Achromatium oxaliferum

[Carsten Wieczorrek]

Hallo,
eigentlch wollte ich endlich mein Blitzgerät im Amplival-Fuss ausprobieren und habe dazu eine Schlamm-Probe aus meinem Gartenteich gezogen. Darin habe ich aber nichts interessantes gefunden, jedenfalls nichts, das langsam genug für ein Foto war. Wie es dann so kommt, die Probe bleibt auf dem Tisch stehen und gammelte vor sich hin. Nach 7 Tagen hat sich auf dem braunen Schlamm ein weisser Belag oder Teppich gebildet, siehe Bild 1 (von oben in das Marmeladenglas):

Bild 1 : weisser Bakterien-Rasen im Probenglas



Der Teppich bedeckt die ganze Schlammfläche des Probenglases, ist etwa 0,5 mm dick und so fest, dass man bei vorsichtigem Ansaugen mit einer Pipette den Teppich anheben kann. Es hat sich also ein Bakterien-Rasen gebildet. Und das erfreulicher Weise ohne Geruchsbildung! Was bietet sich besseres an, als diesen Bakterien-Rasen mal zu mikroskopieren? Zu meiner Überrraschung entpuppte sich der Rasen als Reinkultur von Achromatium oxaliferum. Keine anderen Bakterien zu finden, keine Ciliaten, keine Amöben, keine Rädertiere, keine Würmer. Also wurde es Zeit, sich einmal mit diesem interessanten Lebewesen zu beschäftigen. Ein Mitglied dieses Forums ist ja quasi international anerkannte Fachkraft für dieses Bakterium, vielleicht wird der mich hier berichtigen oder ergänzen, wo nötig.


Allgemeines
Das Baktrium Achromatium oxaliferum wurde 1893 das erste mal beschrieben. Es ist das größte bekannte Süßwasserbakterium. Nur im Meer gibt es noch größere Bakterien (1), z. B. das erst 1999 vor der Küste Namibias gefundene Thiomargarita namibiensis mit einer Größe von bis zu 750 µm und das im Darm von Doktorfischen vorkommende Epulopiscium fishelsoni mit einer Größe von 30 - 600 µm. Achromatium oxaliferum ist also vermutlich das drittgrößte Bakterium der Welt und das kleinste Bakterium, dass noch mit bloßem Auge gesehen werden kann. Nach (2) wird es wie folgt in die belebte Natur eingeordnet:

Classification : Biota Bacteria (Kingdom) Proteobacteria (Phylum) Gammaproteobacteria (Class) Thiotrichales (Order) Thiotrichaceae (Family) Achromatium (Genus)

Dabei gibt es gegenwärtig nur 1 Art in der Gattung Achromatium: oxaliferum. Gegenwärtig wird eine zweite Art palustre diskutiert(3), ein Meerwasservertreter.
Das Bakterium erreicht nach Literatur Größen von ca. 5 µm Durchmesser und 100 µm Länge. Ich habe Durchmesser um 25 µm und Längen um die 40 µm gemessen. Teilungsstadien werden deutlich länger. Im Gegensatz zu seinem Namen "oxaliferum" lagert es keine Oxalsäure ein, wie sein Entdecker Schewiakoff geglaubt hat, sondern Calcit (dazu später mehr, ich werde hier nur noch "Kalk" schreiben). Laut Literatur (4) liegen die Kalk-Körper dabei nicht "lose" im Zellinneren herum, sondern werden von eigenen Membranen umgeben. Neben der Größe des Bakteriums sind es diese hochbrechenden, reflektierenden Kalkteilchen, die für die Sichtbarkeit mit dem Auge verantwortlich sind: bei richtiger Beleuchtung glitzern die Bakterien. Weiter sind diese Teilchen auch für den deutschen Namen des Bakteriums verantwortlich: farbloses Kalkbakterium.

Das Bakterium gehört zu den Schwefelbakterien und lebt in der obersten ca. 1 cm Schicht des Faulschlamms aller Seen, also genau an der Grenze zwischen sauerstoffhaltig/sauerstoff-frei. Es verstoffwechselt Schwefelwasserstoff über die Zwischenstufe elementarer Schwefel bis zur Schwefelsäure, also von der Oxidationsstufe S2- bis zu S+6. Für die Oxidation kann das Bakterium auf Nitrat zurückgreifen aber auch Sauerstoff direkt veratmen (5). Dabei wird der Schwefel als Zwischenprodukt in Form kleiner Kügelchen zwischen den Kalkteilchen im Zellinneren eingelagert. Trotz seiner Größe und des Schwefelgehaltes wird auch dieses Bakterium von großen Cilliaten und Mehrzellern gefressen und sogar von Pilzen befallen (6). Bild 2 zeigt ein Bakterium im Hellfeld, aufgenommen mit dem Apo 100/1,4.

