Desulfobacula

Desulfobacula
Systematik
Reich: Pseudomonadati
Abteilung: Thermodesulfobacteriota
Klasse: Desulfobacteria
Ordnung: Desulfobacterales
Familie: Desulfobacteraceae
Art: Desulfobacula
Wissenschaftlicher Name
Desulfobacula
Rabus et al. 2000

Desulfobacula ist eine Gattung von Bakterien. Die Arten können aromatische Verbindungen, wie zum Beispiel Toluol, abbauen und sind somit von Interesse für die Bioremediation. Sie nutzen für die Energiegewinnung Schwefelverbindungen, es handelt sich um Desulfurikanten. Die Arten nutzen keinen Sauerstoff, sie sind anaerob und kommen in Meeresablagerungen vor, die reich an organischen Verbindungen sind.

Merkmale

Der Typstamm von Desulfobacula toluolica besitzt ovale bis kokkenförmige Zellen, die beweglich sein können und gramnegativ sind. Sie treten einzelnen oder paarweise auf. Die Zellen haften gelegentlich an Glasoberflächen und sind von Schleimkapseln umgeben. Im Gegensatz dazu sind die Zellen von Desulfobacula phenolica stärker gekrümmt und besitzen ein subpolares Flagellum. Kolonien beider Arten auf sauerstofffreien Agarmedien sind ocker- bis gelblichbraun. Endosporen werden nicht gebildet.

Stoffwechsel und Wachstum

Toluol

Alle organischen Substrate werden vollständig über den anaeroben C1-Weg (oxidativer Wood-Ljungdahl-Weg) zu CO2 oxidiert. Der Wood-Ljungdahl-Weg ist ein Stoffwechselweg zur CO2-Fixierung, einige Bakterien können ihn jedoch auch umgekehrt betreiben, sodass hierbei Acetat zu CO2 abgebaut wird. In dieser Richtung spricht man vom oxidativen Wood-Ljungdahl-Weg. Sulfatreduzierenden Bakterien nutzen die durch den oxidativen Wood-Ljungdahl-Weg freiwerdenden Elektronen zur Reduktion von Sulfat zu Schwefel bzw. zu Schwefelwasserstoff. Dieser Stoffwechselweg ist in der Familie der Desulfobacteraceae, zu der auch der Stamm Desulfobacula gehört, weit verbreitet.

p-Kresol

Desulfobacula toluolica reduziert Sulfat, andere Elektronenakzeptoren wurden nicht getestet. Die Art D. phenolica kann auch Thiosulfat reduzieren, während Sulfit, elementarer Schwefel und Nitrat nicht als Elektronenakzeptoren dienen können. Butyrat, Pyruvat, Dicarbonsäuren, Alkohole und aromatische Verbindungen, wie Toluol, p-Kresol und Phenylalanin, dienen als Elektronendonatoren und organische Kohlenstoffquellen. Desulfobacula- Arten können in einem Medium mit Sulfat als Elektronenakzeptor und Toluol oder Benzoat als Elektronendonator und Kohlenstoffquelle kultiviert werden. Die Toluolaktivierung in D. toluolica erfolgt durch die Addition von Fumarat an das Kohlenstoffatom der Methylgruppe, wobei Benzylsuccinat gebildet wird.

Es folgt eine Tabelle mit einigen Merkmalen:

