Ist es für alle sicher, im Winter im selben Becken ein Thermalbad zu nehmen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Der Winter naht langsam und für viele Menschen sind heiße Quellen zur ersten Wahl geworden, wenn es um die Entspannung geht. Tauchen Sie ein in das dampfende Thermalbecken und genießen Sie das wohlige Gefühl, wenn die Kälte vorbei ist. Haben Sie sich jedoch schon einmal gefragt, ob es völlig sicher ist, in einem gemeinschaftlich genutzten Thermalbecken zu baden?

Heiße Quellen entstehen durch heißes Wasser, das auf natürliche Weise aus dem Untergrund sprudelt. Obwohl Umgebungen mit hohen Temperaturen tatsächlich die meisten Mikroorganismen abtöten können, verfügen einige spezielle Mikroorganismen über die Fähigkeit, sich an hohe Temperaturen anzupassen und in solchen Umgebungen sogar zu überleben und sich zu vermehren.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler umfangreiche Forschungen zu heißen Quellen und den mikrobiellen Gemeinschaften in heißen Quellen durchgeführt. Beispielsweise wurden heiße Quellen im Yellowstone-Nationalpark in den USA und in geothermischen Gebieten in Neuseeland intensiv untersucht, um ihre mikrobielle Vielfalt aufzudecken. In ähnlicher Weise haben Wissenschaftler in unserem Land systematische Untersuchungen an heißen Quellen in Yunnan, Tibet, Hainan und anderen Regionen durchgeführt und uns wertvolle Daten für ein umfassenderes Verständnis der Ökologie heißer Quellen geliefert.

Heiße Quellen an verschiedenen geografischen Standorten haben einzigartige mikrobielle Gemeinschaften

Die mikrobielle Struktur und Vielfalt heißer Quellen werden stark von physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Temperatur und pH-Wert beeinflusst.

Die drei größten heißen Quellen in der Region Haikou – die Rongyu-Thermalquelle auf der Insel Haidian, die Happy Farm-Thermalquelle am Krater und die Haichangliu-Thermalquelle an der Westküste – verfügen alle über ein alkalisches Wasserumfeld. Studien haben gezeigt, dass physikalische und chemische Faktoren wie Temperatur, pH-Wert, Phosphor, Nitrat, Stickstoff und Magnesium erhebliche Auswirkungen auf die Pilz- und Bakteriengemeinschaften in den heißen Quellen von Haikou haben. Verschiedene Kombinationen und Ausprägungen dieser Faktoren prägen gemeinsam die Struktur und Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften heißer Quellen und liefern wichtige Hinweise für unser Verständnis der Ökosysteme heißer Quellen.

Physikalisch-chemische Eigenschaften verschiedener heißer Quellen auf der Insel Haidian, Haikou, Hainan

(T: Temperatur; TP: Gesamtphosphor; NN: Nitratstickstoff; Ca: Calcium; Mg: Magnesium; Se: Selen; Cd: Cadmium; Pb: Blei)

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Anzahl der Pilz- und Bakteriengemeinschaften in drei verschiedenen heißen Quellen in der Region Haikou

(Bildquelle: Referenz 1)

Einige thermophile Mikroorganismen weisen eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit auf, um in verschiedenen geothermischen Gebieten zu überleben. Im Jahr 2021 führten Forscher der University of Auckland in Neuseeland eine eingehende Analyse von Wasserproben aus sechs Thermalbecken in der Taupo-Vulkanzone durch und fanden heraus, dass ein Mikroorganismus namens Acidithiobacillus in verschiedenen geothermischen Umgebungen weit verbreitet ist. Der pH-Wert dieser heißen Quellen reicht von extrem sauren 1,00 bis zu neutralen 7,50, und die Temperaturspanne ist sogar noch erstaunlicher, nämlich von 17,5 °C bis 92,9 °C, was die hohe Anpassungsfähigkeit dieser Mikroorganismen an extreme Umgebungen zeigt.

pH-Wert, Temperaturbereiche und Wasserchemie von 6 geothermischen Umgebungen

(Bildquelle: Referenz 2)

Warum können sie in heißen Quellen überleben?

Durch die Analyse der Genomsequenz von Acidithiobacillus entdeckten die Forscher die genomische Anpassungsfähigkeit einiger thermophiler Mikroorganismen an Umgebungen mit hohen Temperaturen.

