Cyanobakterien

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Cyanobakterien
Zellfäden von Nostoc sp.

Zellfäden von Nostoc sp.

Systematik
Klassifikation: Lebewesen
Domäne: Bakterien (Bacteria)
Abteilung: Cyanobakterien
Klasse: Cyanobakterien
Wissenschaftlicher Name der Abteilung
„Cyanobacteria“
(ex Stanier 1974) Cavalier-Smith 2002
Wissenschaftlicher Name der Klasse
Cyanobacteria

Die Cyanobakterien (von griech. κυανός kyanós, „blau“; früher Blaualgen, Cyanophyceae genannt) bilden eine Abteilung der Domäne Bacteria. Sie zeichnen sich vor allen anderen Bakterien durch ihre Fähigkeit zur oxygenen Photosynthese aus. Früher wurden sie zu den Phycophyta (Algen) gerechnet und als Klasse Cyanophyceae (Blaualgen) geführt.[1] Einige Cyanobakterien enthalten neben anderen Photosynthese-Farbstoffen blaues Phycocyanin und ihre Farbe ist deshalb blaugrün. Darum wurden sie „Blaualgen“ genannt und diese Bezeichnung wurde für alle Cyanobakterien verwendet – auch für diejenigen, die kein Phycocyanin enthalten und nicht blaugrün gefärbt sind. Cyanobakterien besitzen im Gegensatz zu Algen keinen echten Zellkern und sind somit als Prokaryoten nicht mit den als „Algen“ bezeichneten eukaryotischen Lebewesen verwandt, sondern zählen zu den Bakterien. Cyanobakterien zählen zu den ältesten Lebensformen überhaupt. Cyanobakterien können die Richtung von Lichteinfall detektieren.[2]

Etwa 2000 Arten von Cyanobakterien sind benannt, die in fünf bis sieben Ordnungen eingeteilt werden.

Merkmale[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Cyanobakterien sind gramnegativ und ein- bis vielzellig. Bei mehrzelligen Cyanobakterien ist die Anordnung der Zellen hintereinander in langen Fäden (zum Beispiel Anabaena und Oscillatoria), flächig (zum Beispiel Merismopedia) oder räumlich (zum Beispiel Pleurocapsa und Microcystis).

Photosynthese[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Blaue und schwarze „Tintenstriche“ an der Nordflanke der Alpspitze
Blaualgen in der Blauen Grotte (Malta)

Die Photosynthese der Cyanobakterien findet an bzw. in deren Thylakoidmembranen statt und läuft dort ähnlich wie in den Thylakoiden der Chloroplasten der eukaryotischen Algen, Moose, Farne und Samenpflanzen ab. Die Cyanobakterien nutzen für ihre Photosynthese nicht nur den Teil des Lichtspektrums, den auch die grünen Pflanzen verwenden, sondern sie haben neben Chlorophyll a einen zusätzlichen Antennenkomplex in Form von Phycobilisomen, in denen Phycobiline, nämlich Phycocyanin (blau) oder Phycoerythrin (rot), enthalten sind. Phycocyanin verleiht vielen Cyanobakterien ihre bläuliche Färbung, manchen (z. B. Spirulina, Oscillatoria rubescens) verleiht Phycoerythrin eine rote Färbung. Da das Verhältnis der einzelnen Pigmente zueinander stark schwanken kann, erscheinen Cyanobakterien mitunter auch grün oder sogar schwarz (‚Tintenstriche‘). Phycobiline ermöglichen die Nutzung eines größeren Bereichs des Lichtspektrums (in der Grünlücke der Pflanzen, dem Wellenlängenbereich von ca. 500 bis 600 nm). Die Effizienz der Lichtverwertung ist bei Phycoerythrin sogar größer als beim Chlorophyll. Cyanobakterien können auf diese Weise ausgesprochene Schwachlichtbereiche erfolgreich besiedeln, wie z. B. die Unterseite von Flussgeröll oder tiefe Schichten in Seen.

