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Mushroom Spring

heiße Quelle im unteren Geysir-Becken der Yellowstone-Nationalpark

Koordinaten: 44° 32′ 19,3″ N, 110° 47′ 52,8″ W

Mushroom Spring[1]
(Mushroom Pool[2])

Mushroom Spring. Inlet: mikrobieller Mattenkern.[3]
Lage
Land oder Region Teton County, Wyoming, USA
Koordinaten 44° 32′ 19″ N, 110° 47′ 53″ W
Geologie
Quelltyp Thermalquelle
Austrittsart Quelltopf
Hydrologie
Flusssystem Mississippi River
Vorfluter White Creek → Firehole River → Madison River → Missouri River → Mississippi River → Golf von Mexiko

Mushroom Spring (oder Mushroom Pool) ist die Bezeichnung einer heißen Quelle im unteren Geysir-Becken des Yellowstone-Nationalparks.[1][2] Die Quelle befindet sich in der Nähe der großen Geysire Great-Fountain-Geysir und White-Dome-Geysir.[4] Die Temperatur des Quell­wassers, wenn es aus der Tiefe an die Oberfläche kommt, beträgt 69° C und nimmt am Abfluss ab.[3]

Licht ist die wichtigste Energiequelle für die phototrophe mikrobielle Matte im Mushroom Spring. Obwohl sie oft einfach als eine „Cyano­bakterien­matte“ bezeichnet wird, leben in der Matte ganz unter­schied­liche phototrophe Bakterien, neben Cyanobakterien auch Grüne Nicht­schwefel­bakterien und Grüne Schwefel­bakterien.[3]

Mikroökologie

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Die Erforschung biologischer Organismen in heißen Quellen begann in den 1960er Jahren. Anfangs dachte man, dass thermophile Bakterien (und Archaeen, diese wurden damals noch nicht von den Bakterien unterschieden) bei Temperaturen von über 55 °C nicht überleben könnten. Man entdeckte jedoch bald, dass viele Bakterien in verschiedenen dieser heißen Quellen selbst bei höheren Temperaturen nicht nur überleben, sondern sogar wachsen und gedeihen.[5] Die beiden nahe beieinander liegenden Quellen Octopus Spring und Mushroom Spring im unteren Geysir-Becken des Yellowstone-Nationalparks spielen dabei eine bedeutende Rolle.

Von besonderem Interesse sind die mikrobiellen Gemeinschaften im Quellbecken und im Abfluss des Mushroom Spring in einem Temperaturbereich bis hinab auf (nur noch) ca. 45° C. Die mikrobielle Gemeinschaft im Unterboden der Quelle und der Abflüsse zeigte sich extrem uneinheitlich. Zwischen 40 und 69° C bilden sich phototrophe mikrobielle Matten.[3]

Neben den für die Anwendung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) bedeutsamen Bakterien der Gattung Thermus wurden in den mikrobiellen Matten der Quelle bzw. der Abflüsse wie auch beim nahe gelegenen Octopus Spring Vertreter der Cyanobakterien,[3] der Grünen Nichtschwefelbakterien (Choroflexi)[3] sowie der Grünen Schwefelbakterien (Chlorobi)[6] gefunden. Dazu kommt eine neue Gruppe mit der Bezeichnung Acidobacteriota.

Die Metagenomik zeigte dort vorherrschend fadenförmige, anoxygene Chloroflexi der Gattung Roseiflexus.[3]

Die Stickstofffixierung scheint auf Synechococcus spp.[A. 1] in der oberen Mattenschicht und Thermodesulfovibrio sp. in der Untermatte beschränkt zu sein, der Nitrat-/Nitritstoffwechsel zeigte sich bei dieser Quelle limitiert. Ein geschlossener Schwefelkreislauf wird durch die biologische Reduktion von Sulfat in Verbindung Genen für die Oxidation von Sulfid hauptsächlich in phototrophen Mikroorganismen möglich.[3] Außerdem besitzen eine Reihe von Mikroorganismen im Bodenwasser Gene für die Produktion bzw. den Verbrauch von Wasserstoff, womit die beobachteten Muster der Wasserstoffkonzentration erklärt werden können.[3]

Deinococcus-Thermus

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T. aquaticus, abgelagert auf einem Milliporen-Filter von 0,22 µm, Balken: 1 µm

