Ein bewohnbares Milieu

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1 Was benötigt ein Organismus zum Leben? Energiequelle (chemische Reaktion) Kohlenstoffquelle (org. C, CO 2 ) Makronährstoffe (N, P, S, Mg, Ca, Fe) Spurenelemente (Mn, Co, Ni, W, Zn, Se, B, Mo, Cu) Wasser Ein bewohnbares Milieu Druck Bakterien haben keine Schwimmblase. Sind sie druckempfindlich? Bringe Luftballon in 1000 m Wassertiefe... 1 bar Druckanstieg pro 10 m, bei 1000 m 100 facher Druckanstieg?... gefüllt mit Luft O (1 %)?... oder mit Wasser O O (fast 100 %) Hohe Drücke haben einen Einfluß auf: - Siedepunkt und Viskosität des Wassers - Membranfluidität - Stabilität einiger Biomoleküle Barophile Mikroorganismen sind an hohe Drücke angepasst, z.b. höherer Anteil an ungesättigten Fettsäuren in Cytoplasmamembran, modifizierte Enzyme.

2 Wassergehalt Maß für den Wassergehalt ist die Wasseraktivität a w dest. Wasser a w = 1 normale Mikroorganismen a w = 0,9 Meerwasser a w = 0,98 halophile Mikroorganismen a w = 0,75 Salzseen a w = 0,75 xerophile Pilze a w = 0,7 Problem: Osmolarität Lösung: Compatible Solutes

3 z. B. Dimethylsulfoniopropionat (DMSP), Glycerin, Mannitol, Saccharose, Trehalose, Betain, Ectoin Ectoin CH 3 H 3 C N + CH 3 COOH CH 3 Betain Trehalose Compatible solutes aus hyperthermophilen Mikroorganismen (Environ Microbiol 4:501ff) Temperatur Leben ist an flüssiges Wasser gebunden. Gefrierpunkt von Seewasser: -1,8 C antarktisches Sea ice: -15 C Sea ice hat Klüfte und Spalten in denen noch unterkühltes flüssiges Wasser vorkommt. Mittelozeanische Rücken, geothermale Quellen Wegen des hohen Drucks noch bis 300 C flüssiges Wasser. Das derzeitige Rekord für hyperthermophile Mikroorganismen liegt bei 121 C (Kashefi & Lovley 2003 Science 301:934)

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5 ph-werte Vulkanböden Bergbaurestseen Böden, Moorgewässer Seen, Meerwasser alkalische Böden (Kalk) Sodaseen Picrophilus oshimae (ph -0,7-pH2) Acidithiobacillus acidophilus (bis ph1) Essigsäurebakterien (ph3-7) acidophile Bakterien (ph opt < 5) neutrophile Bakterien (ph opt 6-8) alkaliphile Bakterien (bis ph12, ph opt 10-11) Problem: Energiekonservierung

6 PMF = -F Ψ + R T ph PMF: Proton motive force Ψ: Membranpotential R: Allg. Gaskonstante F: Faraday-Konstante T: Temperatur [K] AUSSEN NADH Oxidase INNEN NADH Periplasma [H+] + H + H + Atmungskette e - Cyt o ATPase NAD + + H + H + ½ O 2 + 2H + H 2 O ADP + P i H + ATP Cytoplasma [H+] - Problem: Energiekonservierung Alkaliphile: Protonengradient? Na + Acidophile: PMF = -F Ψ + R T ph ph sehr groß Membran umpolen

7 PMF = -F Ψ + R T ph Aber: Organisches Material im Ökosystem liegt meist in polymerer Form vor. Lösung: Extrazelluläre Enzyme (Exoenzyme, werden freigesetzt) oder Ectoenzyme (außen an Zellwand oder periplasmatisch) Hydrolysereaktionen: - Polysaccharide (Chitinase, Cellulase,..) - Peptide (Peptidasen) - Phosphatasen - Esterasen (z.b. Lipasen) Polymer + H 2 O Extracelluläre Hydrolyse Monomere, Oligomere