1. Hoher GC-Gehalt: Wir wissen, dass die Genome aller Organismen aus Nukleotiden bestehen, darunter Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Purin und Pyrimidin sind durch Wasserstoffbrücken verbunden. Das Genom von Acidithiobacillus hat einen hohen GC-Gehalt. GC-Basenpaare sind aufgrund ihrer drei Wasserstoffbrücken stabiler als AT-Basenpaare mit ihren zwei Wasserstoffbrücken, was GC-reiche DNA bei hohen Temperaturen stabiler macht.

2. Hoher Prolingehalt: Die Proteine ​​von Organismen bestehen aus 20 Arten von Aminosäuren, darunter Prolin, eine Aminosäure, die die thermische Stabilität von Proteinen erhöhen kann, da sie die Konformationsfreiheit der Proteinhauptkette verringern kann. Einfach ausgedrückt: Vergleicht man Protein mit einer Kette, die sich frei biegen kann, dann sind gewöhnliche Aminosäuren wie flexible Kettenglieder und Prolin ist wie ein starres Glied in der Kette, das die Biegung der Kette in bestimmte Richtungen einschränkt. Diese Einschränkung hilft dem Protein, eine spezifische dreidimensionale Struktur zu bilden. Daher kann diese Eigenschaft Acidithiobacillus dabei helfen, die Struktur und Funktion seiner Proteine ​​in Umgebungen mit hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten.

3. Genomvereinfachung: Die Studie ergab, dass die durchschnittliche Genomgröße der taiwanesischen Thermalquellenstämme nur 2,1 ± 0,3 Mbp betrug und damit deutlich kleiner war als das Referenzgenom von Acidithiobacillus (3,3 ± 0,4 Mbp), was auf das Phänomen der Genomvereinfachung hindeutet. Bei Prokaryoten, die sich an hohe Temperaturen anpassen, kommt es zu einem Phänomen der Genomstraffung, das den Mikroorganismen hilft, die für die Genomreplikation erforderlichen Ressourcen in ressourcenbeschränkten Umgebungen effizienter zu nutzen und so ihre Anpassungsfähigkeit an Hochtemperaturumgebungen zu verbessern.

4. Mechanismus der pH-Homöostase: Acidithiobacillus verfügt über eine Vielzahl von Enzymen und Proteinen, die mit der pH-Homöostase in Zusammenhang stehen, wie etwa Aminosäure-Decarboxylasen, Na+/H+-Antiporter und Protonenpumpen-ATPasen. Aminosäure-Decarboxylase katalysiert die Decarboxylierung von Aminosäuren zur Produktion von Kohlendioxid und den entsprechenden Aminen. Dieser Prozess verbraucht Wasserstoffionen in der Zelle und trägt so dazu bei, den Säuregehalt in der Zelle zu reduzieren. Na+/H+-Antiporter regulieren den pH-Wert, indem sie intrazelluläre Natriumionen gegen extrazelluläre Protonen austauschen. Die Protonenpumpe ATPase liefert Energie durch Hydrolyse von ATP, indem sie Protonen aus dem Zellinneren nach außen pumpt und so den Säuregehalt in der Zelle direkt reduziert.

Ist es sicher, im Winter ein Thermalbad zu nehmen?

Aus mikrobieller Sicht konnte in der aktuellen Forschung nicht festgestellt werden, dass Thermophile eine direkte Gefahr für den menschlichen Körper darstellen. Aus rein wärmeliebender Sicht ist das Baden in heißen Quellen daher im Allgemeinen unbedenklich. Thermophile sind eine Art extremer Mikroorganismen, die hauptsächlich an Umgebungen mit hohen Temperaturen angepasst sind. Die Wassertemperatur heißer Quellen liegt normalerweise zwischen 30 und 40 °C und ist damit weitaus niedriger als die optimale Wachstumstemperatur thermophiler Tiere (normalerweise über 50 °C). Daher unterliegt die Aktivität thermophiler Lebewesen unter den üblichen Bedingungen heißer Quellen gewissen Einschränkungen.