Merkmal Desulfobacula phenolica Desulfobacula toluolica
Morphologie Oval bis stäbchenförmig Oval
Zellgröße (µm) 1,0–1,5 × 2,0–3,0 1,2–1,4 × 1,2–2,0
Beweglichkeit + +/−
DNA-G+C-Gehalt (mol%) 41,4 (Genom) 41.3 (Genom)
Hauptmenachinon MK-7(H 2 ) Nr
Optimaler pH-Wert 7.0 7.0–7.1
Optimale Temperatur (°C) 28 28
Oxidation des Substrats Vollständig Vollständig
Optimale NaCl-Konzentration (g/l) 20 20
Wachstumsfaktorbedarf − Vitamine
Verbindungen, die als Elektronendonatoren und Kohlenstoffquellen verwendet werden
H₂ / CO₂ − −
Format +a −
Acetat +a −
Fettsäuren C 4 C 4
Ethanol + a +
Andere Alkoholika n -Propanol, n -Butanol n -Propanol, n -Butanol
Laktat − −
Pyruvat + +
Fumarat +a +
Succinat +a +
Malat +a +
Andere Benzoat, p-Kresol, Toluol, Phenol, 2-Aminobenzoat, Cyclohexancarboxylat, 2-Hydroxybenzoat (Salicylsäure), 4-Hydroxybenzoat, Phenylacetat, Indol, Phenylalanin, Glutarat, Maleinat Benzoat, p-Kresol, Toluol, Glutarat, Phenylacetat
Fermentatives Wachstum Nr Nr
Disproportionierung reduzierter Schwefelverbindungen Nr Nr
Verwendete Elektronenakzeptoren
Sulfat + +
Sulfit − Nr
Thiosulfat + Nr
Schwefel − Nr
Andere − Nr

Genetik

Das Genom des Typstamms von D. toluolica ist 5,2 Mbp lang und kodiert für 4.381 Proteine und 48 stabile RNAs mit 4 rRNA-Operons. Das Genom des Typstamms von D. phenolica ist etwas kürzer (4,8 Mbp) und kodiert für 4.227 Proteine und 65 stabile RNAs. Darüber hinaus wurde ein weiteres Genom des Desulfobacula-Stammes TS veröffentlicht. Das Genom von D. toluolica Tol2 war das erste vollständig analysiertes Genom eines aromatische Verbindungen abbauenden, marinen sulfatreduzierenden Bakterium. Die hohe Genomplastizität erinnert an das Genom des auf den Abbau spezialisierten Bakteriums „Aromatoleum aromaticum“ EbN1. Der anaerobe Abbau von Toluol und p-Kresol wird durch die Reaktion mit Fumarat und die anschließende modifizierte β-Oxidation des gebildeten Succinatderivats zu Benzoyl-CoA bzw. 4-Hydroxybenzoyl-CoA initiiert. Bemerkenswerterweise konnten diesen beiden Substraten separate Gencluster zugeordnet werden, wobei das p-Kresol-spezifische Ausgangsenzym ((4-Hydroxybenzyl)succinat-Synthase, katalytische Untereinheit HbsA) einen eigenen Zweig im phylogenetischen Baum der Alkyl-/Arylalkylsuccinat-Synthasen bildet. Interessanterweise sind die Dehydrierungsreaktionen in beiden β-Oxidationszweigen offenbar über die Aktivität spezifischer Elektronentransferproteine direkt mit dem Redoxpool der Membran verknüpft. Der anaerobe Abbau von Phenylalanin beinhaltet eine nicht-oxidative Desaminierung zu Zimtsäure. Die Dearomatisierung des zentralen Zwischenprodukts Benzoyl-CoA erfolgt erwartungsgemäß über eine ATP-unabhängige Benzoyl-CoA-Reduktase (BCR) der Klasse II, wie sie von Geobacter metallireducens GS-15 bekannt ist. Die vollständige Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2 erfolgt dann weiter über den Wood-Ljungdahl-Weg.

Chemotaxonomische Merkmale

Das Hauptmenachinon des Typstamms von D. phenolica ist Menachinon-7(H2). Die wichtigsten zellulären Fettsäuren von Desulfobacula- Stämmen sind C16:0 (Palmitinsäure), C16:1ω9c und 10-Methyl-C16:0. Desulfoviridin ist nicht vorhanden.

Systematik

Der Name Desulobacula bedeutet soviel wie „sulfatreduzierende kleine Beere“. Es sind drei Arten bekannt, wovon eine, "Candidatus Desulfobacula maris", noch nicht einzeln kultiviert werden konnte. Die Typusart, also die erstbeschriebene Art der Gattung ist Desulfobacula toluolica. Die Beschreibung wurde von Rabus und Mitarbeitern im Jahr 2000 veröffentlicht und die Gattung Desulfobacula eingeführt. Die eigentliche Beschreibung des Bakteriums stammt aus dem Jahr 1993. Die Art Desulfobacula phenolica wurde im Jahr 1988 zuerst als Desulfobacterium phenolicum beschrieben, im Jahr 2001 erfolgte die Umstellung zur Gattung Desulfobacula.

