Einführung in die Umweltwissenschaften

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1 Einführung in die Umweltwissenschaften Heribert Cypionka Mikrobiologische Grundlagen - Rolle der Mikroorganismen in der Natur - Beispiel Meer - Biogeochemie, Mikrobielle Ökologie, Umweltmikrobiologie - Dogma der biologischen Unfehlbarkeit 1

2 Homepage Das Meer 362 Mio km 2 mittlere Tiefe 3700 m: cm 3 1 Mol cm 3 1 cm 3 Meer Wasser: 1/ Moleküle Salze: ~3.5 %, Na +, Cl -, Mg 2+, SO 2-4, Silikat, H +... Temperatur: -1.7 bis >27 C Gase: N 2, O 2, CO 2,... Organismen: Diatomeen, (Dino-)flagellaten, Bakterien,... Organische Substanzen: Partikel, Gel, Gelöste Stoffe 2

3 Das Meer 1 cm 3 Meerwasser 1 cm 3 Meer Organismengruppe: Phytoplankton in der Nordsee Primärproduktion: CO 2 + H 2 O <CH 2 O> + O 2 Wichtige Gleichung Fiktive Biomasse-Einheit Wovon hängt ab, wieviel Primärproduktion es gibt? 1 cm 3 Meer Licht, Temperatur, limitierende chemische Verbindungen Was sind limitierende Faktoren? N, P, Fe, (Si, CO 2 ) Entscheidend sind Substanzen, die (fast) nicht da sind! Liebig's Gesetz vom Minimum... Redfield-Verhältnis im Plankton: C:N:P = 106:16:1 Verbesserte Formel für Biomasse <CH 2 O> : <C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 > Wichtig Neben N und P ist Fe im offenen Ozean oft limitierender Faktor. 3

4 Bakterien in der Nordsee 1 cm 3 Meer Wovon hängt die Anzahl der Bakterien ab? Z - V : Zuwachs - Verbrauch Befinden wir uns im Fließgleichgewicht (steady state)? steady state: Z = V Sehe ich die Bakterien im Mikroskop? Abstand 10 6 pro ml, 10 4 pro 10 µl, Deckglas 20 x 20 mm 2 = 400 mm 2 Gesichtsfeld bei 100er Objektiv: 0.2 x 0.2 = 0.04 mm 2 => 1 Zelle pro Gesichtsfeld 4

5 Abstand der Bakterien voneinander Abstand 1 mm 10 6 Bakterien cm -3 = 10 3 Bakerien mm -3 1 mm 1 mm Bei gleichmäßiger Verteilung >0.1 mm Oft aggregiert auf Flocken => dichter bzw. noch weiter auseinander Vergleich: Phytoplankton Bakterien (Nordsee) 1 cm 3 Meer Bakterien haben 1/3 der Biomasse und eine Produktion von etwa 1/6 der Primärproduktion. 5

6 DOC Meerwasser ist für Bakterien wie ein Gel. In 1 cm 3 befinden sich mehr als 1000 km polymere Verbindungen. z.b.: 1mm DNA pro Bakterium = 1 km pro 10 6 Bakterien DNA macht nur 1 % der Bakterien-Trockenmasse aus, das meiste sind Protein und Polysaccharide Bakterien haben nur einen Bruchteil des C im Vergleich mit gelösten und partikulären organischen Substanzen (DOC, POC) Nordsee 6

7 Was tun die Bakterien? Nahrungskette Nahrungskette? Lineares Denken... Wie kann es dazu kommen, das der Anteil der Bakterien an der Produktion und Biomasse bei sinkender Produktion zunimmt? 1 cm 3 Meer Simon et al.: Bacteria in Lakes and Oceans Je weniger Phytoplankton desto größer der Anteil der Bakterien an der Biomasse und an der Produktion. 7

8 Nahrungsnetz Nahrungsnetz Mafia oder die heimlichen Chefs Microbial Loop: Die Bakterien stehen nicht am Ende der Nahrungskette sondern sind aktiv als Konkurrenten um Nährstoffe (N, P, Fe) und Verwerter gelöster organischer Substanzen. Lineares Denken... Eisen Eisen im Meer 8

9 Primärproduktion Primärproduktion im Meer marin: t CO 2 a -1 terrestrisch: t CO 2 a -1 Euphotische Zone Mittlere Produktion der Ozeane: 69 g C m -2 a -1 Merke: 1 Tafel Schokolade pro Jahr und m 2 Prozesse in einem Sediment 9

10 Abbau Biologische Umwege... Nur die Hälfte der organischen Substanz wird direkt mit Sauerstoff als Elektronenakzeptor oxidiert Die andere Hälfte wird vergoren und mit Hilfe von Sulfatreduktion oxidiert Das gebildete Sulfid wird mit der Hälfte des verbrauchten Sauerstoffs (durch lithotrophe Bakterien) reoxidiert Wichtig Dogma der biologischen Unfehlbarkeit: Was auf biotischem Wege gebildet wurde, kann auch durch Organismen (Mikroorganismen!) wieder abgebaut werden. Gilt ohne Ausnahme, allerdings nicht ohne Umwege und Randbedingungen. 10

11 Wie gut sind die biogeochemischen Kreisläufe? CO 2 -Umsatz global (in 10 9 t/a) Photosynthese CO 2 -Fix. (<CH 2 O>) Land 129 marin 146 Reservoirs (in 10 9 t CO 2 ) Luft (=0.034 Vol.%, steigend) Ozeane (CO 2 ) C red Kohle, Öl, Gas Sedimente, Methanhydrat Lebende Biomasse (50 % Bakterien) C-Kreislauf +Methanhydrate Wichtig C- Kreislauf 11

12 Produktion aus >100 Jahren, die noch nicht recyclisiert ist Aber Leben seit 3.5 * 10 9 Jahren Entwicklung höherer Org. an Land 0.5 * 10 9 a > 99 % ist wieder abgebaut Der Luftsauerstoff (und noch mehr Oxidationkraft) stammt aus der verbleibenden Spur der nicht mineralisierten Biomasse Fossile Energievorräte ebenso Uns gibt es nur, weil das Dogma der biologischen Unfehlbarkeit nicht ganz verzögerungsfrei erfüllt wird. 12

13 Forschergruppe "BioGeoChemie des Watts" 13

14 Forschungsschiff 'JOIDES Resolution' (Integrated Ocean Drilling Program) Populationen sulfatreduzierender Bakterien im obersten Zentimeter eines Sediments Watt Vergleich von amplifizierten 16 S rrna-banden von Reinkulturen und Sediment (0-10 mm) aus Schiermonnikoog durch Denaturierende Gradienten-Gel- Elektrophorese (DGGE) Elze Wieringa Mit molekularbiologischen Methoden lassen sich lassen sich verschiedene Bakterien einer eng verwandten Gruppe nachweisen. 14

15 Mikrokolonie Wachstum von Bakterien in einer Eisensulfid-Flocke mikrobiologischer-garten.de www. mikrobiologischer-garten.de 15

16 welcome pictures www. icbm.de/pmbio Bücher (2) 16