Der hygienische Zustand des Thermalwassers ist jedoch der entscheidende Faktor für die Sicherheit. Wenn die Thermalwasserquelle oder die Wasserqualität im Pool verunreinigt ist, können sich bestimmte pathogene Bakterien vermehren, beispielsweise gewöhnliche E. coli oder Legionellen. Obwohl die übliche Wassertemperatur von heißen Quellen (30–45 °C) eine gewisse hemmende Wirkung auf bestimmte Krankheitserreger hat, reicht sie nicht aus, um hochtemperaturresistente Mikroorganismen vollständig abzutöten. Diese Krankheitserreger können bei relativ niedrigen Temperaturen überleben und können eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen, insbesondere bei offenen Wunden oder einer schwachen Immunität.

Daher sollten Sie bei der Auswahl einer heißen Quelle Orten den Vorzug geben, in denen eine strenge Wasserqualitätskontrolle und regelmäßige Kontrollen durchgeführt werden. Trotzdem sollten Sie es vermeiden, Ihren Kopf beim Baden in einer heißen Quelle vollständig ins Wasser zu tauchen, und Ihren Körper nach dem Baden umgehend waschen, um das Risiko einer möglichen Infektion zu verringern . Heiße Quellen bieten im Winter eine gesunde Möglichkeit zur Entspannung. Sie können dieses Vergnügen jedoch sicherer genießen, wenn Sie sich über die Bedingungen des Hygienemanagements informieren und entsprechende Schutzmaßnahmen ergreifen.

Welche extremen Mikroorganismen gibt es neben der Hochtemperaturbeständigkeit noch?

Extremophile sind Mikroorganismen, die in Umgebungen wachsen können, die für andere Landorganismen unerträglich oder sogar tödlich sind. Sie können in einer Vielzahl extremer ökologischer Nischen überleben, darunter extreme Hitze, extreme Kälte, hoher Salzgehalt, starke Säuren und Basen, hoher Druck und Strahlung. Einige Mikroorganismen können sogar in Umgebungen wachsen, die bislang als lebensungeeignet galten, wie etwa Giftmüll, organische Lösungsmittel und Schwermetalle.

Die Vielfalt der extremen Umgebungen der Erde

(Bildquelle: Referenz 3)

1. Temperatur

Die Temperaturspanne auf der Erdoberfläche ist extrem groß und reicht von extrem heißen bis zu extrem kalten Umgebungen, von den extrem kalten Regionen der Antarktis (-98,6 °C) bis zu hydrothermalen Quellen in der Tiefsee (495 °C).

Der bisher bekannte kälteresistenteste Mikroorganismus ist Deinococcus geothermalis DSM 11300, der in einer Umgebung von -25 °C überleben kann, und der hitzeresistenteste Mikroorganismus ist Geogemma barossii Stamm 121, der in einer Umgebung von 130 °C überleben kann. Darüber hinaus müssen einige Hyperthermophile, die normalerweise bei hohen Temperaturen über 80 °C wachsen, wie beispielsweise Methanopyrus kandleri Stamm 116, auch unter Hochdruckbedingungen wachsen, da hoher Druck Wasser bei höheren Temperaturen flüssig halten kann.

2. Säure und Alkalität

Auch Umgebungen mit extremen pH-Werten stellen eine enorme Herausforderung für das Überleben von Mikroorganismen dar. Der niedrigste bekannte pH-Wert stammt vom Iron Mountain im Shasta County in Kalifornien, USA (pH 3,6), während der höchste pH-Wert vom Gorka-See im polnischen Chrzanow (pH 13,3) gemessen wurde. Allerdings wurden bisher keine Mikroorganismen entdeckt, die in diesen Umgebungen wachsen können.

Der bislang säurebeständigste Mikroorganismus ist Picrophilus oshimae, der in einer sauren Umgebung mit einem pH-Wert von 0 überleben kann. Wie sauer ist eine Umgebung mit einem pH-Wert von 0? Lassen Sie es mich so sagen: Der pH-Wert der industriell üblicherweise verwendeten 98%igen konzentrierten Schwefelsäure liegt nahe 0.

Der alkaliresistenteste Mikroorganismus, Serpentinomonas sp. B1 kann in einer alkalischen Umgebung mit einem pH-Wert von 12,5 stabil wachsen, was die erstaunliche Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen an extreme Umgebungen demonstriert.

