Cyanobakterien

Cyanobakterien
Zellfäden von Nostoc sp.
Systematik
Klassifikation: Lebewesen Domäne: Bakterien (Bacteria) Stamm: Cyanobakterien Klasse: Cyanobakterien
Wissenschaftlicher Name des Stamms
Cyanobacteria
Stanier 1974 ex Cavalier-Smith 2002
Wissenschaftlicher Name der Klasse
Cyanobacteria

Die Cyanobakterien (von griech. κυανός kyanós, „blau“; früher Blaualgen 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 besiedeln vermutlich seit mehr als 3,5 Mrd. Jahren (Archaikum) die Erde und zählen damit zu den ältesten Lebensformen überhaupt.

Es sind etwa 2000 Formen als „Arten“ von Cyanobakterien benannt, die in fünf bis sieben Ordnungen eingeteilt werden.

Merkmale

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

Blaue und schwarze „Tintenstriche“ an der Nordflanke der Alpspitze

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).^[2][3] Vor kurzem wurde ein Cyanobakterium entdeckt (UCYN-A, engl. unicellular N2-fixing cyanobacteria in „group A“), bei dem das Photosystem II fehlt.^[4] 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.^[5] UCYN-A assimiliert aber elementaren Stickstoff (N₂), indem er ihn reduziert.

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.

Stoffwechsel

„Blaualgenblüte“ in einem Teich

Kugelige Kolonien gallertiger Süßwasser-Cyanobakterien, sogenannte Teichpflaumen

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

Es wurde nachgewiesen, dass fast alle Arten sehr unterschiedliche Toxine produzieren. 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 heraus, 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

Zur Taxonomie der Cyanobakterien existieren mehrere Systeme.

Taxonomie nach NCBI

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^[6] 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^[7]

• Ordnung Chroococcales: 27 Gattungen, z. B.Chroococcus und Gloeocapsa

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

• Ordnung Nostocales
  • Familie Microchaetaceae: 6 Gattungen
  • Familie Nostocaceae: 13 Gattungen, z. B. Anabaena, Aphanizomenon, Nostoc, Nodularia
  • Familie Rivulariaceae: 3 Gattungen
  • Familie Scytonemataceae: 3 Gattungen

• Ordnung Oscillatoriales: 27 Gattungen, z. B. Lyngbya, Oscillatoria, Phormidium, Spirulina

• Ordnung Pleurocapsales: 7 Gattungen, z. B. Chroococcidiopsis

• Ordnung Prochlorales (prochlorophytes)
  • Familie Prochloraceae: 1 Gattung, Prochloron
  • Familie Prochlorococcaceae: 1 Gattung, Prochlorococcus
  • Familie Prochlorotrichaceae: 1 Gattung, Prochlorothrix

• Ordnung Stigonematales: 12 Gattungen, z. B. Stigonema

Die Gattung Acaryochloris wird vom NCBI in keine Ordnung eingereiht.

Taxonomie nach Cavalier-Smith

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.^[8]

Bedeutung der Cyanobakterien für die Entwicklung von Leben auf der Erde

Vor 2,5 Milliarden Jahren veränderten die sich massenhaft im Wasser verbreitenden Cyanobakterien die Lebensbedingungen auf der Erde entscheidend. Die winzigen Bakterien nutzten das Sonnenlicht zur Photosynthese und setzten als Abfallprodukt Sauerstoff frei. Diese massenhafte Produktion von Sauerstoff bewirkte die chemische Umwandlung der sauerstofflosen Gashülle in die für die Fortentwicklung von Leben außerhalb des Wassers notwendige Atmosphäre.

Gewässerbelastung durch Cyanobakterien

„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 werden sie mikrobiell abgebaut, wobei Sauerstoff verbraucht wird. Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration im Gewässer oft stark verringert und es kann zu einem Fischsterben kommen.

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.^[9]

Siehe auch

• Algenfarngewächse zur Symbiose mit stickstofffixierenden Cyanobacteria
• Stromatolithen – von Cyanobakterien gebildete Sedimentgesteine

Literatur

• Thomas Börner: Die Toxine der Cyanobakterien: Neue bioaktive Verbindungen. In: Biologie in unserer Zeit. 31(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.

Quellen

1. ↑ Der Name Cyanophyceae für die einzige Klasse der Abteilung Cyanobacteria wird auch heute noch verwendet, etwa von Algaebase.
2. ↑ Y. Cohen, B. B. Jörgensen, E. Padan, M. Shilo: Sulphide-dependent anoxygenic photosynthesis in the cyanobacterium Oscillatoria limnetica. In: Nature. Bd. 257, 1975, S. 489–492
3. ↑ Etana Padan: Facultative anoxygenic photosynthesis in cyanobacteria. In: Annual Review of Plant Physiology. Bd. 30, 1979, S. 27–40.
4. ↑ J.P. Zehr u. a.: Globally distributed uncultivated oceanic N2-fixing cyanobacteria lack oxygenic photosystem II. In: Science. 322 (5904) 2008, S. 1110-1112, PMID 19008448, doi:10.1126/science.1165340
5. ↑ E. F. DeLong: Interesting things come in small packages. In: Genome Biology. 11(5) 2010, S. 118, doi:10.1186/gb-2010-11-5-118
6. ↑ D.R. Boone, R.W. Castenholz, G.M. Garrity (eds), Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, second edition, vol. 1 (The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria), Springer-Verlag, New York, 2001. Zitiert nach J.P. Euzéby: List of Prokaryotic names with standing in Nomenclature (LPSN).
7. ↑ NCBI (National Center for Biotechnology Information) Taxonomy Browser: Cyanobacteria, abgerufen am 27. Oktober 2007
8. ↑ T. Cavalier-Smith: The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification. In: Int J Syst Evol Microbiol. 52 (Pt 1) 2002, S. 7–76, PMID 11837318, PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
9. ↑ 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

 Commons: Cyanobakterien – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Einführung in die Cyanobakterien (Engl.)
• Empfehlungen des Umweltbundesamtes zum Schutz von Badenden
• Schwedisches Meteorologisches und Hydrografisches Institut: aktuelle Daten und Satellitenbilder zur Algenblüte in der Ostsee (schwedisch u. engl.), abgerufen am 22. Februar 2011