Desulfitobacterium ist eine Gattung von Bakterien. Die Arten sind zur reduktiven Dehalogenierung fähig und sind somit dazu in der Lage, halogenierte Kohlenwasserstoffe abzubauen und dadurch Energie zu gewinnen. Dieser Stoffwechselweg wird auch als Organohalogenid-Atmung bezeichnet. Zum Beispiel bildet Desulfitobacterium metallireducens aus Perchlorethen das Trichlorethen und letztendlich ein Chlorwasserstoff-Molekül (HCl).
Die Gattung gilt als eine der wichtigsten Gruppen anaerober dehalogenierender Bakterien. Mitglieder dieser Gattung dechlorieren aromatische und alkylhaltige Verbindungen, darunter einige der problematischsten Schadstoffe wie chlorierte Phenole, chlorierte Ethene und hydroxypolychlorierte Biphenyle (englisch Hydroxy polychlorinated biphenyls, HOPCBs). Neben Chlorverbindungen kann Desulfitobacterium auch die Halogenide Brom und Iod nutzen. Des Weiteren zählt die Gattung zu den Desulfurikanten, die Arten können Schwefelverbindungen, wie Sulfit oder Thiosulfat reduzieren und somit Energie gewinnen. Außerdem können sie verschiedene Metalle, wie Eisen (Fe3+) und Mangan (Mn4+), zur Energiegewinnung einsetzen. Vertreter von Desulfitobacterium spielen also eine wichtige Rolle in den natürlichen Stoffkkreisläufen und können eine Vielzahl von chemischen Verbindungen nutzen.
Merkmale Die Zellwand ist grampositiv strukturiert, d. h. auf die Membran ist eine mehrschichtige Mureinhülle aufgelagert. Die Gram-Färbung kann jedoch je nach Stamm gramnegativ oder grampositiv ausfallen. Zellen in der exponentiellen Wachstumsphase sind gerade oder gekrümmte Stäbchen mit einer Länge von 2–7 µm, je nach Art und Stamm. Für D. dichloroeliminans DCA1 wurde eine Variation der Zelllänge von bis zu über 10 μm beschrieben.
Die meisten Isolate von Desulfitobacterium sind beweglich und haben 1 bis 6 Geißeln. Nicht bewegliche Zellen ohne Geißeln wurden beim Stamm D. hafniense PCP-1 beobachtet. Auch die Stämme D. hafniense Stamm JH1 und Desulfitobacterium sp. Stamm PR besitzen keine Geißeln.
Stoffwechsel und Wachstum Die Desulfitobacterium- Stämme sind mesophil und wachsen bei neutralem pH-Wert. Die optimale Wachstumstemperatur liegt bei 25–40 °C, der optimale pH-Wert bei 6,5–7,8. Mehrere Desulfitobacterium-Stämme sind zur Bildung terminaler Endosporen fähig. Obwohl der Stoffwechsel obligat anaerob ist, tolerieren bestimmte Arten mikroaerobe Kulturbedingungen (<5 % Luft in der N2-Gasphase). Mehrere Stämme können auch 24 Stunden lang unter aeroben Bedingungen überleben.
Arten von Desulfitobacterium verwenden eine Vielzahl von chlorierten Phenolen und/oder Alkenen als Elektronenakzeptoren während der Dehalorespiration (auch als Halorespiration oder Chloridogenese bezeichnet). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass mehrere Desulfitobacterium-Stämme auch Brom- und Iodverbindungen dehalogenieren können.
Des Weiteren können sie auch Sulfit, Thiosulfat, Schwefel und Nitrat, jedoch in der Regel nicht Sulfat, in Gegenwart verschiedener Elektronendonatoren nutzen. Eine Ausnahme ist D. hafniense Stamm Y51, das auch Sulfat reduziert. Einige Arten sind auch zur Fumaratatmung fähig. Als Wachstumszusatz ist Hefeextrakt erforderlich. Stämme können meist auch Pyruvat vergären (unter Bildung von Laktat, Acetat und CO2), andere können verschiedene Zucker verwerten. Beim Wachstum mit Pyruvat bildet Desulfitobacterium hafniense Laktat, Acetat und CO2. Andere Stämmen können auch verschiedene andere Zucker verwerten.
Anorganische Metalle wie Eisen (Fe3+), Mangan (Mn4+), Selen (Se4+), Arsen (As5+), Chrom (Cr6+) und Uran (U6+) können ebenfalls von verschiedenen Stämmen von Desulfitobacterium als Elektronenakzeptoren verwendet werden. Mehrere Stämme wurden als Metallreduzierer ohne nachweisbare Organohalogenid-Atmung isoliert. Hierzu zählt u. a. D. hafniense GBFH und D. hafniense G2. Dieser Stamm wurde als As(V)-reduzierendes Bakterium aus arsenkontaminierten Sedimenten isoliert. D. hafniense G2 kann Uran(VI), Fe(III) und Anthrachinon-2,6-disulfonat (AQDS) als Elektronenakzeptoren nutzen.
