Biologie und Ökologie von Cyanobakterien

Biologie für die Geowissenschaften

• Cyanobakterien bilden eine Abteilung der Domäne der Bakterien

• Insgesamt werden 2000 Arten in mehr als 150 Gattungen unterschieden

• Vermutlich die ältesten oxygenen photoautotrophen Organismen

Cyanobakterien

1. Unizellulär

2. Filamentös, nicht-heterozystös

• Chroococcales

• Pleurocapsales

• Oscillatoriales

• Nostocales

• Stigonematales

3. Filamentös, heterozystös

Cyanobakterien

Ordnung Morphologie Gattungen

I. Chroococcales unizellulär Gloeothece, Synechococcus, Gloeocapsa,

Cyanothece, Merismopedia

II. Pleurocapsales unizellulär Pleurocapsa, Myxosarcina, Xenococcus,

Dermocarpella

III. Oscillatoriales filamentös Oscillatoria, Spirulina, Lyngbya, Microcoleus

IV. Nostcales filamentös,

heterozystös

Anabaena, Nostoc, Calothrix, Nodularia,

Scytonema

V. Stigonematales filamentös,

heterozystös

Fischerella, Stigonema, Chlorogloeopsis,

Mastigocladus

Merismopedia

Oscillatoria Nostoc

Stigonema

Cyanobakterien

Gallertscheide

Verzweigungspunkt Trichom

Zellfaden (Filament)

Vegetative Zelle

Heterozystöse Cyanobakterien

Heterocyste

Akinete

Photosynthese Photosynthese: CO2 + H2O → CH2O + O2

The order Nostocales hosts false-branching species (e.g. members

of the genera Anabaena, Nostoc, Nodularia, Calothrix, etc.)

The order Stigonematales includes true branching representatives

(e.g. members of the genera Mastigocladus, Fischerella, Stigonema,

etc.)

www.conncoll.edu www.conncoll.edu

Heterozystöse Cyanobakterien

Filamentous heterocystous cyanobacteria are capable of

synthesizing specialized cells, so-called heterocyst, under

nitrogen-limiting or generally unfavourable growth conditions

Heterocyst

Heterozystöse Cyanobakterien

Akinetes are resting cells

that develop under

unfavourable growth

conditions (e.g. drought,

low light, insufficient

nutrient concentrations,

temperature or salinity

changes)

Heterozystöse Cyanobakterien

Anabaena sp.

• Cyanobakterien entwickelten sich im frühen Archaikum (Paläoarchikum) vor ~3.5 Mrd. (?) Jahren

Cyanobakterien

Vermutlich ersten mikrofossilen Überlieferungen im 3.45 Mrd. Jahre alten Apex chert der Warrawoona Group (Australien) und 3.4 Mrd Jahre alten Onverwacht Group (Südafrika)

Biomarker für Cyanobakterien (2-Methylhopane) in den 2.7 Mrd Jahre alten Sedimenten der Hamersley Group, Pilbara Kraton (Australien)

Apex chert Onverwacht Group

2

34

1

10

11

14 16

17

21

19

22 32 35

29

25

Cyanobakterien

Als weitere Beweise für die Existenz von Cyanobakterien in der frühen Erdgeschichte gelten Bändereisenerze und Stromatolithen (fossilisierte mikrobielle Matten)

fossil

rezent

Cyanobakterien

Cyanobakterien

Chloroflexus

(green non-sulfur bacteria)

Mastigocladus

(cyanobacterium)

• Free-living heterocystous species dominate the cyanobacterial

community in many freshwater lakes worldwide

• Blooms of cyanobacteria may

be harmful to a given aquatic

ecosystem due to the release

of toxic substances

Cyanobakterien

www.earth.esa.int

Baltic Sea

Lake Erie

Lake St. Clair

Harmful cyanobacterial blooms (cyanoHAB)

Nodularia spp. Aphanizomenon spp.

Anabaena spp.

Lake Erie Lake Atitlan

Lake Taihu

Cyanobakterien

3. Ausbreitung von sauerstoffarmen/-freien Bedingungen

1. Produktion von sekundären Metaboliten (u.a. Geruchsstoffen)

2. Produktion hochgiftiger Cyanotoxine Fisch-, Wild-, Weidetiersterben

Folgen von cyanoHAB

Cyanobacterial Blooms in the Baltic Sea

Zillen et al. (2008)

Hypoxia

2006

© ESA

1993

Aphanizomenon spp.

