Anaerobe Atmung

Anaerobie (aus dem altgriechischen Präfix an „ohne, nicht“ und ἀήρ „Luft“) ist das Gegenteil von Aerobie. Als anaerob werden Atemprozesse bezeichnet, die keinen elementaren, molekularen Sauerstoff (O₂) benötigen. Solche Lebewesen, die für ihren Stoffwechsel nicht auf Sauerstoff angewiesen sind oder sogar durch ihn gehemmt oder abgetötet werden, werden entsprechend als Anaerobier bzw. anaerob bezeichnet.

Ein Milieu, das sauerstofffrei ist, wird als anoxisch, in früherem Sprachgebrauch auch als anaerob bezeichnet.

anaerober Abbau organischen Materials schematisch

Anaerobe Redoxreaktionen, bei denen also kein O₂ – zum Beispiel als Elektronenakzeptor – beteiligt ist, werden bei Verbrauch externer Elektronenakzeptoren als anaerobe Atmung bezeichnet. Hierbei dienen vor allem Nitrat, Fe³⁺, Mn⁴⁺, Sulfat, Schwefel, Fumarat und CO₂ als Elektronenakzeptoren.

Organismen, die nur unter anoxischen Bedingungen wachsen können, werden als obligat anaerob bezeichnet. Organismen, die sowohl unter anoxischen als auch unter oxischen Bedingungen wachsen können, werden als fakultativ anaerob bezeichnet. Anaerobe Organimsmen, die nur einen anaeroben Stoffwechsel besitzen, also O₂ nicht nutzen können, jedoch auch in Gegenwart von Sauerstoff leben können, werden als aerotolerant bezeichnet.

Atmungstypen

In der Tabelle wurde zu Vergleichszwecken die aerobe Atmung mit aufgeführt. Die Reihung der Atmungsprozesse erfolgte nach Möglichkeit nach dem Standard-Redoxpotential des Elektronenakzeptorpaars in Volt, wobei allerdings – wie in der Biologie üblich – der pH-Wert 7 statt 0 zugrundegelegt wird (E^o'). Zu beachten ist, dass der tatsächliche pH-Wert stark davon abweichen kann (z. B. bei Acetogenese).

Atmungstypen nach Redoxpotential^[1]

Atemtyp	Organismen	Elektronenakzeptor	Reaktionsprodukt	Eo' [V]	Beispielorganismus
aerobe Atmung	obligate und fakultative Aerobier	O2	H2O + CO2	+ 0,82	Eukaryoten
Eisenatmung	fakultative Aerobier, obligate Anaerobier	Fe3+	Fe2+	+ 0,75	Geobacter, Geothermobacter, Geopsychrobacter, Pelobacter carbinolicus, P. acetylenicus, P. venetianus, Desulfuromonadales, Desulfovibrio
Manganreduktion	fakultative oder obligate Anaerobier	Mn(IV)	Mn(II)		Desulfuromonadales, Desulfovibrio
Cobaltreduktion	fakultative oder obligate Anaerobier	Cobalt Co(III)			Geobacter sulfurreducens
Technetiumreduktion	fakultative oder obligate Anaerobier	Technetium Tc(VII)			Geobacter sulfurreducens, Geobacter metallireducens
Uranreduktion	fakultative oder obligate Anaerobier	Uran U(VI)	U(IV)		Geobacter metallireducens, Shewanella putrefaciens, (Desulfovibrio)
Nitratatmung (Denitrifikation)	fakultative Aerobier: Denitrifizierer	NO3-	NO2-	+ 0,40	Paracoccus denitrificans, E. coli
Fumaratatmung	fakultative Aerobier	Fumarat	Succinat	+ 0,03	Escherichia coli
Sulfatatmung (Desulfurikation)	obligate Anaerobier: Sulfatreduzierer	SO42-	HS-	- 0,22	Desulfobacter latus, Desulfovibrio
Methanogenese (Carbonatatmung)	methanogene und obligate Anaerobier: Methanbildner	CO2	CH4	- 0,25	Methanothrix thermophila
Schwefelatmung (Schwefelreduktion)	fakultative Aerobier und obligate Anaerobier	S0	HS-	- 0,27	Desulfuromonadales
Acetogenese (Carbonatatmung)	homoacetogene und obligate Anaerobier	CO2	CH4	- 0,30	Acetobacterium woodii
TCA-Reduktion	fakultative oder obligate Anaerobier	TCA Trichloressigsäure	Dichloressigsäure		Trichlorobacter (Geobacteraceae)

Nicht zu Anaerobiern zählende

Wenn weder Sauerstoff noch andere Elektronenakzeptoren im Umgebungsmedium vorhanden sind, werden interne Elektronenakzeptoren verwendet. In diesem Fall spricht man dann von Gärung. Der Prozess der Gärung ist zwar ein anaerober Vorgang, aber kein Atemprozess, also auch keine anaerobe Atmung. Die dazu befähigten Organismen werden daher nicht den Anaerobiern zugeordnet. Es sind vor allem:

• Milchsäurebakterien (Milchsäuregärung)
• Hefen (alkoholische Gärung)
• praktisch alle Aerobier beherrschen unter anoxischen Bedingungen die Milchsäuregärung: anaerober Stoffwechsel (beim Menschen siehe auch Anaerobe Schwelle)

Manche Turbellarien, Ringelwürmer und Enteroparasiten wie Bandwürmer^[2][3] beherbergen anaerobe Bakterien und können durch diese Symbiose auch unter anoxischen Bedingungen leben.

Identifikation

Aerobe und anaerobe Bakterien können in flüssiger Nährlösung identifiziert werden * Obligat aerobe Bakterien sammeln sich am oberen Ende, um genügend Sauerstoff zu bekommen * Obligat anaerobe Bakterien sammeln sich am unteren Ende, um Kontakt mit Sauerstoff zu vermeiden. * Fakultativ anaerobe Bakterien finden sich hauptsächlich oben, weil Sauerstoffatmung am effektivsten ist; da ein O₂-Mangel sie andererseits nicht hindert, wachsen sie aber auch in den tieferen Teilen des Reagenzglases. * Mikroaerophile sammeln sich am oberen Ende, aber nicht ganz oben, da für sie Sauerstoff nur in geringer Konzentration optimal ist. * Aerotolerante Bakterien werden nicht durch Sauerstoff beeinflusst und verteilen sich daher gleichmäßig im Reagenzglas.

Der Begriff Anaerobie ist unter anderem bei der Kultivierung von Mikroorganismen von Bedeutung. Sollen gegenüber O₂ empfindliche Mikroorganismen kultiviert werden oder sollen fakultativ anaerobe Mikroorganismen unter anoxischen Bedingungen kultiviert werden, so ist es erforderlich, bei der Kultur O₂ auszuschließen. Hierbei wird die sogenannte Anaerobentechnik verwendet. In einer Anaerobenkammer erreicht man mit einer Gasatmosphäre aus 10 Vol.-% H₂ + 10 Vol.-% CO₂ + 80 Vol.-% N₂ anoxische Bedingungen, die es ermöglichen, anaerobe Mikroorganismen zu kultivieren.

Einzelnachweise

1. ↑ Biochemie der Metalloproteine, Universität Göttingen, 2006
2. ↑ Zenka J, Prokopic J.: Contribution to the knowledge of aerobic processes in Taenia crassiceps larvae. Folia Parasitol (Praha). 1986; 33(4): 331-6. PMID: 3804084
3. ↑ Zenka J, Prokopic J.: Malic enzyme, malate dehydrogenase, fumarate reductase and succinate dehydrogenase in the larvae of Taenia crassiceps. PMID: 3596392