Die Cyanobakterien (Cyanobacteria, von , ‚cyan‘, daher eingedeutscht Blaugrünbakterien, informell auch Blaualgen) sind eine große Verwandtschaftsgruppe (Klade) im Bakterien-Reich Bacillati (Terrabakterien).
Im engen Sinn wird mit dem Begriff nur die Klasse der phototrophen (sich „vom Licht ernährenden“) Vertreter verstanden, die mit der Fähigkeit zur oxygenen (Sauerstoff erzeugenden) Photosynthese ausgestattet sind. Sie sind gramnegativ und können auch die Richtung des Lichteinfalls wahrnehmen. Für diese Klasse sind je nach Nomenklatur (bakteriell oder botanisch) eine Reihe von Bezeichnungen gebräuchlich, darunter Oxyphotobacteria, Cyanophyceae, Cyanobacteriia – die heutige offizielle bakteriologische Bezeichnung der Klasse ist Chroococcophyceae.
Zu Verwandtschaft gehören einige nicht-oxygene („dunkle“) Kladen, die also keine Photosynthese betreiben, mit denen sie das gemeinsame Phylum (Stamm bzw. botanisch Abteilung) Cyanobacteriota (auch „Cyanoprokaryota“, Cyanobacteriophyta oder Cyanophyta: Cyanobakterien im weiteren Sinn) bilden.
Wegen ihrer hohen Diversität hat es auch früher Vorschläge gegeben, den Cyanobakterien (sensu lato) den Rang eines Superphylums (Überabteilung) zu verleihen (Cavalier-Smith 2006). Die Identifizierung von Klassen der „Cyanobacteriota/Melainabacteria-Gruppe“ ist derzeit (März 2026) noch nicht abgeschlossen.
Cyanobakterien besiedeln vermutlich seit mehr als 3,5 Milliarden Jahren (Archaikum) die Erde und zählen zu den ältesten Lebensformen überhaupt: Sie tauchten erstmals um das mittlere Archaikum („Mesoarchaikum“) auf, wobei sie offenbar in einer Süßwasser- oder terrestrischen Umgebung entstanden (als Terrabakterien).
Die heute mehr als 2000 offiziell benannten Arten der oxygenen Klasse sind in eine ganze Reihe von Subtaxa im Rang von Ordnungen aufgeteilt, darunter Chroococcales, Oscillatoriales, Nostocales, „Gloeobacterales“ und andere.
Einige Cyanobakterien enthalten neben Photosynthese-Farbstoffen auch blaues Phycocyanin, ihre Farbe ist deshalb blaugrün (cyan) – ein Umstand, dem die ganze Klade ihre verschiedenen Namen (Cyanobakterien, Blaugrünbakterien und „Blaualgen“) verdankt, obgleich es auch Vertreter gibt, die kein Phycocyanin enthalten und daher auch nicht blaugrün gefärbt sind.
Früher wurden die Cyanobakterien zu den Phycophyta (Algen) eingeordnet; die Bezeichnung Cyanophyceae (wörtlich also „Blaualgen“) für die Klasse der echten, phototrophen, oxygenen Cyanobakterien wird auch heute noch in der Botanik verwendet, etwa in der AlgaeBase.
Übersicht hochkant=1.3|mini|Cyanobakterien kommen fast überall vor; die Meeresgischt enthält marine Mikroorganismen, darunter auch Cyanobakterien, kann vom Wind hoch in die Atmosphäre getragen werden, wo sie zu Aeroplankton werden und um den Globus wandern, bevor sie wieder auf die Erde zurücksinken.
Das Phylum (Stamm, Abteilung) Cyanobacteriota (Cyanobakterien im weitern Sinn) ist eine große und vielfältige Gruppe von Prokaryoten, ebenso ihre wichtigste Klasse Cyanobacteriia [Cyanophyceae, „Oxyphotobacteria“ oder Chroococcophyceae] der phototrophen Cyanobakterien. Diese zeichnen sich durch ihre einzigartige Pigmentkombination und die Fähigkeit zur oxygenen (Sauerstoff freisetzenden) Photosynthese aus. Sie sind die einzigen Sauerstoff produzierenden photosynthetischen Prokaryoten und gedeihen in vielfältigen und extremen Lebensräumen. Cyanobakterien leben oft in Kolonien, die eine Vielzahl von Formen annehmen können. Von besonderem Interesse sind die filamentösen Arten, die häufig die oberen Schichten mikrobieller Matten in extremen Umgebungen wie heißen Quellen, hypersalinen Gewässern, Wüsten und den Polarregionen dominieren, aber auch in gewöhnlicheren Umgebungen wie Bachläufen weit verbreitet sind. Viele sind evolutionär an Umweltbedingungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt angepasst.