Bild 2 : Achromatium oxaliferum im Hellfeld, Kalk- und Schwefelteilchen sind markiert



Eine weitere Besonderheit des Bakteriums ist, dass es mehrere hundert (7, 8, 9) komplette, aber unterschiedliche Genomsätze mit sich herum trägt. Diese vielen Genome sind wohl in allen bisher untersuchten Achromatium nachgewiesen worden. Achromatium oxaliferum ist damit hochgradig polyploid, eine Eigenschaft, die auch auf Thiomargarita namibiensis und Epulopiscium fishelsoni (hier sollen es bis zu 200000 Genome sein (9)) zutrifft und mit dem Riesenwachstum in Verbindung zu stehen scheint. Polyploid nennt man Bakterien, wenn sie mehr als 11 Genomsätze besitzen.


Kultur des Bakteriums
Nach allen Schriften, die ich gesichtet habe, wie (10), kann das Bakterium bis heute nicht kultiviert werden. Vermutlich ist damit gemeint, dass man es nicht auf einer Agarplatte oder in einem Nährmedium züchten kann. In meinem Schlammglas wächst es jedenfalls gut.


Bestimmung des Durchmessers
Da ich mehrere unterschiedliche und teilweise wiedersprüchliche Angaben über den Durchmesser von Achromatium oxaliferum gefunden habe, habe ich einfach mal nachgemessen. Zur Anwendung kommt die hier https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=36327.msg266081#msg266081 vorgestellte Methode der "Messung kleiner lateraler Abstände" durch totale Bildaufspaltung mit dem Interphako-Mikroskop (11):


Bild 3a : Achromatium oxaliferum im Shearing-Verfahren bei 551 nm



Bild 3b : Achromatium oxaliferum im Shearing-Verfahren mit Bildaufspaltung



Bild 3c : Interferenzmuster in der Austrittspupille



Für einen Zelldurchmesser wurden (exemplarisch) 39,5 Interferenzstreifen auf 4,5 mm gezählt, das ergibt einen Durchmesser von D =  29 µm für das gezeigte Bakterium. Messungen an einen Kalkkörper ergaben einen Durchmesser von D = 7,9 µm und für ein Schwefelkörnchen wurden 0,8 µm ermittelt.


Beweglichkeit
Achromatium oxaliferum gehört zu den Bakterien, die sich aktiv bewegen können. Eigene Beobachtungen zeigen langsame schiebende und rollende Bewegungen. Ich habe eine Quelle gefunden (12), die davon berichtet, dass sich junge bzw. kleine Exemplare auch schnell mit Hilfe einer körperlangen Geissel vorwärts bewegen können. Beobachten konnte ich das nicht, aber man kann ja mal im Phasenkontrast nachschauen, siehe Bild 4:


Bild 4 : Achromatium oxaliferum im (strengen) farbigen Phasenkontrast



Ich habe etwa 50 Exemplare beobachtet und bei keinem eine Geissel gefunden. Das muss aber nichts bedeuten: wenn die Bakterien mehrere hundert Genomsätze mit sich herum tragen, können die, entsprechende Umweltbedingungen vorrausgesetzt, bestimmt Geisseln ausbilden. In meinem Teich brauchen die halt keine. Die Beobachtung von Geisseln wurde 1903 in Plöner Torfmooren gemacht. Das wäre doch mal eine Aufgabe für unsere nordischen Mitglieder.


Fluoreszenz-Mikroskpie
Da das Bakterium als Prokaryont keinen Zellkern besitzt, muss diese Masse an Erbgut irgendwo zwischen den Kalkteilchen herum liegen. Das kann man sich ja mal fluoreszenz-miroskopisch ansehen. Als Fluoreszenz-Fabstoffe stehen mir Acridinorange, Primulin, Coriphosphin, Auramin-o, Acriflavin, Rhodamin B sowie Rhodamin 6G zur Verfügung. Beleuchtet wurde in Auflicht-Fluoreszenz mit einer 3 Watt 430 nm LED unter Verwendung des CZJ Filterwürfels 550-3. Aufgenommen wurden die Bilder mit dem Apo 100/1,4 und einer Sony alpha. Die Belichtungszeiten lagen zwischen 1 und 3,2 sec. bei einer ASA Einstellung zwischen 400 und 1000. Die Bilder wurden nachbearbeitet mit Helicon Filter.

Mit den beiden Rhodaminen konnten keine Strukturen des Bakteriums gefärbt werden, da blieb alles dunkel. Mit Coriphosphin und Primulin konnte ich keine vorzeigbaren Bilder gewinnen.

Bild 5 zeigt eine Aufnahme eines Bakteriums, das vital mit Acridinorange gefärbt wurde.



