Lithotrophie

Lithotrophe Cyanobakterien („Blaualgen“) in einem Baggerteich.

Nitrosomonas eutropha, ein Ammoniak oxidierendes lithotrophes Bakterium

Lithotrophie bezeichnet bei Lebewesen eine spezielle Lebensweise (Stoffwechseltyp): Lithotrophe Organismen sind in der Lage, anorganische Reduktionsmittel für ihren Baustoffwechsel zu verwenden. Für Reduktionen bei der Biosynthese werden bei allen Lebewesen reduzierende Coenzyme als Elektronenüberträger verwendet, die regeneriert werden müssen. So setzen beispielsweise Pflanzen NADPH in NADP⁺ um, wenn sie im Calvinzyklus aus CO₂ Zucker bilden (Kohlenstoffdioxid-Assimilation). Diverse autotrophe Organismen nutzen zur Biosynthese andere Stoffwechselwege mit anderen Coenzymen. Lithotrophe Organismen können die zur Assimilation nötigen Coenzyme durch anorganische Elektronendonatoren regenerieren. Alle anderen Organismen sind organotroph und bei ihrer Biosynthese auf organische Elektronendonatoren beschränkt. Sie regenerieren z. B. NADPH mit NADH, das Reduktionsäquivalente aus dem Abbau organischer Verbindungen liefert.

Eine Reihe von lithotrophen Organismen können neben anorganischen Reduktionsmitteln auch organische, meist niedermolekulare organische Verbindungen zur NADPH-Regeneration nutzen. Sie sind fakultativ lithotroph.

Herkunft und Verwendung der Bezeichnung

Das Wort Lithotrophie kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet wörtlich ‚sich von Steinen ernährend‘ (altgriechisch λίθος líthos, deutsch ‚Stein‘; altgriechisch τροφή trophḗ, deutsch ‚Ernährung‘), wobei „Stein“ hier für anorganische Stoffe steht. Das Adjektiv zu Lithotrophie lautet lithotroph (lithotrophe Lebewesen, lithotropher Stoffwechsel).

Diversität und Vorkommen lithotropher Organismen

Bei Prokaryoten ist Lithotrophie weit verbreitet. Lithotrophe Organismen kommen bei Archaeen und Bakterien in unterschiedlichen Familien vor, oft zusammen mit eng verwandten organotrophen Lebewesen. Bei Eukaryoten findet Lithotrophie innerhalb von Organellen statt, die höchstwahrscheinlich von prokaryotischen Endosymbionten abstammen.

Tabelle 1. Redoxpotentiale E^0' von starken (oben) und schwachen (unten) Reduktionsmitteln Farbig: Coenzyme

Redoxreaktion	E'0(V)
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e−	−0,54
H2 → 2H+ + 2e−	−0,41
Ferredoxinreduziert → Ferredoxinoxidiert + e−	−0,4
NADPH + H+ → NADP+ + 2 e− + 2 H+	−0,32
H2S → S + 2H+ + 2 e−	−0,25
S + 4 H2O → SO42− + 8 H+ + 8 e−	−0,23
NO2− + H2O → NO3− + 2 H+ + 2 e−	+0,42
NH4+ + 2 H2O → NO2− + 8 H+ + 6 e−	+0,44
Fe2+ → Fe3+ + e−	+0,78
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e−	+0,86

Lithotrophe Organismen nutzen ganz unterschiedliche anorganische Elektronendonatoren (Tabelle 1). Darunter befinden sich sehr kräftige Reduktionsmittel wie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂), von denen Elektronen unter Energiegewinn auf NADP⁺ übertragen werden können. Die in der Tabelle unter NADPH stehenden Elektronendonatoren benötigen dagegen Energie um NADP⁺ zu reduzieren. Das triff vor allem auf H₂O zu, das ohne Energiezufuhr nur äußerst starke Oxidationsmittel reduzieren kann.

Bei lithotrophen Organismen gibt es zur Nutzung der unterschiedlichen Elektronendonatoren nicht nur ganz verschiedene Enzyme und Elektronenüberträger, sondern auch ganz unterschiedliche Stoffwechselwege zur Nutzung anorganischer Reduktionsmittel.