3. Salz

Auf der Erde gibt es viele Arten von Salzumgebungen, von Ozeanen (Salzgehalt von etwa 3–4 %) über heiße Quellen (Salzgehalt von bis zu 10,5 %) bis hin zu Sodaseen (Salzgehalt von bis zu 37,1 %), die ein breites Spektrum von salzarm bis salzreich abdecken. Das mikrobielle Wachstum ist im Allgemeinen an Umgebungen mit einem Salzgehalt zwischen 0 % und 35 % angepasst.

Unter ihnen ist der Mikroorganismus, von dem derzeit bekannt ist, dass er den höchsten Salzgehalt verträgt, der Stamm Halarsenatibacter silvermanii SLAS-1T aus dem Searles Lake in Kalifornien, USA. Sein optimaler Wachstumssalzgehalt beträgt 35 % Natriumchlorid (NaCl). Bei Raumtemperatur beträgt die Sättigungslöslichkeit von Speisesalz (NaCl) in Wasser etwa 36–37 %. 35 % NaCl liegen nahe an der Sättigung. Wenn Sie also wissen möchten, wie salzig das Wasser für das Leben dieser extrem salztoleranten Bakterien ist, können Sie es mit gesättigtem Salzwasser versuchen.

4. Druck

In Tiefseeumgebungen haben Wissenschaftler eine Vielzahl barophiler Mikroorganismen entdeckt, die unter extrem hohem Druck überleben können. Der derzeit bekannte Rekordhalter ist Thermococcus piezophilus, ein thermophiles Archaeon, das Drücken von bis zu 125 MPa standhalten kann.

Ein Druck von 125 MPa entspricht einem Gewicht von etwa 1.250 kg pro Quadratzentimeter, was etwa dem Druck eines Kleinwagens auf eine Fläche von der Größe eines Daumens entspricht.

5. Strahlung

Zu der Strahlung, der Mikroorganismen ausgesetzt sind, gehören Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen usw. Strahlung kann mikrobielle Zellen durch direkte oder indirekte Effekte (wie etwa die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies) schädigen und so DNA, Proteine, Lipide und RNA schädigen. Strahlenresistente Mikroorganismen wie das radiotolerante thermophile Archaeon Thermococcus gammatolerans EJ3 können Gammastrahlen bis zu 30 kGy standhalten.

Lebensgrenzen durch Reinkultur von Extremophilen bestimmt

(Bildquelle: Referenz 3)

Zusammenfassen

Extreme Mikroorganismen zeigen die Fähigkeit des Lebens, sich an extreme Umgebungen anzupassen, von heißen Quellen mit hohen Temperaturen bis hin zu hohem Druck in der Tiefsee. Aufgrund ihrer einzigartigen genomischen Eigenschaften und Stoffwechselmechanismen können sie in Umgebungen überleben, die für normale Menschen unerträglich sind.

Obwohl es in heißen Quellen einige thermophile Mikroorganismen gibt, stellen diese bei den üblichen Wassertemperaturen heißer Quellen normalerweise keine Gefahr für den Menschen dar. Die Sicherheit von Thermalquellen hängt in erster Linie von der Wasserqualität ab. Daher ist es wichtig, eine Thermalquelle mit guten sanitären Bedingungen auszuwählen. Durch entsprechende Schutzmaßnahmen können potenzielle Gesundheitsrisiken deutlich reduziert werden.

(Hinweis: Lateinische Teile im Text sollten kursiv gedruckt werden)

Quellen:

1. Shu Wei, Tian Xiaoyu und Zhao Hongwei. (2020). Analyse der Pilz- und Bakterienvielfalt und der Umwelteinflussfaktoren in heißen Quellen in Haikou, Hainan. Zeitschrift für Mikrobiologie (09), 262+2000-2011. doi:10.13343/j.cnki.wsxb.20200145.

2. Sriaporn, C., Campbell, KA, Van Kranendonk, MJ und Handley, KM (2021). Genomische Anpassungen ermöglichen die Verbreitung von Acidithiobacillus über einen weiten Temperatur- und pH-Bereich heißer Quellen. Mikrobiom, 9(1), 135.

3. Merino, N., Aronson, HS, Bojanova, DP, Feyhl-Buska, J., Wong, ML, Zhang, S. & Giovannelli, D. (2019). Leben an den Extremen: Extremophile und die Grenzen des Lebens im planetarischen Kontext. Grenzen der Mikrobiologie, 10, 780.