Dehalobacter

Dehalobacter-Stämme sind beweglich, die Zellen sind kurze Stäbchen mit einem Durchmesser von etwa 0,5 μm und einer Länge von ca. 2–3 μm. Die Zellwand von Dehalobacter restrictus Stamm PER-K23 enthält den Peptidoglykantyp A3γ, wie er bei bestimmten Gruppen eindeutig grampositiver Bakterien vorkommt, was auf eine phylogenetische Verwandtschaft zwischen Dehalobacter und grampositiven Bakterien hindeutet. Der Peptidoglykantyp A3γ besteht aus L-Alanin, D-Glutaminsäure, LL-Diaminopimelinsäure und Glycin. Es ist zwischen den Positionen 3 und 4 durch ein Glycin als interpeptidische Brücke vernetzt. Die LL-Diaminopimelinsäure wurde auch in dem Stamm Desulfitobacterium sp. PCE1 nachgewiesen. Der Peptidoglykantyp wurde in letzterem jedoch nicht identifiziert. Die Zellen vom Stamm PER-K23 enthalten Cytochrome vom b-Typ und Menachinone, insbesondere MC-7 und MC-8, aber auch etwas MC-6 und MC-9.^[1]

Obwohl die Zellen von Dehalobacter gramnegativ sind, zeigte die Elektronenmikroskopie von Schnitten keine äußere Membran, sondern eine S-Schicht. Gefrierätzpräparate zeigten eine hexagonale Struktur auf der Zelloberfläche, die vermutlich durch Proteine der S-Schicht verursacht wird.^[2]

Die Stämme von Dehalobacter sind chemolithoheterotroph, sie nutzten ausschließlich Wasserstoff (H₂) als Elektronendonor und Chlorverbindungen wie Tetra- oder Trichlorethen als terminale Elektronenakzeptoren. Als Produkt wird von Dehalobacter restrictus wird cis-1,2-Dichlorethen (cDCE) gebildet und Chlor als Anion (Cl^-) abgegeben. Acetat dient als Kohlenstoffquelle.^[2]

Dehalobacter-Stämme zählen somit zu den Organohalogenid-Atmern. Diese Bakterien „atmen“ also halogenierte organische Moleküle (Organohalogenide oder Organohalogene genannt) ähnlich wie der Mensch Sauerstoff einatmet. Biochemisch gesehen nutzen Organohalogenid-Atmer Organohalogenide als terminale Elektronenakzeptoren in einer Atmungskette, die an den gerichteten Protonentransport durch die Zellmembran und die Energieerhaltung gekoppelt ist. Die benötigten Elektronen stammen bei Dehalobacter meist von molekularem Wasserstoff. Dabei werden die halogenierte Verbindungen reduziert, indem die Halogensubstituenten abgespalten und gleichzeitig Elektronen von dem gespalteten Wasserstoff hinzugefügt werden. Die reduktive Dehalogenierung wird durch membranassozierte Enzyme, den Dehalogenasen, katalysiert. Hierbei wird mit Hilfe einer ATPase ATP erzeugt. Die entfernten Halogensubstituenten werden als Anionen freigesetzt.^[3][4]

Je nach Stamm von Dehalobacter sind sie auf die Verwendung von nur ein oder zwei Organohalogeniden derselben chemischen Gruppe (d. h. aliphatischen oder aromatischen Organohalogeniden) beschränkt, einige Stämme können jedoch mehrere Verbindungen aus verschiedenen Gruppen verwerten. Zu den von Dehalobacter verwendeten Organohalogeniden gehören chlorierte Methanverbindungen, Ethan, Ethen, Cyclohexan, Benzol, Phenol und Phthalid. Die Stämme CF und DCA von Dehalobacter dechlorieren können zum Beispiel Chloroform (TCM) und Chlorethan nutzen.^[1]

Die meisten Stämme von Dehalobacter können ausschließlich molekularen Wasserstoff als Elektronendonator und Energiequelle nutzen, eine Ausnahme ist z. B. der Stamm TCA1, der zusätzlich Formiat verwerten kann. Die meisten Reinkulturen von Dehalobacter können organische Verbindungen nicht fermentieren und sind ausschließlich auf Organohalogenide als Elektronenakzeptoren angewiesen. Die meisten Dehalobacter- Stämme können maximal zwei verschiedene Organohalogenide derselben chemischen Gruppe, entweder aliphatische oder aromatische, verwenden. Die Stämme PER-K23 und TEA nutzen Perchlorethen (PCE) und Trichlorethen (TCE) als Elektronenakzeptoren und produzieren cis-1,2-Dichlorethen (cis-1,2-DCE), während der Stamm TCA1 1,1,1-Trichlorethan und 1,1-DCA verwendet und CA produziert.^{[1][5][6][7][8]}

