Liebe Mikrobenzirkus-Community,

ich wünsche euch allen ein gesundes und glückliches 2024! Bleibt gesund und neugierig ;-)…

Wir starten auch gleich traditionell mit der Wahl der Mikrobe des Jahres! In diesem Jahr ist das Kabelbakterium Electronema ausgezeichnet worden, von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM).

Stromleitende Bakterien: das klingt wie Science Fiction. Doch es gibt sie in der Realität. Kabelbakterien sind eine Gruppe von Bakterien, die erst vor zwölf Jahren in Dänemark entdeckt wurde und sie stellen unser Naturverständnis auf den Kopf.

Eine Entdeckung und rätselhafte Stromflüsse

Im Jahr 2012 stellte ein Student der Universität Aarhus in Dänemark mit einem Mikroskop fest, dass er auf ein Kabelbakterium blickte, eine mehrere Zentimeter lange Verkettung von Zellen, die wie ein lebendiges Stromkabel in der Lage ist, Strom durch Sedimente am Meeresboden nach oben zu leiten. Seitdem war das Team um Prof. Nielsen damit beschäftigt, mehr über diese neue Lebensform zu erfahren, die unser Verständnis des Elementekreislaufs im Ökosystem sowie viele weitere Annahmen potenziell revolutionieren könnte.

Da die Organismen vorwiegend in sauerstoffarmen Sedimenten vorkommen, haben Kabelbakterien eine besondere Strategie zur Energiegewinnung entwickelt. Sie schließen sich in Gruppen zu langen elektrisch leitfähigen Filamenten zusammen. Diese mikrobiellen Ketten können Strom über mehrere Zentimeter leiten.

Zu Beginn wollte Lars Peter Nielsen, Professor für mikrobielle Ökologie in Aarhus, erforschen, was die Ursache für diese Stromflüsse ist, die er in der Bucht von Aarhus entdeckt hatte. Seine Ausgangshypothese – eine in einem Nanodrahtgitter angeordnete Bakteriengemeinschaft – wurde schnell fallen gelassen, als die Kabelbakterien unter der Linse vergrößert wurden. „Plötzlich fügte sich alles zusammen, es war eine Lebensform, deren Existenz sich niemand vorgestellt hatte – ein lebender Organismus, der Strom über größere Entfernungen im Zentimeterbereich leiten kann. Bis dahin war dies lediglich im Nano- oder Mikromaßstab möglich“, sagte Professor Nielsen.

Unter Verwendung von Robotern und eines speziell entwickelten Mikrosensors maß das Team die elektrischen Felder von Kabelbakterien in der Bucht von Tokio und anschließend in einer Quelle, welcher der Heimat Professor Nielsens näher war, da diese sich in dem Hintergarten des Professors befand.

Wie lassen die Bakterien den Strom fließen?

Ganz einfach: Kabelbakterien gelten als Ingenieure des Ökosystems, denn sie bilden aus tausenden von Zellen zentimeterlange Ketten, die elektrischen Strom leiten können. Am unteren Ende ernährt sich die Kette von sauerstoffarmem, schwefelhaltigem Sediment und leitet die gewonnene Energie als Elektronen nach oben zur Sedimentoberfläche. Dort holt sich die Kette den Sauerstoff zum Atmen. Das eine Ende isst, das andere atmet.

Oder detaillierter: Ihre Kettenform ermöglicht dem mehrzelligen „Körper“ der Bakterien eine sehr effektive und einzigartige Arbeitsteilung. So leben Tausende von Zellen jedes einzelnen Kabels im unteren Teil des Sediments von Gewässern, wie sie Sulfid zu Sulfat umwandeln. Dabei entstehen negativ geladenen Elektronen, die über die stromleitenden Fasern ans andere Ende des „Bakterienkabels“ an der Sedimentoberfläche fließen und dort auf Sauerstoff übertragen werden. die Bakterien überbrücken diese Entfernung, in dem sie Elektronen von einem Ende der Kette zum anderen transportieren. Damit können Kabelbakterien als einzige Organismen das Sulfid in einer Zone verbrauchen, wo es keinen Sauerstoff gibt: ein großer Vorteil gegenüber anderen konkurrierenden Organismen.