8 Abbau organischer Substanz 1. Schritt: Extrazelluläre Hydrolyse von Polymeren (Depolymerisierung) 2. Schritt: Aufnahme gelöster organischer Substanz (Oligo-, Monomere) Die meisten Aufnahmesysteme arbeiten gegen einen Konzentrationsgradienten. Lösung: Kopplung an eine exergone chemische Reaktion (Primärer Transport, z.b. Aufnahme von Zuckern) oder an Gradienten (Sekundärer Transport, z.b. Sulfataufnahme) + - Glc ATP ADP Glc6P SO 4 SO 4 2 H + 2 H + Abbau organischer Substanz 1. Schritt: Extrazelluläre Hydrolyse von Polymeren (Depolymerisierung) 2. Schritt: Aufnahme gelöster organischer Substanz (Oligo-, Monomere) 3. Schritt Metabolismus (Katabolismus, Abbau, Energiegewinnung) (Anabolismus, Synthesestoffwechsel)

9 Kohlenstoffkreislauf mittlere Oxidationsstufe des Kohlenstoffs CO 2 +IV Kohlendioxid C 4 H 6 O 5 +I Äpfelsäure C 6 H 12 O 6 0 Glucose, Biomasse, Acetat C 2 H 5 OH -II Ethanol CH 4 -IV Methan Reduktion Oxidation Primärproduktion: +IV 0 CO e H + <CH 2 O> + H 2 O z.b. Calvin-Zyklus, reverser Tricarbonsäurezyklus, reduktiver AcetylCoA-Zyklus Photo- und Chemoautotrophe Organismen Abbau organischer Substanz unter oxischen Bedingungen Aerobe Mikroorganismen: oxidieren Substrate in der Regel bis zum CO % des Substrates können assimiliert werden IV -II C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O

10 Glucose 2 ATP NAD + 2 Pyruvat 2 NADH 2 CO 2, 2 NADH 2 ATP NADH H + 2 e - X O2 H 2 O 4 CO 2 2 GTP Atmungskette 2 FADH 2 4 NADH Ohne Sauerstoff? - Gärung - Anaerobe Atmung - Syntrophie (Interspecies Hydrogen Transfer)

11 Ohne Sauerstoff? Glucose 2 ATP 4 [H] 2 Pyruvat 2 CO 2 2 AcetylCoA 4 [H] 2 Lactat 2 Propionat 2 Acetat + 2 HSCoA 2 ADP 2 ATP Glucose 2 ATP 4 [H] 2 Pyruvat 2 Lactat 2 Propionat 2 CO 2 4 [H] 2 AcetylCoA 2 Acetat + 2 HSCoA 2 ADP 2 ATP Oder: 4 [H] 2 H 2 Hydrogenase Aber: E o (NAD + /NADH) = -320 mv E o (H + /H 2 ) = -420 mv

12 Glucose ATP NAD + Pyruvat NADH CO 2 ATP NADH H + 2 e - X TCC CO 2 XH 2 NADPH FADH 2 NADH GTP Anaerobe Atmungskette Anaerobe Atmungen: NO - 3 Denitrifikation (zu N 2 ), Nitratatmung, Ammonifikation (zu NH + 4 ) MnO 2 Manganreduktion FeOOH Eisenreduktion S o SO 4 CO 2 Schwefelreduktion Sulfatreduktion Methanogenese (zu CH 4 ), Homoacetogenese (zu Acetat)

13 Der Energiegewinn den die Atmungsprozesse erlauben hängt vom jeweiligen Redoxpotential ab. G' = z F E 0 ' 0 G' 0 = z F ( E Akz ' 0 EDon' 0 ) z: Anzahl der übertragenen Elektronen F: Faraday-Konstante, As mol -1 E o [mv] O 2 /H 2 O +820 Aerobe Atmung NO - 3 /N Denitrifikation NO - 3 /NH Nitratammonifikation MnO 2 /Mn Manganreduktion FeOOH +150 Eisenreduktion SO 4 /HS Sulfatreduktion S o /HS Schwefelreduktion CO 2 /CH Methanogenese NADH/NAD Bsp.: H 2 + S o H 2 S H + /H G o = As mol -1 (-240-(-420))mV = ,18 As V mol -1 =-34,7 kj mol -1 Das anaerobe Nahrungsnetz Polymere Monomere Primäre Gärer Sekundäre Gärer, Syntrophe Methanogene Sulfatreduzierer Fettsäuren, Succinat, Alkohole, Lactat Formiat, H 2, CO 2, Methanol Acetat CH 4, CO 2 CO 2

14 3 Glucose 6 ATP 12 [H] 2 CO 2 6 Pyruvat 4 [H] 6 AcetylCoA 2 Acetat + 2 HSCoA 6 ADP 6 ATP Oder: 4 [H] 2 H 2 Hydrogenase Glucose Interspecies Hydrogen Transfer 2 ATP 4 [H] 2 Pyruvat 2 CO 2 4 [H] 2 AcetylCoA TCC 16 [H] SO 4 H H CO 2 2 NTP H 2 S

