Sírne baktérie
Objav veľkých sírnych baktérií uskladňujúcich dusičnany
Čo sú to sírne baktérie?
Mnoho baktérií, rovnako ako väčšina vyšších organizmov, dýcha kyslík a tým oxiduje („spaľuje“) svoje jedlo. Nielen organický materiál, ako napríklad zvyšky zo sveta rastlín a zvierat, však poskytuje použiteľné a vysoko kalorické jedlo. Môže sa tiež použiť veľa anorganických chemických zlúčenín, ktoré môžu slúžiť ako základná potravina pre špeciálne baktérie. Sírne baktérie žijú na sírovodíku, ktorý premieňajú na síran. Zároveň dýchajú kyslíkom. To im dodáva energiu pre celý metabolizmus a rast.
Síran je jednou z najdôležitejších solí v morskej vode a neustále preniká do morského dna. Pod milimetrovou tenkou krycou vrstvou, ktorá pokrýva povrch morského dna ako dýchacia pokožka, je morské dno svetom bez kyslíka, ktorý však nie je mŕtvy. Toto je svet baktérií, ktoré rozkladajú organické zvyšky odumierajúcich rias po tom, čo sa ponorili na morské dno. Mnohé z týchto baktérií dýchajú síranom, ktorý sa premieňa na sírovodík.
Medzi síranom a sírovodíkom, ktorý je jedným z najdôležitejších cyklov ekologických materiálov v mori, dochádza k neustálej zmene, ktorá zaisťuje, že sa organický materiál premení späť na anorganické minerály a soli rastlinných živín. V morskom dne sa produkuje obrovské množstvo sírovodíka. Pre vyššie organizmy, ako sú ryby alebo kôrovce, je zásadné, aby sa znovu rozpadli na morskom dne skôr, ako sa dostanú do morskej vody. Pretože sírovodík je vysoko toxický, rovnako toxický ako kyanid, je to však prírodný toxín. Preto je v prírode tiež veľa baktérií, ktoré sa špecializujú na odbúravanie sírovodíka. Najznámejšie z nich dýchajú kyslíkom. Vyskytujú sa takmer všade, v mori, jazerách, v zemi alebo v bioreaktoroch a čističkách odpadových vôd, kde sa čistia odpadové vody.
Najmä v našich pobrežných vodách, kde sa v posledných desaťročiach prudko zvýšil odtok dusíkatých výživných solí, vedie zvýšený obsah dusičnanov k zvýšenej produkcii rias, čo následne spôsobuje, že zvyšky organických rias silnejšie klesajú na morské dno. To primárne stimuluje síranové dýchanie a produkcia sírovodíka sa ešte zvyšuje, až kým sa pri súčasnom znižovaní obsahu kyslíka v morskej vode ťažko neoxiduje. Potom sírové baktérie prevezmú javisko a rozložia bielu plachtu na dno čierneho mora. Jedná sa o tenkú vrstvu vláknitých sírnych baktérií zvaných Beggiatoa, ktorým im lom svetla v nespočetných kvapkách síry v bunkách dodáva bielu žiaru. Sú poslednou bariérou proti úniku sírovodíka z morského dna a využívajú na to kyslík v morskej vode. Toto bola ich známa funkcia až do nášho objavu nitrátových vakuol v sírnych baktériách.
Väčšina baktérií má veľkosť od jedného do niekoľkých mikrometrov (tisíciny milimetra). Existujú na to dobré dôvody. Baktérie môžu prijímať potravu z vodného prostredia iba vo forme rozpustených látok. Ak sú baktérie príliš veľké, absorpcia je príliš pomalá, pretože bunky nemajú žiadny vnútorný transportný systém (napr. Cirkuláciu) a hladujú. Preto sú veľké baktérie vo voľnej prírode vzácnosťou. Baktérie také veľké ako nedávno objavená tiomargarita (Schulz a kol., Science, 16. apríla 1999) by v skutočnosti nemali existovať. Je to možné len preto, že majú špeciálnu bunkovú štruktúru.
