auf die Bindung von Mikroorganismen dieser Gattung zur unterirdischen Biosphäre hin, wo sie mithilfe verschiedener Elektronenakzeptoren als Oxidationsmittel organischer Substanz fungieren können. Die Unfähigkeit, lösliche Fe(III)-Verbindungen zu reduzieren, ein besonderes Merkmal der bekannten Deferrivibrio-Arten, könnte eine Anpassung dieser Organismen an das Leben in Poren und Klüften wasserführender Sedimentgesteine widerspiegeln. In diesen neutralen oder leicht alkalischen Umgebungen ist die Eisenlöslichkeit extrem gering, und unlösliche Eisenminerale (beispielsweise innerhalb der Mineralien Ferrihydrit und Goethit) stellen die am weitesten verbreitete Form von Fe(III) dar, die für die anaerobe Atmung zur Verfügung steht.
Chemotaxonomie
Bezüglich der enthaltenden Lipide unterscheiden sich die zwei Arten D. essentukiensis und „D. metallireducens“: Ungesättigte Fettsäuren machen in „D. metallireducens“ ≥ 15% aus, in D. essentukiensis nur 4%. Es wird vermutetet, dass dieser Unterschied auf die unterschiedlichen Salzgehalte der Umgebungen zurückzuführen ist, aus denen die Arten isoliert wurden. „D. metallireducens“ bewohnt eine hydrothermal erwärmte Meerwasserumgebung und hat eine optimale NaCl-Konzentration von 25 g/l, wohingegen D. essentukiensis Grundwasserleiter mit Thermalmineralwässern niedrigeren Salzgehalts bewohnt.
Verwandte Gattungen sind beispielsweise Petrothermobacter und Calditerrivibrio. Petrothermobacter wurde aus einem Ölfeld in Japan isoliert. Die Tiefe des Ölhorizonts reicht von 1000 bis 1300 m. Die dort herrschenden Temperaturen und Drücke wurden auf 53–65 °C und 5 Megapascal geschätzt. Calditerrivibrio wurden aus einer sulfidreichen Thermalquelle in Yumata, bei Nagano in Japan, entnommen. Die Temperatur der Wasserproben lag bei 60 °C.
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