15 Syntrophie Bsp.: Anaerober Abbau von Propionat zu Methan und CO 2 Der Methanogene kann nur H 2 und CO 2 verwerten. Der sekundäre Gärer kann Propionat oxidieren und H 2 freisetzen Sekundärer Gärer CH 3 CH 2 COO - + 2H 2 O CH 3 COO - + CO 2 + 3H 2 (z.b. Syntrophobacter sp.) Methanogenes Bakterium CO H 2 CH 4 +2 H 2 O 4 CH 3 CH 2 COO - + 2H 2 O 3CH 4 + 4CH 3 COO - + CO 2 Der sekundäre Gärer benötigt einen hydrogen scavanger. (interspecies hydrogen transfer) Thermodynamische Betrachtungen: Methanobacterium omelianskii ein syntrophes Konsortium G o Stamm S: 2 CH 3 CH 2 OH + 2 H 2 O 2 CH 3 COOH + 4 H kj mol -1 Stamm MoH: 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O -133 kj mol -1 2 CH 3 CH 2 OH + CO 2 2 CH 3 COOH + CH kj mol -1 Stamm S: Stamm MoH: 2 [ CH3COOH ] [ H ] K( S) = [ CH CH COOH ] 3 [ CH ] K( MoH ) = [ CO ] [ H 2]

16 Methanobacterium omelianskii ein syntrophes Konsortium G o Stamm S: 2 CH 3 CH 2 OH + 2 H 2 O 2 CH 3 COOH + 4 H kj mol -1 Stamm MoH: 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O -133 kj mol -1 2 CH 3 CH 2 OH + CO 2 2 CH 3 COOH + CH kj mol -1 Betrachte Wasserstoff: G' = z F E 0 ' 0 Nernst sche Gleichung: E = E 0 R T ph 2 ln + z F [ H ] ph 2 bzw.: E = E0 30mV ln + 2 [ H ] 2 E 0 = 0 mv E = 30mV log PH 60mV ph 2 E = 30 mv log P H 420mV Bei ph 7 2 Je geringer der Wasserstoffpartialdruck, desto positiver das Redoxpotential. Das Potential von Wasserstoff muß positiver als das von NADH sein, damit Wasserstoff aus NADH gebildet werden kann. CO 2 <CH 2 O> oxisch anoxisch CH 4

17 Mikrobielle Aktivität in Sedimenten Wird gesteuert durch: - Menge des vorhandenen organischen Materials (Sedimentationsraten, lateraler Eintrag) - Qualität des vorhandenen organischen Materials (refraktäres Material, anaerober Abbau) - Verfügbarkeit der unterschiedlichen Elektronenakzeptoren Elektronenakzeptoren in Sedimenten, Konzentrationen und potentielle Elektronenaufnahme Meerwasser Elektronenakzeptor Anzahl Konz. [µm] Elektronenaufnahme [µeq/l] Elektronen O NO 3 N NO 3 + NH Fe(III) SO HCO 3 CH Idealisiertes Schema der vertikalen Abfolge der verschiedenen Elektronenakzeptoren im Sediment. O 2 NO 3 - MnO 2 Fe(III) SO 4 CH 4

18 Lithotrophe Prozesse sind für die Reoxidation der Elektronenakzeptoren notwendig - Reoxidation von reduzierter Elektronenakzeptoren (Fe 2+, Mn 2+, NH 4 +, HS -, CH 4 ) - In der Regel mehrstufige Reaktionen - Detoxifikation (HS -, NH 4 + ) - Verantwortlich für etwa 50% der Sauerstoffaufnahme des Sediments E o [mv] O 2 /H 2 O +820 Aerobe Atmung NO - 3 /N Denitrifikation NO - 3 /NH Nitratammonifikation MnO 2 /Mn Manganreduktion FeOOH +150 Eisenreduktion SO 4 /HS Sulfatreduktion S o /HS Schwefelreduktion CO 2 /CH Methanogenese NADH/NAD H + /H 2-420