Die Dehalobacter-Population in einer β-Hexachlorcyclohexan-dechlorierenden Kokultur dechlorierte auch die als Insektiziden genutzte Verbindung Lindan (γ-HCH) und α-Hexachlorcyclohexan (α-HCH).^[1][9] Bestimmte Dehalobacter -Stämme können unter neutralen pH-Bedingungen auch das Herbizid 2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure (2,4,5-T) innerhalb von 48 Tagen vollständig abbauen.^[10]

Ausnahmen von dieser ansonsten allgemeinen Fähigkeit von Dehalobacter bilden Stämme, die sowohl aromatische als auch Alken-Organohalogenide dechlorieren. Der Stamm TCP1 dechloriert neben Chlorphenolen auch PCE und TCE, die im Verhältnis 5,6:1 in cis-1,2-DCE und trans-1,2-DCE umgewandelt werden.^[1][11] Die Stämme 12DCB1 und 13DCB1 dechlorieren eine Vielzahl von Chlorbenzolen sowie PCE und TCE zu cis-1,2-DCE.^[1][12]

Stämme von Dehalobacter spp. besitzen eine unerwartet große Anzahl mutmaßlicher Reduktivdehalogenase-Gene (10–27 Paraloge) mit relativ hoher Diversität, mehrere Hydrogenasen unterschiedlicher Typen, einen aus 11 Untereinheiten bestehenden Atmungskomplex I sowie alle notwendigen Gene für den Wood-Ljungdahl-Weg und den Biosyntheseweg von Corrinoiden. Dehalobacter spp. scheint keinen anderen Atmungsprozess als die Organohalogenid-Atmung durchführen zu können. Daher scheinen der Wasserstoff- und der Kohlenstoffstoffwechsel komplexer zu sein als erwartet, und auch die beobachtete Beschränkung auf wenige Organohalogenide als Elektronenakzeptoren stellt möglicherweise nicht die tatsächlichen Dechlorierungsfähigkeiten von Dehalobacter-Stämmen dar, da sie zahlreiche (mutmaßliche) reduktive Dehalogenase-Gene in ihren Genomen besitzen.^[1]

Die in einem definierten Medium erforderlichen Wachstumsfaktoren für Dehalobacter restrictus sind Eisen(II), Thiamin, Cyanocobalamin, Arginin, Histidin und Threonin. Optimales Wachstum findet bei 25–35 °C und pH 6,8–7,6 statt.

Dehalobacter-Stämme wurden weltweit aus kontaminierten und auch unberührten Grundwasser, aus Sedimenten verschmutzter Flüsse und aus Schlamm von Kläranlagen isoliert. Fundorte liegen u. a. in China, Niederlande, Australien, Kanada und in den USA. Dies deutet auf ihre frühe Verbreitung als Gattung hin, obwohl sie mit den Halogeniden auf Elektronenakzeptoren angewiesen sind, die im Allgemeinen als anthropogen gelten und erst im 20. Jahrhundert in größeren Mengen gebildet wurden. Die anthropogene Kontamination von Land und Wasser mit halogenen Kohlenwasserstoffen durch die Herstellung und Verwendung von Pestiziden, Lösungsmitteln für die chemische Reinigung und ozonschädigenden Kältemitteln ist eine Gefahr für die möglichen Schädigung von Ökosystemen und der Gesundheit des Menschen.^[14][15][16] Zu den häufig gemeldeten anthropogenen halogenen Kohlenwasserstoffen gehören Hexachlorbenzol (HCB), Trichlormethan (TCM, auch als Chloroform bezeichnet), polychlorierte Biphenyle (PCBs), Perchlorethylen (PCE, auch als Tetrachlorethen bezeichnet), Trichlorethylen oder Trichlorethen (TCE), Trichlorethan (TCA, auch Trichloressigsäure genannt), Dichlorethan (DCA), polybromierte Diphenylether (PBDEs), chlorierte oder bromierte Phenole und Dioxine. Die starke ökologische Belastung durch die anthropogenen Halogenkohlenwasserstoffe hat dazu geführt, das zur reduktive Dehalogenierung fähigen Mikroben stark untersucht werden. Die bakterielle Dehalorespiration ist der wichtigste Prozess zur Entgiftung von chlorierten Kohlenwasserstoffen unter anaeroben Bedingungen.

