Wenn Strom durch Bakterienkabel fließt

Phasenkontrastaufnahme von Kabelbakterien (Copyright: Steffen Larsen).

Phasenkontrastaufnahme von Kabelbakterien (Copyright: Steffen Larsen).

Die Böden der Meere und Süßgewässer sind von vertikalen, zentimeterlangen Ketten aus aneinandergereihten Zellen bestimmter Bakterien durchzogen. Diese Bakterienketten erlauben es den einzelnen Zellen, als vielzelliger Organismus in tiefen, sauerstoffarmen Zonen zu überleben. Damit verbinden sie sich mit der sauerstoffreichen Oberfläche, um Nährstoffe aus tiefen Schichten veratmen zu können. Ein internationales Team um Andreas Schramm von der Aarhus University in Dänemark unter Beteiligung von Forschern um Michael Wagner von der Universität Wien konnte nun erstmal direkt in einzelnen Bakterienkabeln Stromfluss nachweisen. Die Studie erscheint aktuell in der Zeitschrift "PNAS".

Schon seit längerem ist bekannt, dass in den Böden von Gewässern Strom fließt. Dafür sind lange Ketten aus zehntausenden Zellen bestimmter Bakterien verantwortlich. "Diese sogenannten Kabelbakterien kommen weltweit in den Sedimenten der Meere, Seen und Flüsse in gigantischen Mengen vor", erläutert Andreas Schramm von der Aarhus University. Obwohl eine einzelne Bakterienzelle nur einen tausendstel Millimeter groß ist, finden sich in den oberen Zentimetern eines Quadratmeters Meeresboden tausende Kilometer an Bakterienkabeln. Trotz zahlreicher Versuche ist es ForscherInnen bislang nicht gelungen, direkt in den Bakterienkabeln Stromfluss nachzuweisen.

Mit Laserlicht dem Strom auf der Spur
Experimente mit Kabelbakterien sind schwierig, da diese noch nicht im Labor "gezüchtet" werden können. "Wir hatten die Idee, die Raman-Mikrospektroskopie einzusetzen, um direkt in einzelnen Bakterienkabeln Stromfluss nachzuweisen", erklärt Michael Wagner vom Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung der Universität Wien. Hierfür bauten die WissenschafterInnen mikroskopisch kleine Kammern, die an beiden Enden jeweils ein Loch enthielten. Eines der Löcher wurde mit Luft gefüllt und das andere mit Schwefelwasserstoff-haltigem Sediment, das Kabelbakterien enthielt. Durch die wassergefüllte Kammer krochen die Kabelbakterien aus dem Sediment zum luftgefüllten Loch und verbanden beide. Damit stellten Wagner und sein Team die natürliche Situation in den Sedimenten sehr gut nach. Anschließend "beschossen" die Mikrobiologen die lebenden Bakterienkabel mit Laserlicht und konnten anhand charakteristischer Verschiebungen der Wellenlänge des gestreuten Lichts den Oxidationszustand kleiner Elektronen-Transportproteine in den Kabeln über ihre gesamte Länge vermessen.

"Wir konnten nachweisen, dass ein Großteil dieser Proteine mit Elektronen beladen ist, wenn wir die Kabel mit einem optischen Skalpell nahe des mit Luft gefüllten Lochs zerschnitten oder den Sauerstoff aus diesem Loch entfernt hatten", so David Berry von der Universität Wien: "Die Kabelbakterien entziehen also dem Schwefelwasserstoff Elektronen und transportieren sie zu dem luftgefüllten Loch, um sie dort auf den Sauerstoff zu übertragen und so Energie zu gewinnen. Sobald die Verbindung zum Sauerstoff experimentell unterbunden wurde, füllten sich die Kabelbakterien mit Elektronen, da sie diese nicht mehr an den Sauerstoff abgeben konnten". Damit haben die ForscherInnen den Stromfluss in den Kabeln erstmals beweisen können.

Kabelbenutzung durch andere Mikroben?
"Während der Versuche haben wir immer wieder beobachtet, dass sich um die Kabelbakterien regelrechte Bakterienschwärme bilden, in denen andere Bakterien immer wieder systematisch zu den Kabeln hinschwimmen" berichtet Jesper Bjerg, der Erstautor der Studie von der Universität Aarhus. Dieses Verhalten konnte jedoch nicht mehr beobachtet werden, sobald die Kabelbakterien experimentell vom Kontakt mit Sauerstoff abgeschnitten wurden.

Die MikrobiologInnen vermuten nun, dass vielleicht nicht nur die Kabelbakterien selbst von der Verkabelung der Gewässerböden profitieren, sondern auch viele andere Bakterien. Derzeit versuchen sie mithilfe der Ramanspektroskopie der Interaktion dieser Bakterienschwärme mit den Kabeln auf die Spur zu kommen.

Publikation in PNAS:
"Long-distance electron transport in individual, living cable bacteria": Jesper T. Bjerga, Henricus T. S. Boschker, Steffen Larsen, David Berry, Markus Schmid, Diego Millo, Paula Tataru, Filip J. R. Meysmand, Michael Wagner, Lars Peter Nielsen, and Andreas Schramm
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1800367115