19 2 NH O 2 2 NO H 2 O + 4H + Nitrifikation (mikrobiell) 2 Mn 2+ + O H 2 O 2 MnO2 + 4 H + Manganoxidation (mikrobiell, chemisch, photochemisch) 4 Fe 2+ + O H 2 O 4 FeOOH + 8 H + Eisenoxidation (mikrobiell, chemisch) 2 Fe 2+ + MnO H 2 O 2 FeOOH + Mn H + Eisenoxidation (chemisch) 2 HS - + O H + 2 S o + 2 H 2 O Sulfidoxidation (mikrobiell, chemisch) HS O 2 SO 4 + H + Sulfidoxidation (mikrobiell) HS - + MnO H + Sulfidoxidation (chemisch) HS FeOOH + 5 H + Sulfidoxidation (chemisch) CH 4 + SO 4 + H + Anaerobe Methanoxidation (mikrobiell) S o + Mn H 2 O S o + 2 Fe H 2 O HS - + CO H 2 O O 2 H 2 O Mn 2+ O 2 Mn 2+ MnO 2 Fe 3+ Fe 2+ Fe 2+ HS - S o HS - Arhus Bay, nach Thamdrup et al. 1994

20 Präfix: Nitroz.B. Nitrobacter, Nitrococcus Nitrifikation NO 2 - Präfix: Nitrosoz.B. Nitrosomonas Biomase NO 3 - NH 4 + Ammonifikation oxisch anoxisch NO 2 - z.b. Desulfovibrio N 2 -Fixierung Anammox anaerobe Ammoniumox. Denitrifikation z.b. Paracoccus, Bacillus, u.a. N 2 NO 2 - Nitrifikation Oxidation von Ammonium zu Nitrat Zweistufige Reaktion mit unterschiedlichen Organismengruppen. 1. Stufe: Oxidation des Ammonium zu Nitrit (Nitroso-) 2 NH O 2 2 NO H 2 O + 4H + G o = -275 kj/reaktion Nitrosofikation, Nitrosomonas europaea 2. Stufe: Oxidation des Nitrit zu Nitrat (Nitro-) 2 NO O 2 2 NO - 3 G o = -76 kj/reaktion Nitrifikation, Nitrobacter winogradskyi

21 Nitrosolobus multiformis Maßstab: 0,5 µm Nitrococcus mobilis Aus: Perry & Staley, Microbiology, Dynamics and Diversity Intrazelluläre Membransysteme bei nitrifizierenden Mikroorganismen. Populationen Ammonium- und Nitritoxidierender Bakterien in Belebtschlammflocken. Zellen wurden mit 16S rrna- Sonden angefärbt. Blau: Ammonium-Oxidierer Rot: Nitrit-Oxidierer Aus Schramm et al. (1998) Appl. Environ Microbiol. 64:3480 ff

22 Schwefelkreislauf Ox.stufe des S SO 4 +V S 2 O 3 +II S o 0 H 2 S -II R-SH -II S-Assimilation: - assimilatorische Sulfatreduktion (endergoner Prozess) SO H 2 + 2H + H 2 S 2 ATP 2 ADP SO 4 oxisch anoxisch Sulfatreduktion, anaerobe Atmung (Sulfatreduzierende Bakterien, SRB) HS -

23 Aerobe Sulfidoxidation Atmungsprozess (O 2 oder NO 3- ) (Schwefeloxidierende Bakterien, SOB) SO 4 oxisch anoxisch HS - Achromatium oxaliferum, Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen und Calciumcarbonatkristallen. SO 4 Aerobe Sulfidoxidation (unvollständige Sulfidoxidation) SOB S 2 O 3 S o oxisch anoxisch HS - Thiomagerita namibiensis, Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen.

24 SO 4 S 2 O 3 S o oxisch anoxisch Thiosulfatreduktion Schwefelreduktion, anaerobe Atmung (SRB, Schwefelreduzierer, Eisenreduzierer, Thiosulfatreduzierer) HS -, FeS, FeS 2 Phototrophe Schwefelbakterien Im Hypolimnion des Dagowsee. SO 4 oxisch SO 4 S 2 O 3 S o h ν anoxisch Anaerobe Sulfidoxidation, Photosyntheseprozess (Grüne und Rote Schwefelbakterien) HS -

25 Thiosulfat- und Schwefeldisproportionierung Anaerobe Gärung SRB S 2 O 3 + H 2 O SO 4 + HS - + H + 4 S o + 4 H 2 O SO 4 + 3HS - + 5H + oxisch SO 4 S o anoxisch S 2 O 3 HS - SO 4 HS - S 2 O 3 S o oxisch anoxisch FeS HS - SO 4 FeS 2 Fe 3+, MnO 2 S o Schwefeloxidierer, aerob Sulfatreduzierer, anaerob Phototrophe S-Bakt., Schwefeloxidierer mit Nitrat Chemische Prozesse