| Methanobacterium | ||||||||||||
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REM-Aufnahmen von Methanobacterium formicicum | ||||||||||||
| Systematik | ||||||||||||
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| Wissenschaftlicher Name | ||||||||||||
| Methanobacterium | ||||||||||||
| Kluyver & van Niel 1936 |
Methanobacterium ist eine Gattung von prokaryotischen Mikroorganismen, also eine Gattung von Lebewesen, deren Zellen keinen echten Zellkern aufweisen. Anders als der Namensteil „bacterium“ annehmen lässt, gehört Methanobacterium nicht zu den Bacteria, sondern in die Domäne Archaea. Es ist stäbchenförmig, anaerob, bildet Methan und wurde 1936 beschrieben.
Die Zellen sind gerade, gekrümmte oder gebogene Stäbchen, die lang bis fadenförmig sind und ca. 0,5 bis 1,0 Mikrometer (µm) Durchmesser aufweisen. Endosporen werden nicht gebildet. Methanobacterium ist unbeweglich und Fimbrien können vorhanden sein. Die Zellwände unterscheiden sich chemisch vom Peptidoglycan und erscheinen normalerweise als Gram-positiv, sowohl bei der Gramfärbung als auch bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen.
Methanobacterium-Arten finden bei 37 bis 45 °C optimale Wachstumstemperaturen vor und sind streng anaerob. Der Energiestoffwechsel erfolgt durch Reduktion von Kohlendioxid (CO2) zu Methan (CH4), wobei Wasserstoff (H2) als Elektronendonor für diese Reduktion dient und einige Methanobacterium-Stämme können auch Formiat, sekundäre Alkohole und Kohlenmonoxid (CO) verwenden. Ammoniak (oder für einige Stämme auch Distickstoff) kann als einzige Stickstoffquelle verwendet werden. Sulfid kann als Schwefelquelle dienen. Der G+C-Gehalt der DNA reicht bei Methanobacterium von 32 bis 61 %.
Die Gattung Methanobacterium wurde 1936 durch Kluyver und van Niel beschrieben und 1980 bestätigt.
Die Typusart der Gattung ist Methanobacterium formicicum. Der Typstamm der Typusart M. formicicum ist der Stamm MF (bzw. DSM 1535).
Methanobacterium ist die Typusgattung der Familie Methanobacteriaceae und es ist die Typusgattung der Ordnung Methanobacteriales.
Die Ordnung Methanobacteriales ist der Typus der Klasse Methanobacteria.
Methanobacterium gehört in die Domäne Archaea und dort in das Phylum (oder Abteilung) Methanobacteriota (früher „Euryarchaeota“).
Die aktuelle Nomenklatur und Einordnung ist in der LPSN einsehbar, Abruf 2019-07.
Der Gattungsname „Methanobacterium“ bedeutet in etwa „methanbildendes Stäbchen“ (neolateinisch methanum = Methan und lateinisch bacterium = Stab; Namensherkunft in der LPSN).
Aus historischen Gründen haben Namen, die die Worte „Methan“ und „Bakterium“ integrieren, eine starke Tendenz zur Mehrdeutigkeit.
Das Homonym „Methanbakterien“ (oder „Methanobakterien“) könnte, abhängig vom Zeitpunkt der Anwendung des Begriffs, z. B. Folgendes meinen:
Daher sollte man im Zweifelsfall den jeweiligen wissenschaftlichen Namen in einer ausgeschriebenen Form bevorzugen.
Auch bei der Zuordnung von Kulturstämmen für Methanobacterium ist eine möglichst vollständige Angabe hilfreich, um Verwechslungen vorzubeugen oder diese nachvollziehen zu können. So wurde beispielsweise ein Stamm, der als „M.o.H.“ bezeichnet wurde, mit den Namen „Methanobacillus omelianskii“, „Methanobacterium formicicum“ und „Methanobacterium bryantii“ in Verbindung gebracht:
Um den Status von Artbeschreibungen kenntlich zu machen, werden häufig erweiterte Schreibweisen verwendet, wie das hier für eine taxonomische Datenbank (LPSN) und zwei Stammsammlungen (DSMZ und ATCC®) anhand von zwei Beispielen dargestellt wird:
M. formicicum:
M. bryantii:
Der Schriftzug „emend. Judicial Commission 1992“ weist darauf hin, dass 1992 ein entsprechendes Gremium, letztlich im Auftrag der Internationalen Vereinigung der Mikrobiologischen Gesellschaften (IUMS), eine Verbesserung der Beschreibung der beiden Arten vorgenommen hat.