Die Gattung zählt zu der Familie Desulfobacteraceae innerhalb der Ordnung Desulfobacterales. Die nächsten Verwandten der Gattung Desulfobacula sind Desulfospira (mit Desulfospira joergensenii), und Desulfotignum (mit Desulfotignum balticum) und Vertreter der Gattung Desulfobacter.

Es folgt eine Liste der drei Arten:

Ökologie

Ökologische Studien wiesen mit Desulfobacula verwandte Sequenzen in kohlenwasserstoffbelasteten marinen Sedimenten und Süßwasserböden sowie in verschiedenen unberührten Habitaten, wie hydrothermale Schloten und pelagische Sauerstoffminimumzonen. Ihr Vorkommen in Habitaten, die nicht explizit durch das Vorhandensein (aromatischer) Kohlenwasserstoffe charakterisiert waren, unterstreicht die metabolische Vielfalt der Mitglieder dieser Gattung, da ihr Stoffwechsel nicht auf diese Verbindungsklasse als Elektronendonatoren beschränkt ist. Desulfobacula-verwandte 16S-rRNA-Gensequenzen (94–96 % Sequenzidentität) wurden auch in hoher Frequenz in den Sauerstoffminimumzonen (OMZs) vor den Küsten Namibias und British Columbia gefunden, während in marinen Sedimenten üblicherweise die Desulfosarcina / Desulfococcus -Gruppe am häufigsten vorkommt. Daher könnten Desulfobacula spp. bestimmte, noch unbekannte Eigenschaften besitzen, die ihnen in anoxischen Wassersäulen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) verschaffen.

Das Vorkommen von Desulfobacula wurden auch für ein Wattgebiet im deutschen Wattenmeer, für ein reduziertes, organisch reiches Oberflächensediment in der Ostsee und für einen Sedimentkern aus dem Kaspischen Meer beschrieben, der in Laborexperimenten simuliertem Erdölaustritt ausgesetzt war.

Die Fähigkeit, bestimmte Aromate, wie Toluol, abzubauen, macht es für die Bioremediation in marinen Gebieten interessant. Desulfobacula toluolica Stamm Tol2 zählt zu den gut untersuchten aromatische Verbindungen abbauenden, sulfatreduzierenden Bakterien. So wurden Desulfobacula toluolica und Desulfobacterium cetonicum aus anaeroben marinen Sedimenten isoliert und konnten Toluol als einzige Kohlenstoffquelle nutzen, wodurch innerhalb von 25 Tagen 20 Millimol Sulfid produziert wurden. Ebenso waren sie in der Lage, 0,3 mM Toluol innerhalb von 12 Tagen zu metabolisieren. Dabei produzierten sie etwa 1,75 mM Sulfid, was ihr Potenzial für die Bioremediation toluolbelasteter Umgebungen unterstreicht.