Acridinorange ist als DNA-Marker bekannt. Die Färbung ist über das ganze Bakterium verteilt. Die Kalkteilchen fallen als dunkle Bereiche auf. Einzelne DNA-reiche Stellen fallen als kleine Knoten auf.


Weiter konnte ich mit Acriflavin und Auramin-o starke Fluoreszenz beobachten, die offensichtlich die gleichen Strukturen gefärbt haben, wie das Acridin Orange. Als Kern- oder DNA Farbstoff sind sie wohl nicht berühmt, liefern hier aber vergleichbare Ergebnisse, siehe die Bilder 6 und 7:


Bild 6 : Achromatium oxaliferum in Auflicht-Fluoreszenz 430 nm, Acriflavin



Bild 7 : Achromatium oxaliferum in Auflicht-Fluoreszenz 430 nm, Auramin-o



Leider konnte ich mit den mir zur Verfügung stehenden Farbstoffen die inneren Membranen (4) nicht zeigen, dazu aber weiter unten mehr. Da werde ich mir wohl etwas Nile Red besorgen müssen (Wow! 280 EUR für 25 mg).


Kristallographie
In den von mir gelesenen Publikationen wird bezüglich der Kalkteilchen meißt Calcit als Material angegeben. Wie das ermittelt wurde, konnte ich nicht herausfinden. Meines Wissens nach besteht ein wesentlicher Teil des biogen gebildeten Kalkes (Muschelschalen, Perlen etc) aus Aragonit. Aragonit könnte durch seine oft (aber nicht immer) vorkommende Autofluoreszenz erkannt werden. Also zeige ich hier mit Bild 8 eine Fluoreszenz-Aufnahme ohne Farbstoff, belichtet mit einer 365 nm LED und dem Filterwürfel 450 (ohne die -3).


Bild 8 : Achromatium oxaliferum in Auflicht-Fluoreszenz 365 nm, ohne Farbstoff



Zu meiner Überraschung zeigt das Bakterium selber Autofluoreszenz, die Kalkpartikel aber nicht. Man kann hier sogar die inneren Membranen erkennen, die ich mit Acridin Orange nicht darstellen konnte. Auch die Schwefelkörnchen scheinen zu fluoreszieren. Auf Aragonit-Kristalle deutet das nun nicht eindeutig hin, Aragonit kann aber auch nicht ausgeschlossen werden. Da man aber die Membranen recht gut erkennen kann, kann ich mir wohl die 280 EUR für das Nile Red sparen. Ist es in dem Zusammenhang vielleicht Möglich, dass die Kalkpartikel dem Bakterium als Lichtschutz dienen? Zumindest den oberflächennahen Individuen? Wenn man bedenkt, dass viele Cilliaten schon nach 10 sek. Blaulicht-Bestrahlung platzen, kann man diese Dinger 10 min. lang mit 365 nm braten, und da passiert nichts. Gut, das die nicht zu den pathogenen Keimen gehören (Einstufung nach Bundesanstalt für Arbeitsschutz in Risikogruppe 1 = ungefährlich (13)), die einfache UV-Desinfektion wird da wohl nicht funktionieren. In den Publikationen wurden hauptsächlich Säureschutz und Trimm-Körper (Auftrieb bzw. Abtrieb) diskutiert sowie eine Rolle im Schwefel-Stoffwechsel.

Man kann (4) Achromatium mit verdünnten Säuren (HCl oder Essigsäure) oder auch EDTA-Lösung behandeln. An entsprechenden Experimenten arbeite ich noch. Dabei lösen sich die Teilchen auf. Die Bakterien überleben das und bleiben auch bewegungsfähig.

Egal ob Calcit oder Aragonit, beide sind nicht kubisch und bei einer willkürlichen Verteilung vieler Kristalle sollte man bei gekreuzten Polfiltern schöne Lichteffekte sehen und bei Verwendung eines ROT I Plättchens auch alle psychedelischen Farben. Siehe Bild 9.


Bild 9 : Achromatium oxaliferum, Durchlicht, zu 95% gekreuzte Polarisatoren



Wie heißt es so schön: Und wie Sie sehen, sehen Sie nichts! Bei vollständiger Kreuzung der Filter liefert meine Sony nur ganz schwarze Bilder. Als Kristall kann der Kalk hier also nicht vorliegen. Ich habe eine Publikation gefunden (3), die besagt, dass die Kalkkörner aus kolloidem Kalk gebildet werden. Das könnte das Ausbleiben der Pol-Effekte erklären.

