• 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
• 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
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.
N2
Marine Nitrogen Cycle ….in the 80‘
Marine Nitrogen Cycle today
80 Tg N / yr.
10 Tg N / yr.
Mariner Stickstoffkreislauf
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
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)
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
“Superfood”
Spirulina platensis Cyanobakterien als Superfood durch hohe Anteile an:
• Mehrfachungesättigte Fettsäuren
• Proteine • Pigmente • Antioxidantien • Vitamine • Mineralstoffe
Aphanizomenon flos-aquae