Einzelnachweise

  1. 1 2 3 Alexander Galushko, Jan Kuever: Desulfobacula (2019) In: Bergey's Manual of Systematics of Archaea and Bacteria. 1. Auflage. Wiley, 2015, ISBN 978-1-118-96060-8, doi:10.1002/9781118960608.gbm01013.pub2.
  2. ↑ Bettina Müller, Li Sun, Anna Schnürer: First insights into the syntrophic acetate‐oxidizing bacteria – a genetic study. In: MicrobiologyOpen. Band 2, Nr. 1, Februar 2013, ISSN 2045-8827, S. 35–53, doi:10.1002/mbo3.50, PMID 23239474, PMC 3584212 (freier Volltext).
  3. 1 2 So-Jeong Kim, Soo-Je Park, Man-Young Jung, Jong-Geol Kim, Ui-Gi Min, Hee-Ji Hong, Sung-Keun Rhee: Draft genome sequence of an aromatic compound-degrading bacterium, Desulfobacula sp. TS, belonging to the Deltaproteobacteria. In: FEMS Microbiology Letters. Band 360, Nr. 1, 18. September 2014, ISSN 0378-1097, S. 9–12, doi:10.1111/1574-6968.12591.
  4. ↑ F. Bak, F. Widdel: Anaerobic degradation of phenol and phenol derivatives by Desulfobacterium phenolicum sp. nov. In: Archives of Microbiology. Band 146, Nr. 2, November 1986, ISSN 0302-8933, S. 177–180, doi:10.1007/bf00402347.
  5. 1 2 R Rabus, R Nordhaus, W Ludwig, F Widdel: Complete oxidation of toluene under strictly anoxic conditions by a new sulfate-reducing bacterium. In: Applied and Environmental Microbiology. Band 59, Nr. 5, Mai 1993, ISSN 0099-2240, S. 1444–1451, doi:10.1128/aem.59.5.1444-1451.1993.
  6. 1 2 J Kuever, M Könneke, A Galushko, O Drzyzga: Reclassification of Desulfobacterium phenolicum as Desulfobacula phenolica comb. nov. and description of strain SaxT as Desulfotignum balticum gen. nov., sp. nov. In: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. Band 51, Nr. 1, 1. Januar 2001, ISSN 1466-5026, S. 171–177, doi:10.1099/00207713-51-1-171.
  7. 1 2 Lars Wöhlbrand, Jacob H. Jacob, Michael Kube, Marc Mussmann, René Jarling, Alfred Beck, Rudolf Amann, Heinz Wilkes, Richard Reinhardt, Ralf Rabus: Complete genome, catabolic sub‐proteomes and key‐metabolites of Desulfobacula toluolica, a marine, aromatic compound‐degrading, sulfate‐reducing bacterium. In: Environmental Microbiology. Band 15, Nr. 5, 23. Oktober 2012, ISSN 1462-2912, S. 1334–1355, doi:10.1111/j.1462-2920.2012.02885.x.
  8. 1 2 Ralf Rabus, Heinz Wilkes: Functional Genomics of Sulfate-Reducing Bacteria Degrading Hydrocarbons. In: Anaerobic Utilization of Hydrocarbons, Oils, and Lipids. Springer International Publishing, Cham 2020, ISBN 978-3-319-50390-5, S. 225–232, doi:10.1007/978-3-319-50391-2_12.
  9. ↑ "Candidatus Desulfobacula maris" in NCBI.
  10. 1 2 LPSN - Genus: Desulfobacula. Abgerufen am 8. Mai 2026 (englisch).
  11. ↑ Alejandro Acosta‐González, Ramon Rosselló‐Móra, Silvia Marqués: ref>Characterization of the anaerobic microbial community in oil‐polluted subtidal sediments: aromatic biodegradation potential after the Prestige oil spill. In: Environmental Microbiology. Band 15, Nr. 1, 25. Mai 2012, ISSN 1462-2912, S. 77–92, doi:10.1111/j.1462-2920.2012.02782.x.
  12. ↑ Kazuya Watanabe, Yumiko Kodama, Natsuko Hamamura, Nobuo Kaku: Diversity, Abundance, and Activity of Archaeal Populations in Oil-Contaminated Groundwater Accumulated at the Bottom of an Underground Crude Oil Storage Cavity. In: Applied and Environmental Microbiology. Band 68, Nr. 8, August 2002, ISSN 0099-2240, S. 3899–3907, doi:10.1128/aem.68.8.3899-3907.2002.
  13. ↑ Don E. Canfield, Frank J. Stewart, Bo Thamdrup, Loreto De Brabandere, Tage Dalsgaard, Edward F. Delong, Niels Peter Revsbech, Osvaldo Ulloa: A Cryptic Sulfur Cycle in Oxygen-Minimum–Zone Waters off the Chilean Coast. In: Science. Band 330, Nr. 6009, 3. Dezember 2010, ISSN 0036-8075, S. 1375–1378, doi:10.1126/science.1196889.