Kabelbakterien reduzieren Schadstoffe

Besonders beeindruckend ist Fähigkeit von Electronema, mikrobielle Aktivitäten zu simulieren, die nur mit Sauerstoff möglich sind, und Populationen, die dort sonst nicht leben können. Das heißt im Klartext, dass Kabelbakterien auch häufig in Gewässern vorkommen können, die mit Kohlenwasserstoffen verunreinigt sind, zum Beispiel nach einer Öl- oder Benzinverschmutzung. Durch ihren besonderen Stoffwechsel können die Bakterien Schadstoffe einfach schneller abbauen. Sie steigern den Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe und organischer Stoffe wie Faulschlamm in den Sedimenten überdüngter Seen. Es gibt sogar erste Überlegungen, Electronema zur Sanierung von kontaminierten Standorten einzusetzen. Durch Elektroden im Sediment könnte die Wirkung der Kabelbakterien gezielt stimuliert werden.

Klimawichtig: Electronema reduziert Treibhausgase

In überfluteten Reisfeldern entsteht jährlich eine große Menge des klimaschädlichen Methans. Die Kabelbakterien leben im Wurzelbereich von Reispflanzen und können dort die Methanbildung verringern. Erste Versuche mit Reispflanzen ergaben, dass die Zugabe von Candidatus Electronema zum Boden, die Methanemissionen um mehr als 90 Prozent reduziert. Vermutlich zapfen die Bakterien die Sauerstoffversorgung der Reiswurzel an und das ermöglicht so ein ständiges Recycling von Sulfat im Boden.
Zu erklären ist das so: Kabelbakterien transportieren Elektronen entlang ihrer Filamente, also den Ketten, und verändern so die geochemischen Bedingungen des wassergesättigten Bodens. Sie recyceln die Schwefelverbindungen des Bodens und halten dort eine große Menge Sulfat zurück. Dies hat zur Folge, dass die Methan-produzierenden Mikroben ihre Aktivität reduzieren. Für die Forschenden gilt es nun noch herauszufinden, wie die Kabelbakterien im Reisfeld oder in Mooren noch gezielt stimuliert werden können, um den Methanausstoß zu verringern.

Biologisch abbaubare Stromkabel statt Elektroschrott

Die Stromleitung in den Proteinfasern der Kabelbakterien ähneln der eines metallischen Kabels, schreibt die VAAM. Damit seien sie für eine auf Biomaterialien basierende Elektronik äußerst interessant. Weltweit wird nur ein Fünftel der jährlich über 50 Millionen Tonnen Elektroschrott recycelt. Biologisch abbaubare Stromleiter könnten einen wichtigen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit leisten. Die leitfähigen Strukturen der Kabelbakterien sind auch schon patentiert, von einer kommerziellen Nutzung ist die Entwicklung allerdings noch weit entfernt.

Kunstprojekt: Über Kabelbakterien gelesene Gedichte

Besonders gefallen hat mir die ausgefallene Idee der spanischen Künstlerin Anna Pasco Bolta, die die elektrische Leitfähigkeit der Bakterien bereits in ihren Projekten „Let’s Symbiose und Be With “ nutzt: mit Electronema-Filamenten verbindet sie Mikrofon und Verstärker für ihre über die Kabelbakterien gelesenen Gedichte. Auf Instagram unter:

(http://www.annapascobolta.com/, https://www.instagram.com/apascobolta/)

Novum bei der Juryauswahl: Noch keine Reinkultur

Die VAAM ernennt mit Electronema übrigens erstmals eine Bakterienart zur Mikrobe des Jahres für denen vollständige Beschreibung eine Reinkultur noch fehlt. Denn Kabelbakterien könne zwar in der Natur nachgewiesen, aber noch nicht isoliert im Labor weitervermehrt werden. Ihr wichtigster Vertreter trägt daher den vorläufigen Namen Candidatus Electronema.

Mittlerweile sind zwölf Arten von Kabelbakterien bekannt. Wie Candidatus Electronema können diese auch noch nicht als Reinkultur im Labor vermehrt werden, aber dank genauer Genomdaten sind sie sehr gut charakterisiert.

Vermutlich sind bisher über 99 Prozent der Mikroben unserer Welt noch nicht im Labor isoliert und beschrieben – viele spannende Eigenschaften dieser unsichtbaren Lebenswelt bleiben uns daher bisher noch verborgen.

Dann wünsche ich uns allen ein spannendes Jahr mit vielen neuen Erkenntnissen…

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Mikrobiologische Grüße

Ihre/Eure Susanne Thiele

Links:

VAAM

Mikrobe des Jahres 2024 / VAAM – Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie e.V.