Zum Schluss machen wir es doch noch einmal bunt, ein Achromatium oxaliferum im Interphako-Kontrast:

Bild 10 : Achromatium oxaliferum im Interphako-Kontrast



Schöne Grüße und bleibt gesund,
Carsten


Quellen

1) Britanica
https://www.britannica.com/science/bacteria/Diversity-of-structure-of-bacteria#ref463529

2) World Regisster of Marine Species
http://www.marinespecies.org/aphia.php?p=taxdetails&id=570905

3) Insights into the single cell draft genome of "Candidatus Achromatium palustre"
Verena Salman, Tom Berben, Robert M. Bowers, Tanja Woyke, Andreas Teske, Esther R. Angert
Genomic Sciences (2016) 11:28
https://epic.awi.de/id/eprint/49080/1/Salman_et_al_2016.pdf

4) Cell Architecture of the Giant Sulfur Bacterium Achromatium oxaliferum: Extra-cytoplasmic Localization of Calcium Carbonate Bodies
Sina Schorn, Verena Salman-Carvalho, Sten Littmann, Danny Ionescu, Hans-Peter Grossart, Heribert Cypionka
FEMS Microbiology Ecology, Volume 96, Issue 2, February 2020
https://academic.oup.com/femsec/article/96/2/fiz200/5686722

5) Intracellular calcite and sulfur dynamics ofAchromatiumcells observed in a lab-based enrichment and aerobicincubation experiment
Tingting Yang, Andreas Teske, Wallace Ambrose, Verena Salman-Carvalho, Robert Bagnell, Lars Peter Nielsen
Antonie van Leeuwenhoek (2019) 112:263–274
https://link.springer.com/article/10.1007/s10482-018-1153-2

6) A Crispy Diet: Grazers of Achromatium oxaliferum in Lake Stechlin Sediments
Sina Schorn, Heribert Cypionka
Microbial Ecology (2018) 76:584–587
https://link.springer.com/article/10.1007/s00248-018-1158-4[/url]

7) Riesenbakterium enthält Erbgut für eine ganze Bevölkerung
https://www.igb-berlin.de/news/riesenbakterium-enthaelt-erbgut-fuer-eine-ganze-bevoelkerung


Community-like genome in single cells of the sulfur bacterium Achromatium oxaliferum
Danny Ionescu, Mina Bizic-Ionescu, Nicola De Maio, Heribert Cypionka, Hans-Peter Grossart
Nat. Commun. 8, 455 (2017)
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00342-9#citeas

9) Extreme polyploidy in a large bacterium
Jennifer E Mendell, Kendall D Clements, J Howard Choat, Esther R Angert
Proc Natl Acad Sci U S A, 2008 May 6;105(18)
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18445653/--=ixed 004EFA2FC1258640_=

10) Achromatium oxaliferum Understanding the Unmistakable
Ian M. HeadNeil D. GrayRichard HowarthRoger W. PickupKen J. ClarkeJ. Gwyn Jones
Advances in Microbial Ecology. Advances in Microbial Ecology, vol 16. Springer, Boston
https://doi.org/10.1007/978-1-4615-4187-5_1

11) Theorie und Praxis der Interferenzmikroskopie
H. Beyer
Akademische Verlagsgesellschaft Leipzig 1974, S. 126-129

12) Zur Kenntnis von Achromatium oxaliferum
Otto Zacharias
Biologisches-Centralblatt 23, 1903, 542 - 543
https://www.zobodat.at/pdf/Biologisches-Centralblatt_23_0542-0543.pdf--=ixed 005103B6C1258641_=

13) TRBA 466, Einstufung von Prokaryonten (Bacteria und Archaea) in Risikogruppen
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin
http://regelwerke.vbg.de/vbg_trba/trba466/trba466_4_.html

[limno]

Guten Abend Carsten,
meine herzlichsten Glückwünsche zu diesem tollen Fund! 
Heinrich

[Dünnschliffbohrer]

Hallo Carsten,
auch von mir herzlichen Dank für diesen interessanten Beitrag! Der mikrobielle Schwefelkreislauf ist eine sehr interessante Angelegenheit, aber die Bakterien selbst bekommt man ja zwischen den Sandkörnern und Sedimentpartikeln nur selten mal zu Gesicht. Falls es dich oder jemand anderes hier im Forum interessiert, hier noch der Hinweis auf ein spannend zu lesendes allgemeinverständliches Buch zu diesem Thema, welches aber leider nur auf Englisch vorliegt: David Rickard, Pyrite, the natural history of fool´s gold. Oxford University Press, 2015, ISBN 978-0-19-020367-2.

[Heribert Cypionka]

Hallo Carsten,

sehr schöner Fund und gute Beschreibung! Als Ergänzung vielleicht noch ein Link zu dem wunderbaren Video von Bernard Jenni:
https://www.youtube.com/watch?v=Qioj2w_SRUg

Mit bestem Gruß
Heribert

[Holger Adelmann]

Hallo Carsten,

toller Fund, habe ich noch nie gesehen.
Was macht das "Ding" mit dem ganzen Ca-Carbonat???
Ich denke, irgendwann wird das an der wachsenden Menge zugrunde gehen ...?

Grüße,
Holger