  14. ↑ Frank J. Stewart, Osvaldo Ulloa, Edward F. DeLong: Microbial metatranscriptomics in a permanent marine oxygen minimum zone. In: Environmental Microbiology. Band 14, Nr. 1, 7. Januar 2011, ISSN 1462-2912, S. 23–40, doi:10.1111/j.1462-2920.2010.02400.x.
  15. ↑ Gaute Lavik, Torben Stührmann, Volker Brüchert, Anja Van der Plas, Volker Mohrholz, Phyllis Lam, Marc Mußmann, Bernhard M. Fuchs, Rudolf Amann, Ulrich Lass, Marcel M. M. Kuypers: Detoxification of sulphidic African shelf waters by blooming chemolithotrophs. In: Nature. Band 457, Nr. 7229, 10. Dezember 2008, ISSN 0028-0836, S. 581–584, doi:10.1038/nature07588.
  16. ↑ David A. Walsh, Elena Zaikova, Charles G. Howes, Young C. Song, Jody J. Wright, Susannah G. Tringe, Philippe D. Tortell, Steven J. Hallam: Metagenome of a Versatile Chemolithoautotroph from Expanding Oceanic Dead Zones. In: Science. Band 326, Nr. 5952, 23. Oktober 2009, ISSN 0036-8075, S. 578–582, doi:10.1126/science.1175309.
  17. ↑ Katrin Ravenschlag, Kerstin Sahm, Christian Knoblauch, Bo B. Jørgensen, Rudolf Amann: Community Structure, Cellular rRNA Content, and Activity of Sulfate-Reducing Bacteria in Marine Arctic Sediments. In: Applied and Environmental Microbiology. Band 66, Nr. 8, August 2000, ISSN 0099-2240, S. 3592–3602, doi:10.1128/aem.66.8.3592-3602.2000.
  18. ↑ E Llobet-Brossa, R Rabus, ME Böttcher, M Könneke, N Finke, A Schramm, RL Meyer, S Grötzschel, R Rosselló-Mora, R Amann: Community structure and activity of sulfate-reducing bacteria in an intertidal surface sediment: a multi-method approach. In: Aquatic Microbial Ecology. Band 29, 2002, ISSN 0948-3055, S. 211–226, doi:10.3354/ame029211.
  19. ↑ Antje Gittel, Marc Mußmann, Henrik Sass, Heribert Cypionka, Martin Könneke: Identity and abundance of active sulfate‐reducing bacteria in deep tidal flat sediments determined by directed cultivation and CARD‐FISH analysis. In: Environmental Microbiology. Band 10, Nr. 10, 10. September 2008, ISSN 1462-2912, S. 2645–2658, doi:10.1111/j.1462-2920.2008.01686.x.
  20. ↑ Hanna Sinkko, Kaarina Lukkari, Leila M. Sihvonen, Kaarina Sivonen, Mirja Leivuori, Matias Rantanen, Lars Paulin, Christina Lyra: Bacteria Contribute to Sediment Nutrient Release and Reflect Progressed Eutrophication-Driven Hypoxia in an Organic-Rich Continental Sea. In: PLoS ONE. Band 8, Nr. 6, 25. Juni 2013, ISSN 1932-6203, S. e67061, doi:10.1371/journal.pone.0067061.
  21. ↑ Marion H. Stagars, Sonakshi Mishra, Tina Treude, Rudolf Amann, Katrin Knittel: Microbial Community Response to Simulated Petroleum Seepage in Caspian Sea Sediments. In: Frontiers in Microbiology. Band 8, 28. April 2017, ISSN 1664-302X, doi:10.3389/fmicb.2017.00764.
  22. ↑ Dorota Wolicka, Andrzej Borkowski: The Geomicrobiological Role of Sulphate-Reducing Bacteria in Environments Contaminated by Petroleum Products. In: Geomicrobiology Journal. Band 24, Nr. 7-8, 3. Dezember 2007, ISSN 0149-0451, S. 599–607, doi:10.1080/01490450701672117.
  23. ↑ Ankita Das, Nandita Das, Sandeep Das, Piyush Pandey: Geo-Microbes in Rhizoremediation: Harnessing Potential of Sulphate-Reducing Bacteria for Mitigation of Xenobiotics Compounds. In: Mineral Transformation and Bioremediation by Geo-Microbes. Springer Nature Singapore, Singapore 2025, ISBN 978-981-963032-5, S. 125–168, doi:10.1007/978-981-96-3033-2_7.

Genutzte Literatur

Wikispecies: Desulfobacula – Artenverzeichnis