Mikrobielle Ökologie. Mikrobielle Ökologie. Terrestrische Mikrobiologie. SS 2006 Martin Könneke

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1 Mikrobielle Ökologie Terrestrische Mikrobiologie Interaktion mit Pflanzen Rhizosphäre & Phyllosphäre Abbau von organischem Material in Böden Saprophytische Mikrooganismen SS 2006 Martin Könneke Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen Sporenbildner im Böden Mikrobielle Ökologie Marine Habitate (10.Mai) Limnische Habitate (12.Mai) Terrestrische Habitate (15. Mai) Mikroorganismen in Mensch & Tier (17. Mai) Anthropogene Habitate (19. Mai) etwa 30% der Erdoberfläche sind von terrestrischen Habitaten bedeckt Klima entscheidender Umweltfaktor Terrestrische Habitate Land ist kein Kontinium; es gibt viele geographische Barrieren (Trennung der Kontinente) Wasserversorgung limitierender Faktor Temperaturschwankungen und Temperaturextreme an Luft ausgeprägter Schnelle Luftzirkulation; konstante Zufuhr on Sauerstoff Böden ist die wichtigste globale Quelle vieler Nährstoffe Stickstoff (N), Phosphor (P) und Eisen (Fe) 1 2

2 Vergleich eines terrestrisches (Wiese) und eines aquatischen (See oder Meer) Habitats Zonierung von Böden (Odum Ökologie ) Lebende und tote Komponenten eines Wiesenbodens (in % Trockenmasse) 3 4

3 Endosporen als Überdauerungsform Differenzierte Zellen, die innerhalb der Zelle gebildet werden Resistent gegen Hitze, Trockenheit, Strahlung, Chemikalien Ideale Strukturen für Verbreitung durch Wind, Wasser, Tierkot Endosporenbildner: Bacillus (aerob) und Clostridien (anaerob) Extrem Langlebig (bis 250 Millionen Jahre?) Endosporen (Bacillus megaterium) Besitz viele Schten, die nicht in vegetativen Zellen vorkommen Charakteristische Substanz: Dipicolinsäure Ca-Dipicolinsäue-Komplex reduziert Wasseranteil im Inneren der Endospore + stabilisierende Wirkung 5 6

4 Mikrobielle Interaktion mit Pflanzen Klassifizierung von Pilze Flechten: Symbiose zwischen Algen und Pilzen Mycorrhizae ( Wurzel-Pilz ): Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen Flechten: Symbiose zwischen Algen und Pilzen Wurzelknöllchen: Symbiose zwischen Pflanzen und Stickstoff-fixierenden Bakterien Ascomyceten (Neurospora, Saccharomyces) Erdboden, zerfallendes Pflanzenmaterial Basidiomyceten (zb. Knollenblätterpilz, Champignon) Erdboden, zerfallendes Pflanzenmaterial Zygomyceten (Rhizopus = gemeiner Brotschimmel) Erdboden, zerfallendes Pflanzenmaterial Oomyceten (Allomyces) Aquatisch Deuteromyceten (zb. Penicillium, Aspergillus, Candida) Erdboden, Pflanzenmaterial, Oberfläche von Tierkörpern) Pilze - Wichtige Mikroorganismen in Böden Filamentöse Pilze (Schimmelpilze) Eukaryoten: zb. besitzen Zellkern und Zellwand Chitin ist Hauptkomponente der Zellwand Chemoorganotroph, generell geringe Nahrungsansprüche Meist parasitisch oder saprophytisch Tolerieren extreme Temperaturen, geringe ph Werte, geringe Wasseraktivität Ubiquitäre Verbreitung durch Sporen 7 8

5 Ständerpilze (Ausbildung von Fruchtkörpern) Schleimpilze (Plasmodien ohne Zellwand) Flechten (Symbiose Pilz-Alge) Einzellige Pilze (Hefen, Vermehrung durch Knospung) 9 10

6 Wurzelknöllchen: Symbiose zwischen Pflanzen und N2-fixierenden Bakterien Symbiose zwischen Leguminosen und speziellen gramnegativen Bakterien Betrifft wichtige Kulturpflanzen wie Sojabohnen, Bohnen und Erbsen Fixierung von N2 in speziellen Wurzelknöllchen Selektionsvorteil durch Wachstum auf armen Böden, auf denen andere Pflanzen nicht wachsen Pflanzen und Bakterien synthetisieren gemeinsam O2 bindendes Leghämoglobin (gibt rote Färbung) Mycorrhizae Symbiose aus Pflanzenwurzeln und Pilzen Vermutlich fast alle terrestrischen Pflanzen mycorrhizal Ectomycorrhizae - Endomycorrhizae Pilze profitieren von organischen Verbindungen aus der Pflanze Pflanzen profitieren von vergrösserten Oberfläche und durch Abwehr anderer Pflanzen 11 12

7 Wurzelknöllchen an einer Sojapflanze Einfluss von Wurzelknöllchen auf den Zellertrag von Pflanzen 13 14

8 Symbiose zwischen Pflanzen und N 2 - fixierenden Bakterien Symbiose mit Leguminosen Struktur des Eisenmolybdo Co-Faktor von Nitrogenasen Pflanze Sojabohnen, Bohnen Erbse Klee Bakterium Rhizobium, Bradyrhizobium Rhizobium Rhizobium Andere Symbiosen Erle (Alnus) Rohrzucker Frankia Acetobacter Fixierung von elementarem Stickstoff (N 2 ) Nur Prokaryoten sind in der Lage N 2 zu fixieren Stickstoff-Fixierer können freilebend oder in Symbiose vorkommen Elektronenfluss Stellt die Reduktion von N 2 zu Ammonium für den Anabolismus dar Energieaufwendiger Prozess (Spaltung der Triple Bindung) Katalysiert durch den Enzymkomplex Nitrogenase Sauerstoff inaktiviert irreversibel die Funktion der Dinitrogenase-Reduktase Verschiedene Schutzmechanismen schützen den Prozess vor O 2 -Inaktivierung: a) Schnelle Entfernung von O 2 durch hohe Atmungsaktivität b) Schleimbildung (zb. Azotobacter) c) Ausbildung spezialisierter Zellen/ Kompartimente (zb. Cyanobakterien) Ökologischer Vorteil: Wachstum an Standorten ohne Ammonium oder Nitrat 15 16

9 Denitrifikation - Reduktion von Nitrat zu Stickstoff Anaerobe Atmung mit anorganischem Nitrat als Elektronenakzeptor Reduktion zu gasförmigen Verbindungen Lachgas (N 2 O), Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoff (N 2 ) Führt zu Verlust von Stickstoff in der Umwelt (Landwirtschaft - Abwasserreinigung) Initialer Schritt wird katalysert durch Nitratreduktase Viele fakultativ aerobe Prokaryoten können Denitrifizieren 17 18

10 Denitrifikation in Pseudomonas stutzeri Geschätzte Zahl Mikroorganismen in verschiedenen Habitaten - Verdauungssysteme 0, Ozeane, ca ml Böden 2, Limnische Systeme 0, Sedimente 0, Subsurface Beispiele aus: Whitman et al., Proc Natl Acad Sci USA 95: ,