Der Stamm D. metallireducens 853-15A kann AQDS, chelatisiertes Fe(III) (kein kristallines Fe3+-Oxid), Huminsäuren, Mn(IV), kolloidalen Schwefel, Se(IV) und Cr(VI) als Elektronenakzeptoren nutzen. Desulfitobacterium aromaticivorans UKTL (im Jahr 2021 zu Paradesulfitobacterium aromaticivorans transferiert) ist ein eisenreduzierendes Bakterium, das zum anaeroben Abbau aromatischer Kohlenwasserstoffe, wie Toluol, Phenol und p-Kresol, fähig ist.
Einige Stämme, wie Desulfitobacterium hafniense DCB-2, können einen Teil ihres Kohlenstoffbedarfs aus CO2 assimilieren. Sie sind aber keine autotrophen Bakterien, da sie zusätzlich noch Organische Stoffe, wie Acetat, benötigen.
Anaerobe Medien mit den Halogenen in Kombination mit einem Elektronendonator wie Pyruvat eignen sich gut zur Isolierung von Organohalogenid-atmenden Desulfitobacterium-Stämmen. Hefeextrakt kann als Quelle für Vitamine und Spurenelemente bei der Kultivierung von Desulfitobacterium-Stämmen verwendet werden. Antimikrobielle Substanzen können auch zur Anreicherung von Desulfitobacterium nützlich sein, wie die Isolierung von D. hafniense Stamm DP7 mithilfe des antibakteriellen Wirkstoffs Aztreonam mit 50 μg/L zeigt. Aztreonam ist ein β-Lactam-Antibiotikum, die das Wachstum aerober gramnegativer Bakterien hemmt.
Reduktive Dehalogenierung Organohalogenid-atmende Bakterien (OHRB) „atmen“ halogenierte organische Moleküle (Organohalogenide oder Organohalogene genannt) ähnlich wie der Mensch Sauerstoff einatmet. Desulfitobacterium kann hier Verbindungen mit den Halogenen Chlor, Brom und Iod nutzen. Biochemisch gesehen nutzen organohalogenid-atmende Bakterien Organohalogenide als terminale Elektronenakzeptoren in einer Atmungskette, die an den gerichteten Protonentransport durch die Zellmembran und die Energieerhaltung gekoppelt ist. Die benötigten Elektronen stammen von externen Elektronendonatoren wie molekularem Wasserstoff oder anderen oxidierbaren Verbindungen. Dabei werden die halogenierte Verbindungen reduziert, indem die Halogensubstituenten abgespalten und gleichzeitig Elektronen 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 bzw. als Halogen-Wasserstoff-Verbindungen (Chlorwasserstoff, HCl; Bromwasserstoff, HBr) freigesetzt.
320x320px|mini|2 Arten der reduktiven Dehalogenierung: Dihalogeneliminierung und die Hydrogenolyse Man unterscheidet zwei Arten der Organohalogenid-Atmung: Hydrogenolyse und Dihalogeneliminierung. Bei der Hydrogenolyse entsteht pro zwei Mol H2 nur ein Mol HX (wobei X für Chlor (Cl), Brom (Br), Fluor (F) oder Iod (I) steht), bei der Dihalogeneliminierung hingegen zwei Mol HX pro zwei Mol H2. Die Dihalogeneliminierung erfordert zwei benachbarte Halogene und führt zur Bildung einer ungesättigten C=C-Bindung. Aufgrund der Elektronenkonfiguration des aromatischen Rings findet bei aromatischen Verbindungen keine Dihalogeneliminierung statt. Bei der Dihalogeneliminierung beträgt die Änderung des Wertes der freien Gibbs-Energie (ΔG o′) für die Bildung von HCl −171,2 kJ/mol (dies gilt bei einem pH-Wert von 7). Beide Arten der reduktiven Dehalogenierung wurden bei Desulfitobacterium-Stämmen beobachtet.