1969 isolierten Thomas D. Brock und Hudson Freeze von der Indiana University aus dem Mushroom Spring einen solch extrem thermophilen Bakterienstamm, den sie als Thermus aquaticus YT-1 bezeichneten; er war der erste Vertreter der Gattung Thermus.[7][8] Seitdem wurden weitere Spezies und Stämme dieser Gattung aus dem Phylum Deinococcus-Thermus in ähnlichen Umgebungen auf der ganzen Welt gefunden.[4] Insbesondere wurden T. aquaticus selbst zusammen mit mehreren anderen Vertretern der Gattung im nahe gelegenen Octopus Spring gefunden.[9][10][11][12] Der Stamm T. thermophilus HB8 (ursprünglich der als Stamm einer Spezies Flavobacterium thermophilum beschrieben,[13] ab 1974 zur Gattung Thermus verschoben).[14] Dieser wurde im September 1968 von Tairo Oshima aus Proben von der heißen Quelle Mine Onsen (alias Mine Hot Spring)[15] auf der Izu-Halb­insel (Japan) isoliert (Yoshida & Oshima, 1971).[13][16][17]

Mit Hilfe der thermostabilen DNA-Polymerasen von T. aquaticus (den Taq-Polymerasen) wurde die 1983 von Kary Mullis die PCR (polymerase chain reaction) so weit verbessert und weiterentwickelt, dass sie erstmals in großem Umfang in der Praxis eingesetzt werden konnte.[18][19][12] Das Verfahren wurde kontinuierlich in Richtung noch höherer Thermotoleranz und geringerer Fehlerquote weiterentwickelt; zunächst kamen die DNA-Polymerasen von T. thermophilus (Tth-Polymerasen) hinzu. Inzwischen finden auch in diesem Sinn noch besser geeignete DNA-Polymerasen aus (anderswo gefundenen) thermophilen Archaeen wie Pyrococcus furiosus (Pfu-Polymerasen) und Thermococcus litoralis (Vent-Polymerasen) Anwendung.[18][19]

Chloroflexi

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Unter den Chloroflexi fanden sich hier (wie auch im Octopus Spring) Vertreter der Gattungen Roseiflexus, Chloroflexus sowie Anaerolineae-ähnliche Arten.[6]

Chlorobi

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Unter den Chlorobien fanden sich hier (ebenfalls wie auch im Octopus Spring) „Candidatus Thermochlorobacter aerophilus“[20] syn. „Ca. T. aerophilum“,[20][21][22] Familie Thermochlorobacteraceae bzw. Chloroherpetonaceae in der Ordnung Chlorobiales. Referenzstamm ist OS GSB[20] (oder kurz OS[21][22]).[6]

Acidobacteriota

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Entdeckt wurde zudem „Candidatus Chloracidobacterium thermophilum“, diese Spezies wird heute meist den Blastocatellia (früher genannt Acidobacteria subdivision 4)[23][24] (oder den Terriglobia[25]) in Phylum Acidobacteriota zugerechnet.[23][24][25][6] Referenzstamm ist B alias ATCC BAA-2647 oder JCM 3019.[25]

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Anmerkungen

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  1. ↑ Hier sind vermutlich die thermophilen Spezies bzw. Stämme der Gattung Synechococcus im herkömmlichen Sinn zu verstehen. Entsprechend einer Reorganisation derselben werden diese bisherigen Mitglieder in die Gattungen Thermosynechococcus und Thermostichus/„Synechococcus_A“ übergeführt, siehe Obsidian Pool §Cyanobakterien.