Photolithotrophie

Decken lithotrophe Organismen ihren Energiebedarf photosynthetisch aus Licht, bezeichnet man sie als photolithotroph.

• Anaerobe photolithotrophe Bakterien, die H₂S als Elektronendonator bei der anoxygenen Photosynthese nutzen und elementaren Schwefel als Abfallprodukt bilden. Hierzu zählen Schwefelpurpurbakterien (Chormatiaceae) und Grüne Schwefelbakterien (Chlorobiaceae).
• Pflanzen und Cyanobakterien unterscheiden sich dahingehend von photolithotrophen Organismen, als dass sie Wasser als Reduktionsmittel benutzen, was man als Photohydrotrophie bezeichnet.

Eine ausführliche Beschreibung photolithotropher Stoffwechseltypen findet sich unter Phototrophie und Photosynthese.

Chemolithotrophie

Energiestoffwechsel

Abbildung 1: Vereinfachtes Modell der ATP-Bildung durch Oxidation von H₂ im Periplasma bei Aquifex aeolicus. Links im Bild befindet sich ein Transmembrankomplex mit einer Elektronentransportkette. An seiner Außenseite (oben) entstehen durch die Oxidation von H₂ vier Protonen und 4 Elektronen. Diese werden durch den Komplex an die Innenseite an eine Cytochrom-Oxidase übertragen und reduzieren dort ein O₂ zu Wasser. Dabei werden 4 H⁺ verbraucht. Ohne dass H⁺ nach außen transportiert wird, entsteht ein Membranpotential, das von der ATP-Synthase (rechts) zur Bildung von ATP genutzt wird.

Chemolithotrophe Organismen decken ihren Energiebedarf nicht durch Licht, sondern durch anorganische chemische Reaktionen, nämlich exergone Redoxreaktionen.

Inwieweit Organismen Energie aus Redoxreaktionen gewinnen können, hängt nicht nur vom Redoxpotential des Elektronendonators ab, sondern auch von dem des Elektronenakzeptors: Je größer die Differenz ist, desto mehr Energie ist daraus zu gewinnen.

• Viele chemolithotrophe Organismen nutzen das kräftige Oxidationsmittel O₂ als Elektronenakzeptor. Sie sind aerob.
• Daneben gibt es eine Reihe anaerober chemolithotropher Archaeen und Bakterien. Sie nutzen beispielsweise die relativ schwachen Oxidationsmittel Sulfat und CO₂ als Elektronenakzeptor.

Nahezu alle Organismen benötigen Energie in Form eines chemiosmotischen Membranpotentials. Ihre Cytoplasmamembranen sind außen positiv und innen negativ geladen. Innen ist die Konzentration negativ geladener Ionen (Anionen) höher als außen, positive Kationen wie z. B. H⁺-Ionen sind außen stärker konzentriert. So besteht neben dem Konzentrationsgradienten der Ionen auch noch ein elektrischer Gradient, also eine elektrische Spannung.

Diese Spannung nutzen alle chemolithotrophen Organismen zur Bildung von ATP, das als Energielieferant für die unterschiedlichsten Stoffwechselprozesse essentiell ist. Es entsteht durch die endotherme Reaktion

ADP + Phosphat → ATP + ΔH, ΔH ca. 35 kJ/mol

Diese Reaktion wird durch das Enzym ATP-Synthase katalysiert. Seine Funktion ist in Abb. 1 rechts im Bild schematisch erläutert. Der rote Bereich oben ist positiv geladen. Er befindet sich außerhalb der Zelle, im Bild oberhalb der Zellmembran. Von dort fließt ein Strom von H⁺-Ionen durch die ATP-Synthase in das Zellplasma (im Bild rötlich) und liefert die Energie für die ATP-Bildung.

