Methylomirabilis

Candidatus Methylomirabilis ist eine Kandidatengattung gramnegativer Bakterien, in der Klade A des vor­ge­schla­genen Phylums NC10. Dieses ist Mitglied oder Schwester­phylum der „Rokubacteria“.

Methylomirabilis
TEM-Aufnahme von gefriergetrockneten Methylomirabilis-Zellen im Dünnschnitt; Balken 200nm.
Systematik
Domäne: Bakterien (Bacteria) ohne Rang: Rokubacteria Abteilung: NC10 Ordnung: Methylomirabilales Familie: Methylomirabilaceae Gattung: Methylomirabilis
Wissenschaftlicher Name
Methylomirabilis
Ettwig et al., 2010

Als Ordnung der Gattung Methylomirabilis innerhalb des Phylums NC10 wurde der Name „Methylomirabilales“ vorgeschlagen, als Familie Methylomirabilaceae.

Typusgattung ist Ca. M. oxygeniifera Ettwig et al. 2010 syn. Ca. M. oxygeniifera corrig. Ettwig et al. 2010.

Diese Bakterien zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, anaerobe Methanoxidation mit Nitritreduktion in anoxischen Umgebungen zu koppeln. Um den Sauerstoff für die Methanoxidation zu erhalten, nutzt M. oxyfera einen intra-aeroben Weg per Reduktion von Nitrit (NO₂) zu Distickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂).

CLSM-Aufnahme (a) und Schemazeichnung (b) von NC10-Bakterien (Ca. M. sinica) und anderen Bakterien in der Kultur. Die NC10-Bakterien erscheinen gelb, andere Bakterien grün.
(a) Gelbe Pfeile zeigen auf Mikrokolonien.
(b) Die Schemazeichnung wurde auf der Grundlage des CLSM-Bildes links vorgeschlagen. Balken 20 μm.

Der Stamm mit dem vorgeschlagenen Speziesnamen Ca. M. sinica bildet Mikrokolonien. Die Bakterien selbst sind offenbar Stäbchen mit einem polygonalen Querschnitt, ebenso wie Ca. M. oxyfera.

Etymologie

Der Name setzt sich zusammen aus dem Präfix „methylo“ (was Bezug nimmt auf die verstoffwechselte Methylgruppe) und der Endung „mirabilis“ (lateinisch für erstaunlich, seltsam).

Anreicherung

Durch den Einsatz von elektronenmikroskopischer Techniken wurden angereicherte Zellen der Typusspezies Ca. M. oxyfera mit einer spezifischen polygonalen Zellform identifiziert. Im Gegensatz zu methanotrophen Proteobakterien weisen die M. oxyfera-Zellen keine (jedenfalls unter Laborbedingungen) keine Membranen innerhalb des Zellplasmas (intrazytoplasmatische Membranen) auf. Die optimalen Wachstumsbereiche für Ca. M. oxyfera liegen zwischen pH 7–8 und 25–30 °C. Die Zellhüllen von Ca. M. oxyfera sind Gram-negativ und haben einen Durchmesser von i. a. 0,25–0,5 μm bei einer Länge von 0,8–1,1 μm.

Methan-Oxidation

→ Hauptartikel: Anaerobe Methanoxidation#Methanoxidation mit Nitrit

Ca. M. oxyfera hat die Fähigkeit, Stickstoffoxid in Sauerstoff und Stickstoffgas zu disproportionieren. Dieser intermediäre Sauerstoff wird dann bei der Oxidation von Methan zu Kohlendioxid verwendet.

Umweltbedeutung

Ca. M. oxyfera wurde in verschiedenen Umgebungen gefunden, darunter in den Böden von Reisfeldern in China, in mehreren Fluss- und Seesedimenten, und in Abwasserschlamm in den Niederlanden.

Allgemein bewohnt Ca. M. oxyfera vermutlich Umgebungen mit hohen Stickstoff- und Methankonzentrationen im Übergangsbereich von oxischen und anoxischen Zonen. Man nimmt an, dass Ca. M. oxyfera und ähnliche Organismen signifikant zu den globalen Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufen beitragen. Diese Organismen könnten auch eine Rolle bei der Reduzierung der Nährstoffbelastung in Süßwasser-Ökosystemen spielen, die mit Düngemitteln kontaminiert wurden.

Bakteriophagen

Bakteriophagen (Bakterienviren), die Ca. „Methylomirabilis“ (Ca. „M. oxyfera“ und eine weitere Spezies) infizieren, wurden 2016 von Lavinia Gambelli und Kollegen untersucht. Es wurden mehrere Phagen mit Kopf-Schwanz-Aufbau wie bei den Myoviren (Klasse Caudoviricetes) identifiziert, sowie ein schwanzloser Phage mit ikosaedrischem Kapsid. Bakteriophagen können auch in Bioreaktor-Anreicherungsanlagen schwerwiegende Auswirkungen auf die Bakterienpopulationen haben, was bei einer Anwendung der Mikroorganismen (z. B. in Abwasseraufbereitungsanlagen) berücksichtigt werden muss.

