HALOPHILE: KLASSIFIKATION, OSMOSE, ANWENDUNGEN, BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die halophilen Organismen sind eine Kategorie von Mikroorganismen, sowohl Prokaryoten als auch Eukaryoten, die sich in Umgebungen mit hohen Salzkonzentrationen wie Meerwasser und hypersalinen Trockengebieten vermehren und leben können. Der Begriff Halophil kommt von den griechischen Wörtern Halos und Filo, was "Liebhaber des Salzes" bedeutet.

Organismen, die in diese Kategorie eingestuft sind, gehören ebenfalls zur großen Gruppe der extremophilen Organismen, da sie sich in extrem salzhaltigen Lebensräumen vermehren, in denen die meisten lebenden Zellen nicht überleben könnten.

Salinas, Umgebungen mit extremem Salzgehalt, in denen sich extrem halophile Zellen vermehren. Von H. Zell aus Wikimedia Commons.

Tatsächlich verliert die überwiegende Mehrheit der vorhandenen Zellen schnell Wasser, wenn sie salzreichen Medien ausgesetzt werden, und diese Dehydration führt in vielen Fällen schnell zum Tod.

Die Fähigkeit halophiler Organismen, in diesen Umgebungen leben zu können, beruht auf der Tatsache, dass sie ihren osmotischen Druck in Bezug auf die Umgebung ausgleichen und ihr isosmotisches Zytoplasma mit der extrazellulären Umgebung aufrechterhalten können.

Sie wurden anhand der Salzkonzentration klassifiziert, in der sie in extremen, moderaten, schwachen und halotoleranten Halophilen leben können.

Einige halophile Vertreter sind die Grünalge Dunaliella salina, das Krebstier der Gattung Artemia oder Wasserfloh sowie die Pilze Aspergillus penicillioides und Aspergillus terreu.

Einstufung

Nicht alle halophilen Organismen können sich in einem weiten Bereich von Salzkonzentrationen vermehren. Im Gegenteil, sie unterscheiden sich im Salzgehalt, den sie tolerieren können.

Dieses Toleranzniveau, das zwischen sehr spezifischen Konzentrationen von NaCl variiert, hat dazu gedient, sie als extreme, moderate, schwache und halotolerante Halophile zu klassifizieren.

Die Gruppe der extremen Halophilen umfasst alle Organismen, die in der Lage sind, Umgebungen mit NaCl-Konzentrationen von mehr als 20% zu besiedeln.

Darauf folgen mäßige Halophile, die sich bei NaCl-Konzentrationen zwischen 10 und 20% vermehren; und schwache Halophile, die dies bei niedrigeren Konzentrationen tun, die zwischen 0,5 und 10% variieren.

Schließlich sind die Halotoleranten Organismen, die nur geringe Salzkonzentrationen unterstützen können.

Osmose und Salzgehalt

Es gibt eine Vielzahl von prokaryotischen Halophilen, die hohen NaCl-Konzentrationen widerstehen können.

Diese Fähigkeit, Salzgehaltbedingungen zu widerstehen, die von niedrig bis hoch variieren, aber höher sind als diejenigen, die die meisten lebenden Zellen tolerieren können, bis hin zu extremen, wurde dank der Entwicklung mehrerer Strategien erworben.

Die Haupt- oder zentrale Strategie besteht darin, die Folgen eines als Osmose bekannten physikalischen Prozesses zu vermeiden.

Dieses Phänomen bezieht sich auf die Bewegung von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Ort mit einer geringen Konzentration an gelösten Stoffen zu einem Ort mit einer höheren Konzentration.

Wenn in der extrazellulären Umgebung (Umgebung, in der sich ein Organismus entwickelt) höhere Salzkonzentrationen als in seinem Cytosol vorhanden sind, verliert er folglich Wasser nach außen und dehydriert zu Tode.

Um diesen Wasserverlust zu vermeiden, speichern sie hohe Konzentrationen an gelösten Stoffen (Salzen) in ihrem Zytoplasma, um die Auswirkungen des osmotischen Drucks auszugleichen.

Anpassungsstrategien zur Bewältigung des Salzgehalts

Halophile Bakterien. Von Maulucioni basierend auf Bildern von Commons, von Wikimedia Commons.

Einige der von diesen Organismen verwendeten Strategien sind: die Synthese von Enzymen, die in der Lage sind, ihre Aktivität bei hohen Salzkonzentrationen aufrechtzuerhalten, violette Membranen, die Wachstum durch Phototrophie ermöglichen, Sensoren, die die phototaktische Reaktion regulieren, wie Rhodopsin, und Gasvesikel, die ihr Wachstum fördern. Floatation.

Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass die Umgebungen, in denen diese Organismen wachsen, sehr veränderlich sind, was ein Risiko für ihr Überleben darstellt. Daher entwickeln sie andere Strategien, die an diese Bedingungen angepasst sind.