Lithotrophe Organismen erhalten durch Redoxreaktionen ihr Membranpotenzial aufrecht. Dabei sind H⁺-produzierende Reaktionen meist auf der Außenseite der Zellmembran lokalisiert, während auf der Innenseite eher Reaktionen lokalisiert sind, die H⁺ verbrauchen. Links oben im Bild entsteht H⁺ aus der Oxidation von Wasserstoff. Links unten im Bild wird H⁺ verbraucht. Zusammen mit den vier Elektronen, die durch ein Transmembran-Komplex die Membran durchqueren, entsteht nach

4 H⁺ + O₂ + 4 e ↔ 2 H₂O

Wasser. Wegen dieser Reaktion, die gewissermaßen eine Knallgasreaktion ist, nennt man Organismen, die Wasserstoff zu Wasser oxidieren auch Knallgasbakterien. Für die Aufrechterhaltung ihres Membranpotentials finden sich bei lithotrophen Stoffwechselwegen ganz unterschiedliche Elektronentransportketten, Co-Enzyme, Cytochrome etc. Die wichtige Rolle der Zellmembranen zeigt sich daran, dass sie oft ähnlich den Thylakoiden stark eingefaltet sind und nicht selten Membranstapel aufweisen. Für das Verständnis, wie die Organismen ihr Membranpotential aufrechterhalten, ist es entscheidend, ob Redoxreaktionen an der Innen- oder Außenseite der Zellmembran stattfinden.

Reduktion von NADP⁺

Abbildung 2. Prinzip des aeroben Stoffwechsels von Nitrit oxidierenden Bakterien. NxR ist ein Enzymkomplex, an dem die Oxidation von Nitrit zu Nitrat katalysiert. Die bei der Oxidation freiwerdenden Elektronen werden an Cytochrom_c (cyt_c) übertragen. Das Cytochrom_c wird überwiegend an ein Transmembran-Enzym (I) übertragen, an dessen Innenseite O_O zu Wasser reduziert wird. Ein kleiner Teil des Cytochrom_c gelangt in den Transmembrankomplex II. In ihm befindet sich eine Elektronentransportkette, deren Komponenten durch einströmendes H+ soweit reduziert werden, dass im Cytoplasma NADH reduziert werden kann.

Es ist auffällig, dass viele chemolithotrope Organismen in der Lage sind, das kräftigere Reduktionsmittel NADPH unter Energieaufwand auch mit schwächeren Reduktionsmitteln zu regenerieren. Die Energie für die Regeneration von NADPH durch schwächere Reduktionsmittel wird bei einigen dieser Organismen durch ATP geliefert. Dazu dient eine Elektronentransportkette, in unter ATP-Verbrauch die schwach reduzierenden Elektronen auf ein Niveau gebracht werden, mit dem NADP⁺ zu NADPH reduziert werden kann.

Energielieferant für solche Elektronentransportketten ist in den meisten Fällen aber direkt das Membranpotential. Sie funktionieren damit wie reverse Atmungsketten oder umgekehrte Protonenpumpen. NADPH wird durch einströmende Protonen ohne ATP-Verbrauch regeneriert.

Das Prinzip ist in Abb. 2 anhand eines Nitrit oxidierenden Bakteriums erläutert (Abb. 2). Im Bild rechts wird das Membranpotential durch die außen stattfindende Oxidation von Nitrit und die an der Membran-Innenseite stattfindende Reduktion von O₂ aufgebaut. Wie in Abb. 1 wird außen H⁺ gebildet und innen verbraucht.

Elektronenüberträger ist dabei ein Cytochrom-Pool. Ein relativ geringer Teil der reduzierten Cytochrome speist ihre Elektronen in einen Enzymkomplex II (im Bild links). In diesem Enzymkomplex werden die Elektronen Schritt für Schritt auf immer schwächere Oxidationsmittel übertragen. Jeder dieser Schritte kostet Energie, die durch von außen nach innen transportierte H⁺-Ionen geliefert wird. Zum Schluss entsteht ein so kräftiges Reduktionsmittel, dass es zur Regenerierung von NADH dienen kann.

Lithoautotrophie

Viele lithotrophe Organismen können organische Verbindungen nicht als Kohlenstoffquelle für ihren Baustoffbedarf nutzen und sind deshalb auf anorganische Kohlenstoffquellen wie CO₂ angewiesen. Diese reduzieren sie mit Hilfe des lithotroph gebildeten NADPH. Sie sind obligat autotroph, genauer lithoautotroph. Ihr Zellmaterial müssen sie durch Reduktion von CO₂ durch NADH oder NADPH produzieren.

Andere, meist fakultativ lithotrophe Organismen können organische Verbindungen als Kohlenstoffquelle verwenden und sind fakultativ heterotroph.