Die Energieeinsparung während der Halorespiration wurde durch Wachstumsertragsstudien und stöchiometrische Analysen nachgewiesen. Die reduktive Dechlorierung von 3-chloro-4-hydroxyphenylacetate (3Cl4HOPA) ist mit der ATP-Synthese und der Oxidation von Pyruvat, Formiat oder H2 gekoppelt. Während der Oxidation von Pyruvat zu Acetat wird durch Substratphosphorylierung 1 ATP pro Mol Acetat gewonnen, und durch die Chloridogenese (Dehalorespiration) und Elektronentransportphosphorylierung wird 1 ATP pro gebildetem Chloridion gewonnen. Die Dehalogenierung mit Formiat als Elektronendonor liefert nur 1 ATP über die Elektronentransportphosphorylierung. Die Chlorphenol-Atmung in Desulfitobacterium dehalogenans ist kein effizienter Atmungsweg, da die Zellen nur einen kleinen Teil der theoretisch verfügbaren Energie zurückgewinnen. Berechnungen der freien Energie legen nahe, dass pro entferntem Chlor mit H2 als Elektronendonor 2 ATP gebildet werden könnten. Die Zellausbeuten entsprechen jedoch nur der Hälfte dieses Wertes. Auch wenn die Effizienz gering ist, sind die haloaromatischen Verbindungen die bevorzugten Elektronenakzeptoren. Wenn Desulfitobacterium dehalogenans mit äquimolaren Konzentrationen verschiedener Elektronenakzeptoren versorgt wird, wird daher immer zuerst 3Cl4HOPA reduziert. Wenn die Konzentration sinkt, wird es gleichzeitig mit den anderen Elektronenakzeptoren genutzt. Aufgrund ihrer Substratspezifität werden zwei Enzymgruppen der Dehalogenasen unterschieden: Chlorphenol-reduktive Dehalogenasen (die CprA-Familie) und Chloroalkyl-reduktive Dehalogenasen (die PceA-Familie). Die Chlorphenol-reduktive Dehalogenasen wirken hauptsächlich auf chlorierte aromatische Verbindungen (z. B. Chlorphenole). Sie katalysieren typischerweise die Hydrogenolyse. Chloralkyl-reduktive Dehalogenasen wirken hauptsächlich auf chloraliphatische Verbindungen wie Chloralkene (wie Tetrachlorethen) oder Chloralkane und katalysieren häufig die Dihalogenelimination. Stämme, die sowohl chloraromatische als auch chloraliphatische Verbindungen dehalogenieren, besitzen zwei separate Enzymsysteme, eines für jede Substratklasse. Die meisten der beschriebenen Dehalogenasen sind mit der Membran assoziiert.
Die ortho-Chlorphenol-reduktive Dehalogenase von Desulfitobacterium dehalogenans wurde untersucht. Das Enzym katalysiert die Dehalogenierung von 3-Chlor-4-hydroxyphenylacetat (3Cl4HOPA). Die Primärsequenz und die Redox-Eigenschaften ähneln der Haloalken-reduktiven Dehalogenase vom Dehalobacter restrictus. Desulfitobacterium hafniense-Stämme, wie beispielsweise der Stamm PCP-1, die die Dechlorierung von ortho-, meta- und para-chlorierten aromatischen Verbindungen durchführen, beherbergen separate, induzierbare Enzymsysteme für die ortho- sowie für die meta- und para-Dechlorierungsreaktionen. Weitere Dehalogenasen wurden gereinigt und charakterisiert. Eine 3Cl4HOPA-Dehalogenase wurde vom Desulfitobacterium hafniense-Stamm DCB-2 isoliert. Ein weiteres Enzym vom Typ CprA mit einer Molekülmasse der Untereinheit von 50.000 Dalton wurde ebenfalls aus dem Stamm Co23 von Desulfitobacterium hafniense isoliert. Dieses Enzym dechloriert verschiedene ortho-chlorphenolische Verbindungen und hat eine ähnliche Substratspezifität wie die 3Cl4HOPA-Dehalogenase aus Desulfitobacterium dehalogenans. Der Stamm PCP-1 von Desulfitobacterium hafniense (zuerst als Desulfitobacterium frappieri Stamm PCP-1 geführt) enthält eine membranassoziierte CprA-Typ-3,5-Dichlorphenol (DCP)-reduktive Dehalogenase mit einer Molekülmasse von 57.000 Da. Die phenolische Hydroxylgruppe ist für die Bindung des Substrats erforderlich. Dieser Stamm enthält auch CrdA, einen Vertreter einer anderen Familie reduktiver Dehalogenasen. Dieses Enzym ist eine sauerstoffempfindliche 2,4,6-Trichlorphenol (TCP)-Dehalogenase mit einer Untereinheit-Molekülmasse von 37.000 Da.
Enzyme, die aliphatische Verbindungen (also keine Aromate) dechlorieren, gehören zur PceA-Familie der reduktiven Dehalogenasen und wurden aus verschiedenen Desulfitobacterium hafniense-Stämmen gereinigt. Das substratinduzierbare PceA aus dem Stamm Y51 kommt im Periplasma vor. Das Translationsprodukt hat eine Molekülmasse von 61.000 Da, nach Entfernung des Signalpeptids jedoch nur noch 58.000 Da (Suyama et al., 2002). Ein ähnliches Enzym mit einer Molekülmasse von 59.000 Da wurde im Stamm TCE-1 gefunden. Das Enzym aus dem Stamm PCE-S hat eine Molekülmasse von 65.000 Da und wird durch Sulfit gehemmt.