Einige Cyanobakterien können auch eine anoxygene Photosynthese mit Schwefelwasserstoff als Reduktionsmittel betreiben, sie bilden dabei also keinen Sauerstoff (O2).[3][4] Vor kurzem wurde ein Cyanobakterium entdeckt (UCYN-A, engl. unicellular N2-fixing cyanobacteria in „group A“), bei dem das Photosystem II fehlt.[5] Photosystem II enthält den wasserspaltenden Komplex, so dass dieses Cyanobakterium keine oxygene Photosynthese betreiben kann. Im Gegensatz zu oxygenen photoautotrophen Lebewesen fixiert dieser Stamm nicht Kohlenstoffdioxid (CO2) im Calvin-Benson-Basham-Zyklus, und ist photoheterotroph.[6] UCYN-A assimiliert aber elementaren Stickstoff (N2), indem er ihn reduziert.

Stoffwechsel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

„Blaualgenblüte“ in einem Baggerteich, durch Winddrift in einer Ecke konzentriert
Kugelige Kolonien gallertiger Süßwasser-Cyanobakterien, sogenannte Teichpflaumen

Viele Cyanobakterien können Stickstofffixierung betreiben: Sie wandeln in Heterozysten molekularen Stickstoff (N2) in Ammonium (NH4+) um.

Cyanobakterien produzieren sehr unterschiedliche Toxine. Am bekanntesten sind die Microcystine bei Vertretern der Gattung Microcystis. Darüber hinaus konnte selbst in nicht näher verwandten Arten ein Neurotoxin, die giftige Aminosäure β-Methylamino-alanin (BMAA) nachgewiesen werden. Ausgehend von einem oft vermehrten Auftreten von Cyanobakterien bei sogenannten „Algenblüten“ können beim Verzehr von Fischen oder Muscheln solche Toxine und auch BMAA über die Nahrungskette in den menschlichen Organismus gelangen und gelegentlich zu tödlichen Vergiftungen führen.

Forscher der Carnegie Institution fanden Anfang 2006, dass im Yellowstone-Nationalpark lebende Cyanobakterien einen im Tag-Nacht-Rhythmus wechselnden Stoffwechsel betreiben: tagsüber Photosynthese und nachts Stickstofffixierung. Dies ist nach heutigem Wissensstand einmalig.

Systematik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur Taxonomie der Cyanobakterien existieren mehrere Systeme.

Taxonomie nach NCBI[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Taxonomie-Datenbank des US-amerikanischen National Center for Biotechnology Information (NCBI) teilt nur zwei von insgesamt 7 Ordnungen in Familien ein. Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology[7] verwendet anstelle von Ordnung und Familie die selbst erfundenen Ränge Subsection und Subgroup, welche statt mit Namen mit römischen Ziffern bezeichnet werden, da nicht alle gebräuchlichen Ordnungen und Familien nach dem Bacteriological Code gültig beschrieben wurden.

Taxonomie nach NCBI[8]

  • Ordnung Gloeobacterales (Klasse Gloeobacteria): 1 Gattung, Gloeobacter

Die Gattung Acaryochloris wird vom NCBI in keine Ordnung eingereiht.

Taxonomie nach Cavalier-Smith[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Thomas Cavalier-Smith nennt 6 Ordnungen, von denen er die Gloeobacterales (mit der einzigen Gattung Gloeobacter) in eine eigene Unterabteilung Gloeobacteria stellt und die andere Unterabteilung, die Phycobacteria, in die Klassen Chroobacteria (Ordnungen Chroococcales, Pleurocapsales, Oscillatoriales) und Hormogoneae (Nostocales, Stigonematales) aufteilt.[9]

Bedeutung für die Entwicklung von Tieren und Pflanzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren veränderten die sich im Wasser massenhaft verbreitenden Vorläufer der heutigen Cyanobakterien entscheidend die Lebensbedingungen auf der Erde. Sie nutzten das Sonnenlicht zur Photosynthese und setzten als Abfallprodukt Sauerstoff (O2) frei. Diese massenhafte Produktion von Sauerstoff führte schließlich zu einer entscheidenden Veränderung der sauerstofflosen Atmosphäre in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre (Große Sauerstoffkatastrophe).[10][11]

Nach der Endosymbiontentheorie waren Vorfahren der heutigen Cyanobakterien die Vorläufer der Chloroplasten in grünen Pflanzen. Dafür spricht sowohl die übereinstimmende Zellanatomie als auch ein Satz übereinstimmender biochemischer Merkmale, welche die Cyanobakterien gleich wie die Chloroplasten von den Eigenschaften der Eukaryontenzellen unterscheiden.