Mikrotomographie und Rekonstruktion freier und intrazellulärer Phagen von Ca. „Methylomirabilis“.

TEM-Aufnahmen von Ca. „Methylomirabilis“-Zellen, infiziert (weiße Pfeile) und nicht-infiziert (schwarze Pfeile); rechte Spalte: Ausschnittsvergrößerungen.

TEM-Aufnahme von gefriergetrockneten Ca. „Methylomirabilis“-Zellen. (A) rechts: infizierte, links: nicht-infizierte Zelle. (B) Die Ausschnittsvergrößerung zeigt Details des Phagen-Kapsids.

Systematik

Zur Kandidatengattung Ca. „Methylomirabilis“ gehören nach der List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN) und dem National Center for Biotechnology Information (NCBI) folgende Spezies:

• „Ca. M. lanthanidiphila“ Versantvoort et al. 2018, syn. „Ca. M. sp. lanth“
• „Ca. M. Methylomirabilis limnetica“ Graf et al. 2018, syn. „Ca. M. sp. Zug“ – im Zugersee, Schweiz
• „Ca. M. oxygeniifera“ corrig. Ettwig et al. 2010 Typus, syn. „Ca. M. oxyfera“ Ettwig et al. 2010 (orthografische Variante), veraltet: „NC10 bacterium 'Dutch sediment'“

CLSM-Aufnahmen von Mikrokolonien von NC10-Bakterien („Candidatus Methylomirabilis sinica“). Die NC10-Bakterien erscheinen gelb; die dichte Materie, die die Mikrokolonien umgibt, ist durch weiße Pfeile gekennzeichnet. Balken 5 μm.

Nur beim NCBI sind gelistet:

• „Ca. M. sinica“ He et al. 2016 – inklusive Stamm RS1
• „Ca. M. sp. BIN6“
• „Ca. M. sp. MW5-17“
• „Ca. M. sp. RS2“
• „Ca. M. sp. RS3“

Anmerkungen

1. manchmal verschrieben als Methylomirabilish oder Methylomirabils (LPSN)