Nodularia spp.

Anabaena spp.

Cyanobacterial Blooms in the Baltic Sea

N2

Marine Nitrogen Cycle ….in the 80‘

Marine Nitrogen Cycle today

80 Tg N / yr.

10 Tg N / yr.

Mariner Stickstoffkreislauf

Nitrate in den Ozeanen

Stickstoff in den Ozeanen

N Species Surface (0-100m)

Deep (>100m)

Coastal waters

Estuarine waters

Nitrate 0.2 35 0-30 0-350

Nitrite 0.1 <0.1 0-2 0-30

Ammonium <0.5

<0.1 0-25 0-600

Dissolved organic N 5 3 3-10 5-150

Particulate Organic N 0.4 <0.1 0.1-2 1-100

N2 gas 800 1150 700-1100 700-1100

All abundances are given in μmol kg-1

Stickstoffspeziationen in den Ozeanen

Mariner Stickstoffkreislauf

Biological nitrogen fixation is the microbially mediated reduction of

N2 to NH3

N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2

• The fixation of N2 is an energy expansive process

• Biological N2 fixation is exclusively carried out by prokaryotes

• Cyanobacteria are the predominant N2 fixers in contemporary

global oceans

N2 Fixierung

25

Nitrogenase

Nitrogenase ist ein Eisen/Molybdänproteinkomplex, dass die Reduktion von N2 zu NH3 ermöglicht

N2

N2 94% of all N (1x 107 Tg N)

88% of bio N

12% of bio N

PON NO2

NH4

N2O

0.3%

Mariner Stickstoffkreislauf

N2-Fixierung Flusseintrag

Atmosphärische Deposition Brandes et al. (2007)

76 Tg N/Jahr

30 Tg N/Jahr 125-200 Tg N/Jahr

Stickstoffquellen im Ozean

Trichodesmium

Trichodesmium - ein filamentöses, nicht-heterozystöses Cyanobacterium -, das in tropischen bis suptropischen Breiten vorkommt, in denen die Wassertemperaturen im Mittel höher als 23 °C sind

Tuff

Puff

„Vast quantities of little substances….floating upon the water in large lines a mile or so long…either immediately upon the surface or not many inches under it. The seamen….began to call it Sea Sawdust“ Joseph Banks (1770)

Stickstofffixierung durch Trichodesmium für 50% der Primarproduktion im Nordwest Pazifik verantwortlich

Synechococcus häufig im marinen Milieu Weit verbreitet in temperierten und tropischen Ozeanen Die Größe variiert zwischen 0.8 μm und 1.5 μm Vermutlich nicht diazotroph

Crocosphaera häufig in tropischen Ozeanen Die Größe kleiner als <1.5 μm Diazotroph – fixiert N2 in der Nacht und CO2 am Tag Unizelluläre Group A-B Cyanobakterien (Group B = Crocosphaera watsonii)

Unizelluläre Cyanobakterien

• Heterocystous cyanobacteria form

symbiotical relationships with diatoms of

the genera Rhizosolenia and Hemiaulus

• Heterocystous cyanobacteria may play an

important role in the contemporary

marine nitrogen cycle

Diatom diazotroph association (DDAs)

Verteilung marine N2 Fixierer

Temperature (°C)

Nitrate Concentrations (mmol m-3)

Area populated by Trichodesmium spp.

Capone et al. (1997)

Unicellular

group A-C Heterocystous

cyanobacteria living in

symbiosis with diatoms © Foster

Distribution of N2-fixing cyanobacteria in the ocean

Mariner Stickstoffkreislauf

Coastal Microbial Mats

Microcoleus

Lyngbya

Coastal Microbial Mats

Microcoleus

Lyngbya

Stickstofffixierung

“Superfood”

Spirulina platensis Cyanobakterien als Superfood durch hohe Anteile an:

• Mehrfachungesättigte Fettsäuren

• Proteine • Pigmente • Antioxidantien • Vitamine • Mineralstoffe

Aphanizomenon flos-aquae

“Superfood”