Gewässerbelastung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Blaualgenblüte“ in einem Fischteich (Näheres in der Bildbeschreibung)

Eine Massenentwicklung von Cyanobakterien kann die Wasserqualität stark vermindern und die Gewässernutzung deutlich einschränken. Sie produzieren eine Vielzahl von Sekundärmetaboliten, die als Allelochemikalien, Antibiotika, Hormone und Toxine wirken und z. B. Fische und Zooplankton schädigen können. Einige der Toxine gehören zu den stärksten natürlichen Giften und können auch für Menschen gesundheitsgefährdend sein.

Nach dem Absterben der Cyanobakterienmassen wird beim mikrobiellen Abbau Sauerstoff verbraucht. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration im Gewässer oft stark verringert, was zu einem Fischsterben führen kann.

Die Bedingungen für unverhältnismäßige Vermehrung von Cyanobakterien sind vielfältig und nicht immer eindeutig zu klären. Hoher Phosphat- und Nährstoffgehalt im Wasser, beispielsweise durch ungeklärte Abwässer mit Waschmittelrückständen, begünstigen in Verbindung mit höheren Wassertemperaturen die Entwicklung der Bakterien.[12]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Thomas Börner: Die Toxine der Cyanobakterien: Neue bioaktive Verbindungen. In: Biologie in unserer Zeit, Band 31, Nummer 2, 2001, S. 108–115, ISSN 0045-205X
  • Toxinbildende Cyanobakterien (Blaualgen) in bayerischen Gewässern - Massenentwicklungen, Gefährdungspotential, wasserwirtschaftlicher Bezug. Materialienband 125, Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg Dezember 2006, ISBN 3-940009-08-3.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Cyanobakterien – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Der Name Cyanophyceae für die einzige Klasse der Abteilung Cyanobacteria wird auch heute noch verwendet, etwa von Algaebase.
  2. Nils Schuergers, Tchern Lenn, Ronald Kampmann, Markus V. Meissner, Tiago Esteves: Cyanobacteria use micro-optics to sense light direction. In: eLife. Band 5, 2016, ISSN 2050-084X, S. e12620, doi:10.7554/eLife.12620, PMID 26858197, PMC 4758948 (freier Volltext); elifesciences.org [abgerufen am 26. April 2016]).
  3. Y. Cohen, B. B. Jörgensen, E. Padan, M. Shilo: Sulphide-dependent anoxygenic photosynthesis in the cyanobacterium Oscillatoria limnetica. In: Nature, Band 257, 1975, S. 489–492.
  4. Etana Padan: Facultative anoxygenic photosynthesis in cyanobacteria. In: Annual Review of Plant Physiology, Band 30, 1979, S. 27–40.
  5. J. P. Zehr u. a.: Globally distributed uncultivated oceanic N2-fixing cyanobacteria lack oxygenic photosystem II. In: Science, Band 322 (5904), 2008, S. 1110-1112, PMID 19008448, doi:10.1126/science.1165340
  6. E. F. DeLong: Interesting things come in small packages. In: Genome Biology, Band 11, Nummer 5, 2010, S. 118, doi:10.1186/gb-2010-11-5-118
  7. George M. Garrity (Hrsg.): Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology. 2. Auflage, Band 1: The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria. Springer, New York 2001. Zitiert nach J.P. Euzéby: List of Prokaryotic names with standing in Nomenclature (LPSN).
  8. NCBI (National Center for Biotechnology Information) Taxonomy Browser: Cyanobacteria, abgerufen am 27. Oktober 2007
  9. T. Cavalier-Smith: The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification. In: Int J Syst Evol Microbiol, Band 52, Teil 1, 2002, S. 7–76, PMID 11837318 (PDF).
  10. Heinrich D. Holland: The oxygenation of the atmosphere and oceans. In: Philosophical Transactions of the Royal Society B, Band 361, S. 903-915. doi:10.1098/rstb.2006.1838.
  11. J. M. Olson: Photosynthesis in the archean era. In: Photosynthesis Research, Band 88, Nummer 2, 2006, S. 109-117. PMID 16453059.
  12. Toxinbildende Cyanobakterien (Blaualgen) in bayerischen Gewässern - Massenentwicklungen, Gefährdungspotential, wasserwirtschaftlicher Bezug. Materialienband 125, Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg Dezember 2006, ISBN 3-940009-08-3.