Einer der sich ändernden Faktoren ist die Konzentration an gelösten Stoffen, die nicht nur in hypersalinen Medien wichtig ist, sondern in jeder Umgebung, in der Regen oder hohe Temperaturen Austrocknung und folglich Schwankungen der Osmolarität verursachen können.

Um mit diesen Veränderungen fertig zu werden, haben halophile Mikroorganismen zwei Mechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, ein hyperosmotisches Zytoplasma aufrechtzuerhalten. Einer von ihnen nannte "Salt-In" und der andere "Salt-Out".

Salt-In-Mechanismus

Dieser Mechanismus wird von Archeas und Haloanaerobiales (streng anaerobe mittelschwere halophile Bakterien) durchgeführt und besteht darin, die internen Konzentrationen von KCl in ihrem Zytoplasma zu erhöhen.

Die hohe Salzkonzentration im Zytoplasma hat sie jedoch dazu veranlasst, molekulare Anpassungen für die normale Funktion intrazellulärer Enzyme vorzunehmen.

Diese Anpassungen bestehen im Wesentlichen aus der Synthese von Proteinen und Enzymen, die reich an sauren Aminosäuren und arm an hydrophoben Aminosäuren sind.

Eine Einschränkung für diese Art von Strategie besteht darin, dass diejenigen Organismen, die sie durchführen, eine schlechte Fähigkeit haben, sich an plötzliche Änderungen der Osmolarität anzupassen, wodurch ihr Wachstum auf Umgebungen mit sehr hohen Salzkonzentrationen beschränkt wird.

Aussalzmechanismus

Dieser Mechanismus wird sowohl von halophilen als auch von nicht-halophilen Bakterien zusätzlich zu moderaten halophilen methanogenen Archaeen verwendet.

Dabei führt der halophile Mikroorganismus das osmotische Gleichgewicht unter Verwendung kleiner organischer Moleküle durch, die von ihm synthetisiert oder dem Medium entnommen werden können.

Diese Moleküle können Polyole (wie Glycerin und Arabinit), Zucker wie Saccharose, Trehalose oder Glucosylglycerin oder Aminosäuren und Derivate von quaternären Aminen wie Glycinbetain sein.

Alle von ihnen haben eine hohe Löslichkeit in Wasser, sind bei physiologischem pH-Wert nicht geladen und können Konzentrationswerte erreichen, die es diesen Mikroorganismen ermöglichen, das osmotische Gleichgewicht mit der äußeren Umgebung aufrechtzuerhalten, ohne die Funktion ihrer eigenen Enzyme zu beeinträchtigen.

Zusätzlich haben diese Moleküle die Fähigkeit, Proteine ​​gegen Hitze, Austrocknung oder Gefrieren zu stabilisieren.

Anwendungen

Halophile Mikroorganismen sind sehr nützlich, um Moleküle für biotechnologische Zwecke zu erhalten.

Diese Bakterien stellen aufgrund des geringen Nährstoffbedarfs in ihren Medien keine größeren Schwierigkeiten dar, kultiviert zu werden. Ihre Toleranz gegenüber hohen Salzkonzentrationen minimiert das Kontaminationsrisiko, was sie zu vorteilhafteren alternativen Organismen als E. coli macht.

Durch die Kombination seiner Produktionskapazität mit seiner Beständigkeit gegen extreme Salzgehaltsbedingungen sind Mikroorganismen als Quelle industrieller Produkte sowohl im pharmazeutischen als auch im kosmetischen und biotechnologischen Bereich von großem Interesse.

Einige Beispiele:

Enzyme

Viele industrielle Verfahren werden unter extremen Bedingungen entwickelt, was ein Anwendungsfeld für Enzyme bietet, die von extremophilen Mikroorganismen produziert werden und bei extremen Werten wie Temperatur, pH-Wert oder Salzgehalt wirken können. So wurden Amylasen und Proteasen beschrieben, die in der Molekularbiologie verwendet werden.

Polymere

In ähnlicher Weise sind halophile Bakterien Hersteller von Polymeren mit Tensid- und Emulgiereigenschaften, die in der Ölindustrie von großer Bedeutung sind, da sie zur Gewinnung von Rohöl aus dem Untergrund beitragen.

Kompatible gelöste Stoffe

Die gelösten Stoffe, die diese Bakterien in ihrem Zytoplasma ansammeln, haben eine hohe Stabilisierungs- und Schutzkraft von Enzymen, Nukleinsäuren, Membranen und sogar ganzen Zellen gegen Einfrieren, Austrocknen, Hitzedenaturierung und hohen Salzgehalt.

All dies wurde in der Enzymtechnologie sowie in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie eingesetzt, um die Lebensdauer von Produkten zu verlängern.

Biologischer Abbau von Abfällen

Halophile Bakterien sind in der Lage, giftige Abfälle wie Pestizide, Pharmazeutika, Herbizide, Schwermetalle sowie Öl- und Gasextraktionsverfahren abzubauen.

Lebensmittel

Auf dem Gebiet der Lebensmittel beteiligen sie sich an der Herstellung von Sojasauce.

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