Einige Arten sind außerdem stickstofffixierend und leben in einer Vielzahl von feuchten Böden und Gewässern, entweder frei oder in einer symbiotischen Beziehung mit Pflanzen oder flechtenbildenden Pilzen (wie bei der Flechtengattung Peltigera).
hochkant=1.3|mini|Prochlorococcus, eine bedeutende und einflussreiche Gattung mariner Cyanobakterien, die einen Großteil des weltweiten Sauerstoffs produziert. Cyanobakterien leisten als weltweit verbreitete photosynthetische Prokaryoten einen wesentlichen Beitrag zu den globalen biogeochemischen Stoffkreisläufen. Sie gehören zu den ältesten Organismen der Erde, deren Fossilienfunde mindestens 2,1 Milliarden Jahre zurückreichen. Seitdem spielen Cyanobakterien eine wesentliche Rolle in den Ökosystemen der Erde. Planktonische Cyanobakterien sind ein grundlegender Bestandteil mariner Nahrungsnetze und tragen maßgeblich zu den globalen Kohlenstoff- und Stickstoffflüssen bei.
Die in allen Meeresumgebungen vorkommenden Cyanobakterien spielen durch ihre Kohlenstofffixierung als Primärproduzenten eine wichtige Rolle. Etwa 25 % der weltweiten marinen Primärproduktion entfallen auf Cyanobakterien. Sie sind damit ein bedeutender Teil des marinen Phytoplanktons, das in seiner Gesamtheit fast die Hälfte der globalen Primärproduktion ausmacht.
Einige Cyanobakterien bilden jedoch schädliche Algenblüten (, HABs). Diese Blaualgenblüten führen durch die Produktion starker Toxine (Cyanotoxine) wie z. B. Microcystine, Saxitoxin Fund Cylindrospermopsin zu Störungen der Ökosystemleistungen im Wasser, sowie zur Vergiftung von Wildtieren und Menschen. Insbesondere im Zug der Klimaerwärmung (Klimawandel) nehmen Cyanobakterienblüten heutzutage weltweit an Häufigkeit und Ausmaß zu und stellen eine ernsthafte Bedrohung für aquatische Lebensräume und die öffentliche Gesundheit dar.
Unter den Cyanobakterien besiedelten nur allerdings wenige Gattungen bzw. Arten den offenen Ozean, zu diesen gehören Crocosphaera und Verwandte, Trichodesmium, Prochlorococcus, Synechococcus, sowie „Ca. Atelocyanobacterium thalassae“ [alias Cyanobacterium UCYN-A]. Unter diesen Gruppen sind stickstofffixierende Cyanobakterien besonders wichtig, indem sie Stickstoffgas (N₂) in Ammonium (NH₃ bzw. NH₄+) umwandeln, das später zur Biosynthese von Aminosäuren und Proteinen verwendet wird. Auf diese Weise kontrollieren sie nicht nur die Primärproduktion von organischem Kohlenstoff, sondern letztlich auch dessen Export in die Tiefsee (Meeresschnee). Die meisten Phytoplankton-Gemeinschaften in den heutigen Ozeanen werden von ultrakleinen Cyanobakterien (Picocyanobakterien) wie Prochlorococcus und Synechococcus zahlenmäßig dominiert, weshalb gerade diese wesentlich zur Primärproduktion beitragen. Während einige planktonische Cyanobakterien einzellig und frei lebend sind (z. B. Prochlorococcus, Synechococcus und auch Crocosphaera); haben andere symbiotische Beziehungen etwa mit Haptophyten-Algen wie den Coccolithophoriden aufgebaut. Unter den fadenförmigen Formen leben die Vertreter der Gattung Trichodesmium frei und bilden Zellaggregate; einige Heterocysten ausbildende Gattungen der fadenförmigen Cyanobakterien (z. B. Richelia und Calothrix) kommen jedoch in Assoziation mit Kieselalgen wie Hemiaulus, Rhizosolenia und Chaetoceros vor.
Einige marine Cyanobakterien (Picocyanobakterien) gehören zu den kleinsten bekannten photosynthetischen Organismen; die kleinsten unter ihnen von der Gattung Prochlorococcus messen nur 0,5 bis 0,8 μm (Mikrometer) im Durchmesser. Gemessen an der Individuenzahl ist Prochlorococcus möglicherweise die am häufigsten vorkommende Gattung der Erde: Ein einziger Milliliter Oberflächenmeerwasser kann von dieser Gattung 100.000 Zellen oder mehr enthalten. Weltweit wird die Anzahl ihrer Individuen auf mehrere Quadrilliarden (1027) geschätzt. Prochlorococcus ist zwischen 40° nördlicher und 40° südlicher Breite weit verbreitet und dominiert in den oligotrophen (nährstoffarmen) Regionen der Ozeane. Der Beitrag dieser Gattung zum Sauerstoff in der Erdatmosphäre beträgt etwa 20 %.