Eine weitere Herausforderung sind taxonomische Synonyme in Bezug auf die Klassifizierung der Gattung Methanobacterium. Oberhalb der Ordnung „Methanobacteriales Balch & Wolfe 1981“ existieren alternative Einteilungssysteme:
Die Verwendung der Klasse Methanobacteria Boone 2002 (Effektive Veröffentlichung 2001 und Anerkennung 2002) hat sich durchgesetzt. Der Name „Archaeobacteria Murray 1988“ wird praktisch nicht benutzt, der Name „Methanothermea Cavalier-Smith 2002“ wird jedoch manchmal erwähnt.
Zum Zeitpunkt des Abrufs (2019-07) wurden in der LPSN (List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature) für die Gattung Methanobacterium 34 Artnamen gelistet. 24 Artnamen entsprachen aktuellen Arten der Gattung, 10 Namen wurden früher verwendet und später neu kombiniert, das heißt, diese 10 Arten wurden letztlich in andere Gattungen gestellt.
Arten, die gegenwärtig (2019-07) innerhalb der Gattung Methanobacterium stehen:
Methanobacteriaceae Barker 1956 (übergeordnete Familie)
Ehemalige Methanobacterium-Arten (Abruf 2019-07), die jetzt zu anderen Gattungen gehören (Methanobrevibacter, Methanothermobacter und Methanomicrobium):
Nach phylogenetischen Analysen wird Methanobacterium in eine Klade gestellt, die ausschließlich methanbildende Archaeen enthält und als „Superklasse Methanomada“ bezeichnet wurde. Die Klade „Methanomada“ enthält die Ordnungen Methanobacteriales, Methanococcales und Methanopyrales, bzw. die Klassen Methanobacteria, Methanococci und Methanopyri und steht innerhalb der Methanobacteriati.
Arten mit dem Gattungsnamen Methanobacterium kommen sowohl in kalten Habitaten als auch bei höheren Temperaturen vor. Das macht sie sowohl in ökologischer Hinsicht interessant, da sie bei der Methanbildung der ausgedehnten Torfflächen in arktischen Gebieten eine Rolle spielen, als auch für die Energiegewinnung, da die Methanproduktion bei höheren Temperaturen (z. B. 60 °C für Methanobacterium thermaggregans) effizient ablaufen kann.
Allerdings sind einige Arten, die früher zu Methanobacterium gehörten, später Methanothermobacter zugeordnet worden. Auch die heute gültige thermophile Art Methanobacterium thermaggregans, die aus Schlamm einer Rinderweide isoliert wurde, wurde bereits mit Methanothermobacter assoziiert. Zwei Arten von methanbildenden Archaeen, die im Pansen von Wiederkäuern vorkommen (Methanomicrobium mobile und Methanobrevibacter ruminantium), wurden früher ebenfalls Methanobacterium zugeordnet. Zumindest bei Hausrindern gehört heute keine Methanobacterium-Art zu den Kernkomponenten des Mikrobioms im Pansen.
Methanobacterium-Stämme bzw. -Arten wurden häufig aus anaeroben Schlamm oder ähnlichem isoliert, z. B. aus dem Sediment eines Süßwassersees (M. lacus) und aus Reisfeldern (M. kanagiense und M. oryzae), aus eher salzigen Habitaten wie Marschland (M. uliginosum) und Meeressediment (M. aarhusense), aus alkalischen Salzseen (M. alcaliphilum, M. flexile und M. movens) und aus speziellen unterirdischen Habitaten (M. subterraneum wurde aus einem Tiefenwassersystem unterhalb einer Ostseeinsel und M. movilense wurde aus einer Höhle mit hohem Hydrogensulfid-, Ammonium- und Methangehalt isoliert).