Einzelnachweise

1. Lavinia Gambelli, Geert Cremers, Rob Mesman, Simon Guerrero, Bas E. Dutilh, Mike S. M. Jetten, Huub J. M. Op den Camp, Laura van Niftrik: Ultrastructure and Viral Metagenome of Bacteriophages from an Anaerobic Methane Oxidizing Methylomirabilis Bioreactor Enrichment Culture, in: Frontiers in Microbiology, Band 7, S. 1740, 8. November 2016, doi:10.3389/fmicb.2016.01740, ISSN 1664-302X
2. Natalie Ju​ne Gayner: River Bank Inducement Influence on a Shallow Groundwater Microbial Community and Its Effects on Aquifer Reactivity, Dissertation an der University of Wisconsin-Milwaukee (UWM), Dezember 2018. Insbes. APPENDIX D: W12 UNIQUE DNA AND RNA TAXA SPECIALISTS, Table 26: Unique W12 Specialists from DNA and RNA CLAM Results.
3. LPSN: Genus "Candidatus Methylomirabilis"
4. NCBI: "Candidatus Methylomirabilis" Ettwig et al. 2010 (genus); graphisch: Candidatus Methylomirabilis, auf: Lifemap, NCBI Version.
5. Natascha Menezes Bergo, Amanda Gonçalves Bendia, Juliana Correa Neiva Ferreira, Bramley J. Murton, Frederico Pereira Brandini, Vivian Helena Pellizari: Microbial Diversity of Deep-Sea Ferromanganese Crust Field in the Rio Grande Rise, Southwestern Atlantic Ocean, in: Environmental Microbiology, 16. Januar 2021, doi:10.1007/s00248-020-01670-y. Freier Preprint:
   • Natascha Menezes Bergo, Amanda Gonçalves Bendia, Juliana Correa Neiva Ferreira, Bramley Murton, Frederico Pereira Brandini, Vivian Helena Pellizari: Microbial Diversity of Deep-Sea Ferromanganese Crust Field in the Rio Grande Rise, Southwestern Atlantic Ocean, auf: bioRxiv, 13. Juni 2020, doi:10.1101/2020.06.13.150011
6. Léa Cabrol et al.: Anaerobic oxidation of methane and associated microbiome in anoxic water of Northwestern Siberian lakes, in: Science of The Total Environment, Band 736, 20. September 2020, 139588, doi:10.1016/j.scitotenv.2020.139588. Abschnitt 3.3
7. LPSN: Species "Candidatus Methylomirabilis oxyfera" und Species "Candidatus Methylomirabilis oxygeniifera"
8. Katharina F. Ettwig, Margaret K. Butler, Denis Le Paslier, Eric Pelletier, Sophie Mangenot, Marcel M. M. Kuypers, Frank Schreiber, Bas E. Dutilh, Johannes Zedelius, Dirk de Beer, Jolein Gloerich: Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria. In: Nature. 464. Jahrgang, Nr. 7288, März 2010, ISSN 1476-4687, S. 543–548, doi:10.1038/nature08883, PMID 20336137 (englisch, nature.com). 
9. Mohamed F. Haroon, Shihu Hu, Ying Shi, Michael Imelfort, Jurg Keller, Philip Hugenholtz, Zhiguo Yuan, Gene W. Tyson: Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage. In: Nature. 500. Jahrgang, Nr. 7464, August 2013, ISSN 1476-4687, S. 567–570, doi:10.1038/nature12375, PMID 23892779 (englisch, nature.com).  Siehe insbes. Fig. 1.
10. Ming L. Wu, Katharina F. Ettwig, Mike S. M. Jetten, Marc Strous, Jan T. Keltjens, Laura van Niftrik: A new intra-aerobic metabolism in the nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing bacterium Candidatus 'Methylomirabilis oxyfera'. In: Biochemical Society Transactions. 39. Jahrgang, Nr. 1, 1. Februar 2011, ISSN 0300-5127, S. 243–248, doi:10.1042/BST0390243, PMID 21265781 (englisch, portlandpress.com). 
11. Zhanfei He, Chaoyang Cai, Jiaqi Wang, Xinhua Xu, Ping Zheng, Mike S. M. Jetten, Baolan Hu: A novel denitrifying methanotroph of the NC10 phylum and its microcolony, in: Scientific Reports, Band 6, Nr. 32241, 1. September 2016, doi:10.1038/srep32241
12. Ming L. Wu, Muriel C. F. van Teeseling, Marieke J. R. Willems, Elly G. van Donselaar, Andreas Klingl, Reinhard Rachel, Willie J. C. Geerts, Mike S. M. Jetten, Marc Strous, Laura van Niftrik: Ultrastructure of the Denitrifying Methanotroph "Candidatus Methylomirabilis oxyfera," a Novel Polygon-Shaped Bacterium. In: Journal of Bacteriology. 194. Jahrgang, Nr. 2, 15. Januar 2012, ISSN 0021-9193, S. 284–291, doi:10.1128/JB.05816-11, PMID 22020652, PMC 3256638 (freier Volltext) – (englisch). 
13. Zhanfei He, Chaoyang Cai, Jiaqi Wang, Xinhua Xu, Ping Zheng, Mike S. M. Jetten, Baolan Hu: A novel denitrifying methanotroph of the NC10 phylum and its microcolony. In: Scientific Reports. 6. Jahrgang, Nr. 1, Oktober 2016, ISSN 2045-2322, S. 32241, doi:10.1038/srep32241, PMID 27582299, PMC 5007514 (freier Volltext) – (englisch). 
14. Li-Dong Shen, Zhan-Fei He, Qun Zhu, Dong-Qing Chen, Li-Ping Lou, Xiang-Yang Xu, Ping Zheng, Bao-Lan Hu: Microbiology, ecology, and application of the nitrite-dependent anaerobic methane oxidation process. In: Frontiers in Microbiology. 3. Jahrgang, 2012, ISSN 1664-302X, S. 269, doi:10.3389/fmicb.2012.00269, PMID 22905032, PMC 3408237 (freier Volltext) – (frontiersin.org). 
15. Francisca A. Luesken, Theo A. van Alen, Erwin van der Biezen, Carla Frijters, Ger Toonen, Christel Kampman, Tim L. G. Hendrickx, Grietje Zeeman, Hardy Temmink, Marc Strous, Huub J. M. Op den Camp: Diversity and enrichment of nitrite-dependent anaerobic methane oxidizing bacteria from wastewater sludge. In: Applied Microbiology and Biotechnology. 92. Jahrgang, Nr. 4, November 2011, ISSN 0175-7598, S. 845–854, doi:10.1007/s00253-011-3361-9, PMID 21667086, PMC 3198195 (freier Volltext) – (englisch). 
16. Wouter Versantvoort, Simon Guerrero-Cruz, Daan R. Speth, Jeroen Frank, Lavinia Gambelli, Geert Cremers, Theo van Alen, Mike S. M. Jetten, Boran Kartal, Huub J. M. Op den Camp, Joachim Reimann: Comparative Genomics of Candidatus Methylomirabilis Species and Description of Ca. Methylomirabilis Lanthanidiphila. In: Frontiers in Microbiology. 9. Jahrgang, 2018, ISSN 1664-302X, S. 1672, doi:10.3389/fmicb.2018.01672, PMID 30140258, PMC 6094997 (freier Volltext) – (englisch). 
17. Jon S. Graf, Magdalena J. Mayr, Hannah K. Marchant, Daniela Tienken, Philipp F. Hach, Andreas Brand, Carsten J. Schubert, Marcel M. M. Kuypers, Jana Milucka: Bloom of a denitrifying methanotroph, ‘Candidatus Methylomirabilis limnetica’, in a deep stratified lake, in: sfam environmental biology, Band 20, Nr. 7, Juli 2018, S. 2598–​2614, doi:10.1111/1462-2920.14285