GERBAM — Deuxième Colloque International de Bactériologie marine — CNRS, Brest, 1-5 octobre 1984
IFREMER, Actes de Colloques, 3, 1986, pp. 301-309
35
METABOLISM OF CYANOBACTERIA IN ANAEROBIC MARINE SEDIMENTS
L.J. STAL and W.E. KRUMBEIN
Geomicrobiology Division, University of Oldenburg, D-2900 OLDENBURG (FRG)
ABSTRACT - Two cyanobacteria isolated from marine microbial mats metabolized endogenous carbon reserves
anaerobically in the dark. Microcoleus chthonoplastes reduced elemental sulfur to sulfide and Oscillatoria sp.
additionally produced lactate in the absence of elemental sulfur. Under nitrogen fixing conditions, however, no
sulfur reduction occurs. Lactate fermentation appeared to be the mechanism of anaerobic carbon degradation
under these conditions. With a nitrogenase-reducible substrate, e.g. acetylene, added, lactate fermentation as
well as sulfur reduction stops in cultures of Oscillatoria containing nitrogenase. In this case only ethylene
production was observed. These cyanobacteria seem to possess the capability to carry out anaerobic dark
metabolism constitutively. No lag-period was observed in utilization of carbon reserve polymer or in product
formation after transferring the cultures from the light to the dark under anaerobic conditions.
Key words: cyanobacteria, anaerobic, lactate fermentation, sulfur reduction, nitrogen fixation
RÉSUMÉ - Deux cyanobactéries isolées de tapis bactériens marins métabolisent des réserves carbonées endogènes en anaérobiose et à l’obscurité. Microcoleus chthonoplastes réduit le soufre élémentaire en sulfure et
Oscillatoria sp. produit en plus du lactate en l’absence de soufre élémentaire. Toutefois, sous conditions de
fixation de l’azote, la réduction du soufre ne se produit pas. La fermentation du lactate semble être, dans ce cas,
le mécanisme de dégradation anaérobie du carbone. Par addition d’un substrat nitrogénase réductible tel que
l’acétylène, la fermentation du lactate tout comme la réduction du soufre s’arrêtent dans les cultures d'Oscillatoria contenant une nitrogénase. Dans ce cas, seule la production d’éthylène est observée. Ces cyanobactéries
semblent pouvoir effectuer leur métabolisme de constitution en anaérobie et à l’obscurité. Aucun délai n’est
observé dans l’utilisation des polymères carbonés de réserve ou dans la formation de produits, après transfert
des cultures de la lumière à l’obscurité sous conditions anaérobies.
Mots clés: cyanobactéries, anaérobie, fermentation du lactate, réduction du soufre, fixation d’azote.
INTRODUCTION
In recent years, microbial mat systems have received increasing attention (Cohen et al,
1984 ; Jorgensen et al, 1983; Stal et al, 1984b). The majority of microbial mats usually are
vertically stratified communities of distinct populations of microorganisms. They are
small scale microbial ecosystems. Although not exclusively, they are particulary abundant in marine intertidal environments (Walter, 1976).
Cyanobacteria (blue-green algae) play a key role in the development of the microbial mat
and are the main mat building organisms (Jorgensen et al, 1983; Stal et al, 1984b).
Cyanobacteria are predominantly oxygenic phototrophic organisms. They use water as
electron donor, producing oxygen. Photosynthesis by cyanobacteria presents the main
input of organic material in intertidal sandy sediments. As organic material accumulates,
heterotrophic bacteria will decompose it, hereby producing anaerobic conditions beneath
the cyanobacterial mat. Anaerobic conditions allow sulfate reducing bacteria to develop.
301
IFREMER, Actes de Colloques, 3, 1986, pp. 301-309
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METABOLISM OF CYANOBACTERIA IN ANAEROBIC MARINE SEDIMENTS
L.J. STAL and W.E. KRUMBEIN
Geomicrobiology Division, University of Oldenburg, D-2900 OLDENBURG (FRG)
ABSTRACT - Two cyanobacteria isolated from marine microbial mats metabolized endogenous carbon reserves
anaerobically in the dark. Microcoleus chthonoplastes reduced elemental sulfur to sulfide and Oscillatoria sp.
additionally produced lactate in the absence of elemental sulfur. Under nitrogen fixing conditions, however, no
sulfur reduction occurs. Lactate fermentation appeared to be the mechanism of anaerobic carbon degradation
under these conditions. With a nitrogenase-reducible substrate, e.g. acetylene, added, lactate fermentation as
well as sulfur reduction stops in cultures of Oscillatoria containing nitrogenase. In this case only ethylene
production was observed. These cyanobacteria seem to possess the capability to carry out anaerobic dark
metabolism constitutively. No lag-period was observed in utilization of carbon reserve polymer or in product
formation after transferring the cultures from the light to the dark under anaerobic conditions.
Key words: cyanobacteria, anaerobic, lactate fermentation, sulfur reduction, nitrogen fixation
RÉSUMÉ - Deux cyanobactéries isolées de tapis bactériens marins métabolisent des réserves carbonées endogènes en anaérobiose et à l’obscurité. Microcoleus chthonoplastes réduit le soufre élémentaire en sulfure et
Oscillatoria sp. produit en plus du lactate en l’absence de soufre élémentaire. Toutefois, sous conditions de
fixation de l’azote, la réduction du soufre ne se produit pas. La fermentation du lactate semble être, dans ce cas,
le mécanisme de dégradation anaérobie du carbone. Par addition d’un substrat nitrogénase réductible tel que
l’acétylène, la fermentation du lactate tout comme la réduction du soufre s’arrêtent dans les cultures d'Oscillatoria contenant une nitrogénase. Dans ce cas, seule la production d’éthylène est observée. Ces cyanobactéries
semblent pouvoir effectuer leur métabolisme de constitution en anaérobie et à l’obscurité. Aucun délai n’est
observé dans l’utilisation des polymères carbonés de réserve ou dans la formation de produits, après transfert
des cultures de la lumière à l’obscurité sous conditions anaérobies.
Mots clés: cyanobactéries, anaérobie, fermentation du lactate, réduction du soufre, fixation d’azote.
INTRODUCTION
In recent years, microbial mat systems have received increasing attention (Cohen et al,
1984 ; Jorgensen et al, 1983; Stal et al, 1984b). The majority of microbial mats usually are
vertically stratified communities of distinct populations of microorganisms. They are
small scale microbial ecosystems. Although not exclusively, they are particulary abundant in marine intertidal environments (Walter, 1976).
Cyanobacteria (blue-green algae) play a key role in the development of the microbial mat
and are the main mat building organisms (Jorgensen et al, 1983; Stal et al, 1984b).
Cyanobacteria are predominantly oxygenic phototrophic organisms. They use water as
electron donor, producing oxygen. Photosynthesis by cyanobacteria presents the main
input of organic material in intertidal sandy sediments. As organic material accumulates,
heterotrophic bacteria will decompose it, hereby producing anaerobic conditions beneath
the cyanobacterial mat. Anaerobic conditions allow sulfate reducing bacteria to develop.
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