Weiterhin stammen Arten aus Permafrostböden in Tundren (M. arcticum und M. veterum) und Torfmooren der nördlichen Hemisphäre (M. paludis und M. palustre). Aus technischen Anlagen wurden ebenfalls Arten isoliert, z. B. aus Anlagen der anaeroben, organischen Abfallverwertung (M. aggregans, M. beijingense, M. congolense und M. formicicum) und speziellen, technischen Anlagen (M. espanolae wurde aus dem Schlamm einer Abwasseraufbereitungsanlage einer Kraftpapier-Mühle in Kanada isoliert; M. ferruginis und M. petrolearium wurden aus salzigen Umgebungen in Japan isoliert, M. ferruginis aus korrodiertem Eisen von der Innenseite einer Erdgasleitung und M. petrolearium aus dem Bodenschlamm eines Mineralöltanks).
Insgesamt tendieren Methanobacterium-Arten zur Syntrophie. Einer der ersten Kulturstämme von Methanobacterium, „M.o.H.“, stammt aus einer Co-Kultur zweier Mikroben, die anfangs „Methanobacterium Omelianskii“ und später „Methanobacillus omelianskii“ genannt wurde. In dieser Co-Kultur konnte der eine Syntrophie-Partner („S-Organismus“) aus Ethanol Wasserstoff, Acetat und Kohlendioxid herstellten, während der andere Partner („M.o.H.“) den Wasserstoff zusammen mit dem Kohlendioxid für die Methanbildung nutzte. Der Stamm „M.o.H.“ wurde später der Art Methanobacterium bryantii zugeordnet und dürfte letztlich aus Gewässerschlamm stammen. In einer anderen Co-Kultur beeinflusste Methanobacterium bryantii die Transkription von Anaeromyces robustus, einem Pilz (Familie Neocallimastigaceae), der im Verdauungstrakt von Säugetieren vorkommt. Im Pilz wurden vor allem die Gene von Kohlenhydrat-aktiven Enzymen gefördert, was auf den verstärkten Abbau von Zellulose und Holz zielen dürfte.
Ein wichtiger Punkt, der Syntrophien begünstigen dürfte, ist der Stoffwechsel von Methanobacterium, welcher auf Kohlendioxid und Wasserstoff fußt. In den meisten Ökosystemen, die Methanobacterium besiedelt, stammen sowohl Kohlendioxid als auch Wasserstoff aus Gärungsprozessen von anaeroben Bakterien (siehe auch Methanogenese).
Die genauen Verhältnisse der Kohlendioxid- und Wasserstoff-Verwertung für einzelne Stämme wurden bisher kaum untersucht. Methanobacterium nutzt Kohlendioxid und Wasserstoff für zwei Ziele: für die Bereitstellung von Energie und für den Aufbau seiner Archaeen-Zellen. Der erste Aspekt (Energiestoffwechsel) basiert darauf, dass das Endprodukt der chemischen Redoxreaktion, Methan, weniger Energie enthält, als die Ausgangsstoffe und der zweite Aspekt (Assimilation von Kohlenstoff) beruht darauf, dass ein Teil der Kohlenstoffs, welches aus dem Kohlendioxid stammt, zu zelleigenen Verbindungen umgewandelt wird.
Mit Methanobacterium congolense wurde eine Studie durchgeführt, die sich vor allem mit der Frage beschäftigte, wie viel Kohlendioxid der betrachtete M.-congolense-Stamm benötigt. Es stellte sich heraus, dass die Konzentration an Kohlendioxid, die für einen effektiven Methanogenese-Prozess verwendet werden sollte, weniger mit der Verfügbarkeit des Kohlendioxids selbst, als vielmehr mit dem pH-Wert des Mediums zu tun hatte. (Gelöstes Kohlendioxid ist eine Säure und beeinträchtigt Methanobacterium, wenn der pH-Wert zu gering wird.)