Aktívna časť bunky týchto veľkých sírnych baktérií pozostáva z tenkej škrupiny cytoplazmy, ktorá obklopuje veľkú sférickú vakuolu. Cytoplazmatická vrstva je hrubá iba niekoľko mikrometrov, čo zodpovedá veľkosti bežných baktérií. Tiomargarita zaisťuje transport látok v bunke napriek ich veľkosti. Vakuola je ako balón naplnený vodou - čo je medzi baktériami veľmi jedinečná štruktúra. Slúži ako zásobná nádrž na dusičnany, ktoré tieto baktérie používajú na dýchanie. Dusičnan je v zásade rovnako dobrý ako kyslík ako dýchací prostriedok, ale má veľkú výhodu v tom, že sa môže skladovať za bunkovou membránou, zatiaľ čo kyslík nevyhnutne uniká ako plyn. Rovnako ako potápač s fľašami na stlačený vzduch, aj tiomargarita môže dýchať so svojím zásobníkom dusičnanov celé mesiace, kým nebude potrebovať nový prísun zvonku. Týmto dusičnanom baktérie oxidujú sírovodík, ktorý sa neustále produkuje v okolitom morskom dne, v ktorom sú nehybné. Potom opäť striedavo potrebujú dusičnany a sú závislé od morskej vody obsahujúcej dusičnany, ktorá preniká na morské dno prúdmi a čerpacími aktivitami atlantických vĺn.
Thiomargarita má tiež blízkych príbuzných, ktorí sú pohyblivými niťami namiesto nepohyblivých gúľ, napríklad Thioploca. Tvoria najväčšie viditeľné bakteriálne spoločenstvá na svete na tichomorskom pobreží Južnej Ameriky. Tu dochádza k prirodzenému oplodneniu mora, pretože hlboká voda bohatá na dusičnany z Tichého oceánu je poháňaná JV vetrom, ale aj neustálym nedostatkom kyslíka na dne vodného stĺpca. Podložky Thioploca na morskom dne nad pobrežím 3000 km. Rohože sú spletené dohromady zo slizkých puzdier tioploky a majú hmotnosť 1 kg na meter štvorcový. Mnoho vlákien baktérií žije spolu v každej škrupine, ktorá sa tiahne ako vertikálny tunel do morského dna. To spôsobuje, že baktérie neustále kĺžu hore a dole. Až 7 cm dlhé tenké bakteriálne vlákna sa tiahnu do morskej vody, kde odoberajú z vody dusičnany na dýchanie. S plnými zásobníkmi skĺzavajú dole svojimi tunelmi na morské dno, kde iné baktérie produkujú intenzívne sírovodík. Tento sírovodík je ich výživou a tioplokou sa úplne premieňa.
Prvýkrát sme tento spôsob života objavili pred štyrmi rokmi počas výskumnej cesty pri čílskom pobreží. Ale potom, čo bola bakteriálna vakuola rozpoznaná ako rezervoár dusičnanov, sme spolu s ďalšími výskumníkmi zistili tento jav aj v iných baktériách a vždy vo veľkých sírnych baktériách, ktoré všetky navzájom úzko súvisia. Pri horúcich prameňoch v tektonických šíriacich sa zónach na hlbokom morskom dne žijú aj silné rohože voľne žijúcich vláknitých sírnych baktérií rodu Beggiatoa. Jeho jednotlivé bunky sú oveľa menšie ako bunky thiomargarita, ale mnohobunkové bakteriálne vlákna sú dostatočne veľké (desatina milimetra v priemere a niekoľko centimetrov dlhé), aby ich bolo možné vidieť voľným okom z okna hlbokomorského ponorného plavidla ALVIN.
Sírne baktérie uskladňujúce dusičnany sa nenachádzajú iba v lokalitách, ktoré sú pre nás exotické. Po jeho objave v Čile sme túto nehnuteľnosť hľadali aj v rodnej Beggiatoe v Baltskom mori a skutočne sme ju našli. Zdá sa teda, že ide o rozsiahlu adaptáciu, ktorú možno pravdepodobne nájsť kdekoľvek v oceánoch, keď už vieme, čo hľadáme. Charakteristické sú veľkosť buniek, žiariace granule síry a zjavne prázdne vnútro buniek. Široké rozšírenie tejto skupiny baktérií tiež znamená, že ich metabolizmus zohráva zodpovedajúco dôležitú úlohu v ekologických materiálových cykloch. Kvôli oxidácii sírovodíka dusičnanom v týchto baktériách sú materiálne cykly síry a dusičnanov spojené spôsobom, ktorého následky ešte nemôžeme prehliadnuť.
Bo B. Jørgensen
Inštitút Maxa Plancka pre morskú mikrobiológiu