• Photolithotrophe autotrophe Organismen sind die Primärproduzenten von Biomasse in den meisten Ökosystemen, z. B. Pflanzen und Cyanobakterien. Sie betreiben Photosynthese.
• Chemolithotrophe autotrophe Organismen sind in manchen lichtlosen Biotopen die Primärproduzenten. In der Tiefsee bilden sie beispielsweise die Basis einer Nahrungskette an „Schwarzen Rauchern“. Dort produzieren sie Biomasse, die sie aus der Oxidation von vulkanischem H₂S gewinnen. Das nennt man gelegentlich Chemosynthese. Chemolithotrophe Organismen sind aber nicht auf lichtlose Biotope beschränkt.

Lithoheterotrophie

Verschiedene zu den Alphaproteobacteria gehörende marine Bakterien, die sogenannte Roseobacter-Gruppe (am besten bekannte Art ist Silicibacter pomeroyi), nutzen anstelle von Kohlendioxid Kohlenmonoxid als exklusive Kohlenstoffquelle. Anders als fakultativ kohlenmonoxidverwertende (carboxyotrophe) Bakterien wie Oligotropha carboxidovorans und Hydrogenophaga pseudoflava, die das Enzym Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) nutzen, um erst Kohlendioxid zu bilden, das sie anschließend konventionell mittels RuBisCO fixieren (vgl. Energie- und Kohlenstoffquelle kohlenstoffmonoxidverwertender Bakterien), kommen sie mit den niedrigen Konzentrationen im Meerwasser aus, die hier vor allem durch abiotischen Abbau organischer Substanz entstehen. Die Bakterien der Roseobacter- Gruppe gewinnen aus der Oxidation von Kohlenmonoxid ausschließlich Energie, den Kohlenstoff zum Aufbau von Biomasse müssen sie durch heterotrophe Ernährung, also Aufnahme von Biomasse, decken. Diese bisher unbekannte, aber im Meerwasser individuenreich auftretende Bakteriengruppe ist zum Beispiel für die Modellierung des globalen Kohlenstoffzyklus bedeutsam.

Beispiele für chemolithotrophe Lebewesen

e−- Donor	e−- Acceptor	End- produkt(e)	Typ	Beispiel
CO	O2	CO2	Aerobe carboxydotrophe Bakterien	Bradyrhizobium japonicum, Oligotropha carboxidovorans, Bacillus schlegelii
CO	H2O	H2 + CO2	Hydrogenogene Bakterien	Carboxydothermus hydrogenoformans
Fe2+	O2 + H+	Fe3+ + H2O	Eisenoxidierende Mikroorganismen	Gallionella ferruginea, Sulfolobus acidocaldarius, Acidithiobacillus ferrooxidans
H2	O2	H2O	Knallgasbakterien	Cupriavidus metallidurans, Cupriavidus necator, Aquifex aeolicus
H2	CO2	CH4 + H2O	Methanbildende Archaeen	Methanobacterium, Methanococcus, Methanosaeta, Methanospirillum
H2	SO42−	H2S + H2O	H2-oxidierende Desulfurikanten	Desulfobacteraceae, Desulfovibrio desulfuricans
HPO32−	SO42−	HPO42− + H2S		Desulfotignum phosphitoxidans
NH3	O2	NO2− + H2O	Ammoniakoxidierende Bakterien	Nitrosomonas
NH3	NO2−	N2 + H2O	Anammox-Bakterien	Planctomycetes
NO2−	O2	NO3−	Nitritoxidierende Bakterien	Nitrobacter
S0	O2	SO42−	Schwefeloxidierende Bakterien	Chemotrophe Rhodobacteraceae Thiotrichales und Acidithiobacillus thiooxidans
S0	NO3−	SO42− + N2	Schwefeloxidierende, denitrifizierende Bakterien	Thiobacillus denitrificans
S2−	O2 + H+	S0 + H2O	Halophile sulfidoxidierende Bakterien	Halothiobacillaceae
S2−	NO3−	S0 + NH3	Sulfidoxidierende, denitrifizierende Bakterien	Thiomargarita namibiensis

Siehe auch

• Stoff- und Energiewechsel
• Chemotrophie