Einzelnachweise

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  1. ↑ a b Don A. Bryant, John F. Heidelberg, D. Kirk Nordstrom, Frank F. Roberto, Dave M. Ward: Mushroom Spring. Montana State University.
  2. ↑ a b Mushroom Pool. Auf: Google Maps.
  3. ↑ a b c d e f g h i Vera Thiel, Michael Hügler, David M. Ward, Donald A. Bryant: The Dark Side of the Mushroom Spring Microbial Mat: Life in the Shadow of Chlorophototrophs. II. Metabolic Functions of Abundant Community Members Predicted from Metagenomic Analyses. In: Frontiers in Microbiology, Sec. Extreme Microbiology, Band 8, 6. Juni 2017; doi:10.3389/fmicb.2017.00943.
  4. ↑ a b T. Scott Bryan: The Geysers of Yellowstone. 4. Auflage. University Press of Colorado, 2008, ISBN 978-0-87081-924-7 (englisch).
  5. ↑ Thomas D. Brock: Life at High Temperatures (Memento des Originals vom 24. März 2020 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/bioinfo.bact.wisc.edu. University of Wisconsin, Department of Bacteriology (bact.wisc.edu), Bioinfo-Server. Essay von 1994.
  6. ↑ a b c d Zhenfeng Liu, Christian G. Klatt, Marcus Ludwig, Douglas B. Rusch, Sheila I. Jensen, Michael Kühl, David M. Ward, Donald A. Bryant: ‘Candidatus Thermochlorobacter aerophilum:’ an aerobic chlorophotoheterotrophic member of the phylum Chlorobi defined by metagenomics and metatranscriptomics. In: Nature: The ISME Journal, Band 6, S. 1869–1882, 29. März 2012; doi:10.1038/ismej.2012.24, PMID 22456447, PMC 3446795 (freier Volltext).
  7. ↑ Thomas D. Brock, Hudson Freeze: ​Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a Nonsporulating Extreme Thermophile. In: ASM Journals: Journal of Bacteriology, Band 98, Nr. 1, 1. April 1969; doi:10.1128/jb.98.1.289-297.1969, PMID 5781580, PMC 249935 (freier Volltext), PDF. Siehe insbes. Tbl. 1 (Fundort YT-1: Mushroom Spring, Station I).
  8. ↑ DSMZ: DSMZ Thermus aquaticus YT-1.
  9. ↑ Stephen C. Nold, David M. Ward: Diverse Thermus Species Inhabit a Single Hot Spring Microbial Mat. In: Systematic and Applied Microbiology, Band 18, Nr. 2, 1. Januar 1995, S. 274–278; doi:10.1016/s0723-2020(11)80398-x, PMID 11539573. Anm.: Abhängig von der Plattform kann im Titel Thermus als Thermlus verschrieben sein (korrekt auf PubMed und im PDF).
  10. ↑ D. A. Stahl, D. J. Lane, G. J, Olsen, N. R. Pace: Characterization of a Yellowstone hot spring microbial community by 5S rRNA sequences. In: ASM Journals: Applied and Environmental Microbiology, Band 49, Nr. 6, 1. Juni 1985; doi:10.1128/aem.49.6.1379-1384.1, PMID 2409920, PMC 241732 (freier Volltext).
  11. ↑ NCBI Nucleotide:
  12. ↑ a b Catherine C. Helm-Clark: MERRY BLOGMAS FOR DEC​EMBER 9: DNA AND YELLOWSTONE. THE BIRTHPLACE OF DNA FINGERPRINTING BY THE PCR METHOD. Blog auf: Gnarly Science vom 9. Dezember 2017.
  13. ↑ a b Masasuke Yoshida, Tairo Oshima: The thermostable allosteric nature of fructose 1,6-diphosphatase from an extreme thermophile. In: Biochemical and Biophysical Research Communications, Band 45, Nr. 2, 15. Oktober 1971, S. 495–500; doi:10.1016/0006-291X(71)90846-1, PMID 4334342.
  14. ↑ LPSN: Species Thermus thermophilus.
  15. ↑ Mine Onsen Daifunto Park: Hot Spring / Hot Spring Bath. Auf: Japantravel.
  16. ↑ NCBI Taxonomy Browser: Thermus thermophilus HB8 (strain), heterotypic synonym: Thermus thermophilus ATCC 27634. Dazu:
  17. ↑ BacDive: Thermus thermophilus HB8 is a thermophilic bacterium that was isolated from hot spring. Auf dsmz.de; Memento im Webarchiv vom 19. März 2023.
  18. ↑ a b Thermus. Lexikon der Biologie auf spektrum.de, 1999.
  19. ↑ a b Taq-DNA-Polymerase. Lexikon der Biologie auf spektrum.de, 1999.
  20. ↑ a b c LPSN: Species "Candidatus Thermochlorobacter aerophilus", synonym "Candidatus Thermochlorobacter aerophilum" – Type strain: OS GSB.
  21. ↑ a b GTDB: Thermochlorobacter aerophilum (species), dazu: GCA_002794105.1: Thermochlorobacter aerophilum – NCBI strain identifiers: OS.
  22. ↑ a b NCBI Taxonomy Browser: Candidatus Thermochlorobacter aerophilum (species), dazu: NCBI Nucleotide: MAG: Candidatus Thermochlorobacter aerophilum isolate OS,…. Isolation source: Yellowstone National Park Mushroom and Octopus hot spring.
  23. ↑ a b NCBI Taxonomy Browser: Chloracidobacterium thermophilum (species), dazu: NCBI Nucleotide: Chloracidobacterium thermophilum strain B … USA: Octopus Spring, Yellowstone National Park, Wyoming.
  24. ↑ a b GTDB: Chloracidobacterium thermophilum (species).
  25. ↑ a b c LPSN: Species "Chloracidobacterium thermophilum" – Type strain: ATCC BAA-2647; B; JCM 30199.
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