Untersuchungen zur individuellen Entwicklungskinetik vonGallionella ferruginea in statischer Mikrokultur

Abstract

The velocity of individual development of the iron bacteriumGallionella jerruginea starting from the point of stalk elongation was determined quantitatively in microculture. In vivo measurements were done by determining stalk elongation, generation time and velocity of cell rotation on individualGallionella-stalks with apical cells developing up to 3-4 generations. The experiments led to the following results:

• 1. In the presence of ferrous iron and under microaerophilic growth conditions, the development ofGallionella-stalks in microcultures starts immediately after closing the small culture chambers (slide culture). TheGallionella individuals grow in one-layered microzones nearly parallel to the surface of the liquid.

• 2. The velocity of stalk elongation, up to the first cell division, is 40 to 60 μm/h; in well growing cultures it increases to 80–90 μm/h. The velocity of development in microculture is 2–4 times greater than in natural environments (Hanert, 1973).

• 3. The stalk development starting from an individualGallionella-thread with apical cell is highest limited to the 3rd–4th generation. It stops after 22–26 h. The maximal total length of all stalk branches formed during this time is 2200–2900 μm.

• 4. The limitation of individual stalk development after 3–4 division cycles is not caused by limited nutrition or exocellular products in the batch cultures. It is not a function of the special environment because it was found that the stalk development in a natural flowing system is also limited to 2 generations (unpublished). Therefore the limitation must be effected by a special intracellular limiting factor.

• 5. The average generation time of individualGallionella development requires 5–7 h. In the first generation the cells divide nearly synchronously, in the second there are differences of 2–5 h even among daughter cells. The period up to the first cell division is 1.5–2 h on an average. Compared with development under natural conditions, cell division in microculture occurs more rapidly.

• 6. It was shown that the developingGallionella-stalks with apical cells elongate only unipolarly at the free non-sessile end of the stalks which extends into the culture medium. The apical cell rotates round its y-axis. At each rotation of 360°, the stalk elongates in a length of λ, i.e. twice the distance between two twists of a stalk.

Zusammenfassung

Die individuelle Entwicklungsgeschwindigkeit des EisenbacteriumsGallionella ferruginea wurde vom Beginn der Bandbildung an über mehrere Generationen quantitativ untersucht. Die Messungen wurden in vivo an einzelnenGallionella-Bändern durchgeführt. Für die Untersuchungen wurde ein Mikrokulturverfahren erarbeitet, bei dem dieGallionella-Bänder während ihrer Bildung mikroskopisch quantitativ vermessen werden konnten. Bestimmt wurden Geschwindigkeit der individuellen Bandlängenzunahme in aufeinanderfolgenden Generationen, Generationszeit und Drehgeschwindigkeit der Apicalzelle. Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:

• 1. Die Bandentwicklung beginnt in Mikrokulturen bei Anwesenheit von Eisen(II) und unter mikroaerophilen Bedingungen unmittelbar nach Kulturansatz. Sie erfolgt zoniert in einschichtigen Wachstumszonen.

• 2. Die Längenzunahme derGallionella-Bänder bis zur 1. Teilung der Apicalzelle beträgt 40–60 μm/Std. In gut wachsenden Kulturen steigt die Bandlängenzunahme bis zu einer Geschwindigkeit von 80–90 μm/Std an. Verglichen mit der Entwicklung unter natürlichen Bedingungen (Hanert, 1973) ist die Geschwindigkeit 2–4 mal größer als in der natürlichen Umgebung.

• 3. Die individuelle Bandentwicklung vom Einzelband mit Apicalzelle ausgehend und über mehrere Generationen mit Tochterapicalzellen verlaufend, ist begrenzt. Sie wird spätestens in der 3. und 4. Generation eingestellt und erstreckt sich maximal über 22–26 Std. In dieser Zeit entsteht einschließlich aller in den verschiedenen Generationen gebildeten Bandabschnitte eine Gesamtbandlänge von maximal 2200–2900 μm.

• 4. Die Einstellung der individuellen Bandentwicklung nach einer Generationsfolge on maximal 3-4 Cyclen ist nicht auf eine Substratbegrenzung in den statischen Kulturen zurückzuführen, sondern wird intracellulär verursacht.

• 5. Bei einer Individualentwicklung bis zur 4. Generation beträgt die mittlere Generationszeit in den Mikrokulturen 5–7 Std. Die Teilung der Apicalzelle erfolgt in der 1. Generation annähernd synchron, in der 2. Generation treten auch bei Tochterzellen Zeitdifferenzen von 2–5 Std auf. Die Zeitspanne bis zur 1. Teilung der Apicalzelle ist kurz und beträgt im Mittel 1,5–2 Std. Verglichen mit der Entwicklung unter natürlichen Bedingungen sind die Generationszeiten in den Mikrokulturen bedeutend kürzer.

• 6. Die Länge derGallionella-Bänder nimmt ausschließlich unipolar am freien sich in den Kulturraum erstreckenden Bandende zu. An dieser Stelle befindet sich die von Cholodny (1924) an Aufwuchspräparaten erstmals beobachtete Apicalzelle. Sie ist um ihre y-Achse frei beweglich und dreht sich während der Bandentwicklung, wobei die Bandlänge bei einer Zelldrehung von 360^o (2π) um λ (Abstand zwischen 2 Bandknoten = λ/2) zunimmt.