Der Typstamm von D. restrictus, PER-K23, ist ausschließlich auf Perchlorethen (PCE) als Elektronenakzeptor angewiesen. PCE ist ein chloriertes Ethen unbekannter natürlicher Herkunft, dessen Produktion erst in den 1940er Jahren begann. Diese rasche Anpassung an neue Elektronenakzeptoren kann durch horizontalen Gentransfer (HGT) oder durch Duplikation und Diversifizierung von Reduktiven Dehalogenasen (RDasen) erfolgen. Die hohe Sequenzkonservierung des pceABCT-Genclusters von D. restrictus mit Sequenzen, die in verschiedenen Desulfitobacterium -Stämmen gefunden wurden, darunter die 1,2-Dichlorethan-reduktive Dehalogenase von Desulfitobacterium dichloroeliminans, lässt vermuten, dass hier horizontaler Gentransfer und eine Anpassung an andere Organohalogenide stattgefunden haben. Dieser Trend wurde durch die Identifizierung von drei rdhA- Genen aus einer Anreicherungskultur, die 1,2-Dichlorethan (1,2-DCA) dechlorierte und von Dehalobacter sp. Stamm WL dominiert wurde, weiter verstärkt. Alle drei Gene zeigten eine hohe Sequenzhomologie mit pceA von D. restrictus, und das Produkt eines von ihnen ist wahrscheinlich an der 1,2-DCA-Dechlorierung beteiligt.^[1] Dehalobacter restrictus PER-K23 wurde aus einem Festbettreaktor isoliert, der mit einer Mischung aus Sedimenten des Rheins und gemahlenem anaerobem Granulatschlamm gefüllt war – zwei Quellen für Umweltmikroorganismen, die zwar nicht als besonders unberührt, aber auch nicht als spezifisch mit chlorierten Verbindungen kontaminierte Umgebungen angesehen werden können. Auch der Stamm TCA1 von Dehalobacter sp. wurde aus Proben eines verschmutzten, aber nicht spezifisch mit Organohalogeniden kontaminierten Flusssediments isoliert. Der Stamm TEA von D. restrictus wurde aus einem Aktivkohlereaktor isoliert wurde, der von Bakterien besiedelt war, die aus einem mit Dichlormethan (DCM) kontaminierten Grundwasserleiter stammten. Ein weiterer Dehalobacter-Stamm wurde aus dem Faulschlamm einer industriellen Abwasserbehandlungsanlage angereichert, die wahrscheinlich Abwasser mit einer eher undefinierten Mischung verschiedener Schadstoffe reinigt. Schließlich wurden die Stämme 12DCB1 und 13DCB1 auch aus Proben einer Umgebung isoliert, die wahrscheinlich nicht spezifisch mit Organohalogeniden kontaminiert war, nämlich aus Sedimenten eines wassergesättigten Entwässerungsgrabens eines Standorts der chemischen Industrie.^[1]

Verschiedene Anreicherungskulturen, die Dehalobacter enthalten, wurden aus Material von Standorten gewonnen, die mit spezifischen chlorierten Verbindungen kontaminiert waren, hauptsächlich kontaminierte Böden und Grundwasserleiter. Andere Anreicherungskulturen wurden mit Material beimpft, das nicht spezifisch mit dem als Elektronenakzeptor im Kulturmedium verwendeten Organohalogenid kontaminiert war. Dehalobacter wurde zudem in mehreren Grundwasserleitern an Standorten nachgewiesen, die mit 1,1,1-Trichlorethan (TCA) und TCE kontaminiert waren.^[1]

Zur Dechlorierung von PCE und TCE bis cDCE sind eine Vielzahl von Bakterien in der Lage. Die Umwandlung von cDCE zu Vinylchlorid (VC) ist nur von wenigen Arten bekannt, Beispiele sind innerhalb der Gattung Dehalococcoides zu finden. Bestimmte Stämme von Dehalococcoides sind auch dazu in der Lage, PCE und cis-DCE vollständig zu Ethen abzubauen.^[17] Andere Mikroben, die in der Lage sind, Halogene abzubauen sind: Geobacter, Desulfuromonas, Anaeromyxobacter, Desulfomonile, Desulfovibrio, Desulfoluna, Sulfurospirillum, Comamonas und Shewanella sowie Desulfitobacterium aus dem Stamm der Firmicutes. Auch bestimmte Arten von Pseudomonas und Rhodococcus sind bekannt für ihre Fähigkeit Kohlenwasserstoffe und chlorierte Verbindungen abzubauen. Arten der Klasse Dehalococcoidia (Phylum Chloroflexi), darunter Stämme von Dehalococcoides mccartyi, Dehalogenimonas spp. und das Einzelisolat „Dehalobium chlorocoercia“ DF-1 sind im Gegensatz zu den zuvor genannten Mikroben obligat auf Halogene angewiesen.^[18][19] Es folgt eine Tabelle einiger Stämme^[20]:

Dehalobacter zählt zu der Familie Desulfitobacteriaceae innerhalb der Ordnung Eubacteriales der Klasse Clostridia. Die Typusart Dehalobacter restrictus wurde im Jahr 1998 erstbeschrieben.^[21] Im März 2026 waren nur zwei Arten beschrieben: Dehalobacter restrictus und "Candidatus Dehalobacter alkaniphilus". Es sind allerdings über 20 verschiedene, noch nicht genau klassifizierte Dehalobacter-Stämme bekannt (Stand März 2026).^[22]