Phototrophe Cyanobakterien mini|Blaue und schwarze Tintenstriche an der Nordflanke der Alpspitze mini|Blaualgen in der Blauen Grotte (Malta)
Oxygene Cyanobakterien (Chroococcophyceae alias Cyanophyceae, Oxyphotobacteria oder Cyanobacteriia) waren nach heutigem Kenntnisstand die ersten Organismen, die Sauerstoff produzierten. Die von ihnen für die Photosynthese benutzten Pigmente absorbieren gewöhnlich die Frequenzen des roten und blauen Spektrums des Sonnenlichts, wodurch sie eine grünliche Farbe reflektieren. Mit dieser Energie spalten sie Wassermoleküle (H₂O) in Wasserstoff-Kationen und Sauerstoff. Die Wasserstoffionen werden zur Reaktion mit Kohlendioxid (CO₂) genutzt, um komplexe organische Verbindungen wie Kohlenhydrate zu bilden (Kohlenstofffixierung); der gasförmige Sauerstoff (O₂) wird als Nebenprodukt freigesetzt. Man nimmt an, dass Cyanobakterien durch die kontinuierliche Produktion und Freisetzung von Sauerstoff über Milliarden von Jahren hinweg die ursprüngliche („präbiotische“) Atmosphäre der frühen Erde, die anoxisch und schwach reduzierend war, schließlich in eine oxidierende Atmosphäre mit freiem Sauerstoff (O₂) umgewandelt haben. Vermutlich wurde der anfänglich entstandene Sauerstoff noch durch verschiedene Reduktionsmittel an der Erdoberfläche sofort entfernt. Infolge des beständig nachgelieferten Sauerstoffs sollte es schließlich während des frühen Proterozoikums zur „Großen Sauerstoffkatastrophe“ (, GOE) und dem „Rosten der Erde“ mit der Bildung von Bändereisenerz (, BIF) gekommen sein, wodurch sich die Zusammensetzung der Lebensformen auf der Erde dramatisch veränderte. Die anschließende Anpassung der frühen einzelligen Organismen (Prokaryoten: Bakterien und Archaeen) an das Überleben in sauerstoffhaltigen Umgebungen führte wahrscheinlich zur Endosymbiose zwischen Asgard-Archaeen und aeroben α-Proteobakterien (Eukaryogenese) und damit zur Evolution der Eukaryoten während des Paläoproterozoikums.
Oxygene (d. h. phototrophe) Cyanobakterien nutzen photosynthetische Pigmente wie verschiedene Formen von Chlorophyll, Carotinoide und Phycobiline, um die Lichtenergie des Sonnenlichts in chemische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz zu heterotrophen Prokaryoten verfügen Cyanobakterien über innere Membranen. Dabei handelt es sich um abgeflachte Säckchen, sogenannte Thylakoide, in denen die Photosynthese stattfindet. Photoautotrophe Eukaryoten wie Rotalgen, Grünalgen und Landpflanzen führen die Photosynthese in chlorophyllhaltigen Organellen (Chloroplasten) durch, von denen angenommen wird, dass sie ihren Ursprung in Cyanobakterien haben, die vor langer Zeit durch Endosymbiose (genauer: Endocytobiose) erworben wurden. Die endosymbiotischen Cyanobakterien in Eukaryoten entwickelten sich dann weiter und differenzierten sich zu spezialisierten Organellen: neben den Chloroplasten auch zu Chromoplasten, Etioplasten und Leukoplasten, die zusammen als Plastiden bezeichnet werden.
Die Cyanobakteriengattungen Synechocystis und Cyanothece sind wichtige Modellorganismen mit potenziellen Anwendungen in der Biotechnologie, darunter der Herstellung von Bioethanol und Lebensmittelfarbstoffen, als Nahrungsquelle für Mensch und Tier, als Nahrungsergänzungsmittel und als Rohstoffe. Einige Cyanobakterien produzieren aber auch eine Reihe von Toxinen (Cyanotoxine), die bei Menschen und Tieren gesundheitsschädliche Auswirkungen haben können.
Nichtphotosynthetische Cyanobakterien Früher hielt man einige Bakterien, wie zum Beispiel die filamentöse Gattung Beggiatoa, für farblose Cyanobakterien; diese und die verwandte Gattung Thiothrix werden daher auch heute noch in der AlgaeBase aufgeführt, gehören aber als Mitglieder der Ordnung Beggiatoales [alias Thiotrichales] zu den Gammaproteobakterien.