Siliciumstoffwechsel bei Mikroorganismen

Zusammenfassung

• 1. Die Infrarot-Spektren von vier verschiedenen Medien, die zu Warburg-Versuchen benutzt wurden, ergaben, daß bei der Belüftung von Silicat-Glucose-Lösungen oder Suspensionen von Quarz in Glucoselösung −Si−OH,−Si−H, Si−C und −Si−O−C−Gruppen gebildet werden. Die Bildung dieser Komponenten ist bei der Quarz-Suspension davon abhängig, ob die Quarzpartikel vor oder nach Belüftung der Glucoselösung zugesetzt werden. Bei der Silicat-Glucose-Lösung ergaben sich diese Unterschiede nicht.

• 2. Die Inkubation von Proteus mirabilis in Medien, die Silicat anstelle von Phosphat enthalten, führt zur Bildung von Kohlenhydrat-Kieselsäure-Estern und zu nachhaltigen Veränderungen der enzymatischen Eigenschaften der Organismen.

• 3. Warburg-Versuche mit Pr. mirabilis Suspensionen, die in Si-haltigen Lösungen vorinkubiert wurden, zeigten, daß bei der Oxydation endogener Substrate oder Glucose die Phosphorsäure voll durch Kieselsäure zu ersetzen ist; in geringerem Umfang gilt dies auch für Quarz. Werden die Bakterien in Si-Glucose-Lösungen vorinkubiert, so ergibt sich folgendes Bild: Nach 24stündiger Vorinkubation tritt in Gegenwart von Phosphat keine Veratmung endogener Substrate auf, und die Glucose-Oxydation liegt um 50% niedriger als bei Zusatz von Silicat oder Quarz. Nach dreitägiger Vorinkubation tritt weder bei der Veratmung endogener Substrate noch bei der Glucose-Oxydation eine Hemmung durch Phosphat ein, was vermutlich auf die Akkumulation einer anorganischen und organischen Si-Reserve zurückzuführen ist.

• 4. Werden die Bakterien nicht durch Vorinkubation an Silicat gewöhnt, so tritt bei diesen Zellen anfangs eine schwache Hemmung der Glucose-Oxydation in Gegenwart von Silicat auf. Nach dieser Umstellungsphase (2–3 Std) ist die Veratmung der Glucose sowohl mit Phosphat als mit Silicat intensiver als ohne Zusatz von Phosphorsäure oder Kieselsäure.

• 5. Nach Inkubation in Si-haltigen Medien vermehren sich die Bakterien in den normalen P-haltigen Medien weiter, was darauf hinweist, daß keine Schädigung eingetreten ist. Allerdings setzt die logarithmische Phase etwa 5 Std später ein als bei Bakterien, die aus den normalen (P-haltigen) Medien überimpft wurden. Die zuvor untersuchten enzymatischen Veränderungen des Stoffwechsels bei Kieselsäure-Zusatz sind demnach reversible.

Summary

• 1. Infrared spectra of four different media, used for the incubation in Warburg assays show that −Si−OH,−Si−H, −Si−C, and −Si−O−C groups are formed during the aeration of quartz suspensions in glucose or silicate solutions in glucose. Different compounds are formed if the glucose is added to quartz suspensions after aeration, whereas by preor post-addition of glucose to aerated silicate solutions the main compounds obtained are similar.

• 2. The incubation of Proteus mirabilis in media containing silicate instead of phosphate, leading to the formation of carbohydrate-silicate esters, shows various effects on the enzymic properties of the organisms.

• 3. Warburg-assays with P. mirabilis cells, pre-incubated in silicate solutions show, that phosphate can be fully replaced by silicate and somewhat less by quartz for the oxydation of endogenous substrates as well as glucose. Experiments with bacteria pre-incubated in glucosecontaining silicate solutions gave the following results: After 1 day of pre-incubation the respiration of endogenous substrates is totally inhibited in the presence of phosphate, and about 50% inhibition is obtained for the oxydation of glucose as compared to the respiration in presence of silicate or quartz. After 3 days of pre-incubation phosphate does not inhibit the oxydation of both endogenous substrates and glucose, which we think is due to the accumulation of inorganic and organic silicate pools within the cells.

• 4. P. mirabilis cells not pre-adapted to silicate show a weak inhibition of the glucose oxydation only during the first 2–3 hours in the presence of silicate. After this period the oxydation in presence of both phosphate or silicate is more intense than without these additions.