Biogeochemische Kreislaufsysteme. Ruth-Sophie Taubner 13. April 2011 Schwerpunktseminar Astrobiologie

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1 Biogeochemische Ruth-Sophie Taubner 13. April 2011 Schwerpunktseminar Astrobiologie

2 Einleitung Globale Biochemische Kreisläufe Allgemein Definition: beschreibt die durch biologische und/oder chemische Agenzien vermittelten Umwandlungen bei der Zyklisierung der Schlüsselelemente (z.b. C, S, N, Fe) lebender Systeme weltweite Verlagerung von Nährstoffen somit unabdingbar für Leben auf der Erde vor allem durch Wind und Wasser angetrieben Unterscheidung zwischen Gas- und Sedimentkreislauf etwa die Hälfte des C und sogar 90 % des Ph und N in Biomasse sind in Prokaryoten gebunden 2 / 28

3 Einleitung Wasser Stickstoff Kohlenstoff Sauerstoff Schwefel Eisen Phosphor Literatur Wasser Wasserkreislauf Dampfförmiger Transport Niederschlag Niederschlag Oberflächenabfluss Verdunstung Verdunstung Transpiration See Fluss Land Versickerung Ozean Abbildung: Wasserkreislauf, c Research Platform: ExoLife N 3 / 28

4 Wasser Wasserkreislauf Allgemein etwa 96.5% des Wasser auf der Erdoberfläche liegt als Meerwasser vor (U.S. Geological Survey, 2010) Wasserzyklus vorwiegend durch Verdunstung dieses Wasservorrats angetrieben während eines Zyklus wechselt Wasser mehrmals seinen Aggregatzustand 4 / 28

5 Wasser Wasserkreislauf globale Schritte Verdunstung von Meerwasser atmosphärische Transportvorgänge Niederschlag Rückfluss ins Meer lokale Schritte Infiltration Absorption Evaporation Transpiration 5 / 28

6 Stickstoff Stickstoffkreislauf Abbildung: Stickstoffkreislauf, nach Reineke, W.: Umweltmikrobiologie 6 / 28

7 Stickstoff Stickstoffkreislauf Allgemein zahlreiche wichtige Redoxreaktionen des N werden durch Mikroorganismen verwirklicht größtes Stickstoffreservoir: Atmosphäre (N 2 ) Prozesse des Stickstoffkreislaufes Stickstofffixierung Ammonifikation Nitrifikation Anammox Nitrat Reduktion Denitrifikation 7 / 28

8 Stickstoff Stickstoffkreislauf Stickstofffixierung N 2 + 8H + + 8e 2NH 3 + H 2 für die biologische Stickstofffixierung: nur Prokaryoten (heteround autotroph) z.b.: Cyanobacteria (aerob), Clostridium (anaerob), Rhizobium (symbiotisch),... sehr energieaufwendig nur wenn keine andere Möglichkeit zur Stickstoffversorgung Enzym Nitrogenase für Fixierung von atmosphärischem N 2 nötig 8 / 28

9 Stickstoff Stickstoffkreislauf Ammonifikation R NH 2 + H 2 O NH 3 + R OH H2O NH OH + R OH N-haltige organische Stoffe werden durch mikrobielle Prozesse in Ammoniak (NH 3 ) oder Ammoniumionen (NH + 4 ) verwandelt Pilze und Bakterien zersetzen organische Material anorganisches NH 4 +, das als Mineral für andere Organismen dient sowohl aerob als auch anaerobe Mikroorganismen 9 / 28

10 Stickstoff Stickstoffkreislauf Nitrifikation NH 3 (oder NH + 4 ) NO 2 NO 3 Oxidation von NH 3 to NO 3 zwei aerobe Bakteriengruppen involviert: Nitritbakterien (z.b. Nitrosomonas): NH O2 in zwei Schritten (Nitratproduktion) Nitrosomonas NO 2 Nitratbakterien (z.b Nitrobacter): NO O2 Nitrobacter NO 3 + H2O + H+ heterotrophe Nitrifizierer, im Gegensatz zu autotrophen Nitrifizierern, sind unfähig Nitrifikation zum Wachstum zu nutzen 10 / 28

11 Stickstoff Stickstoffkreislauf Anammox NH + 4 NO 2 N 2 + 2H 2 O Anaerobe Ammonium-Oxidation exergoner Prozess z.b.: Candidatus Brocadia anammoxidans - Bakterium, aber: hat Organellen und eine Zellwand ähnlich der von Archaeen als Ergänzung zur Denitrifikation ( N 2 ) 11 / 28

12 Stickstoff Stickstoffkreislauf Nitratreduktion zwei Arten: assimilatorisch and dissimilatorisch (=DNRA) assimilative Nitratreduktion: NO 3 NO 2 + H 2O (?) dissimilative Nitratereduktion: NO 3 NO 2 NH 3 (?) Denitrifikation NO 3 NO 2 NO N 2O N 2 (Nitratverbrauch) z.b.: Paracoccus, Pseudomonas, Bacillis,... Abwasseraufbereitung (um Algenwachstum zu minimieren) in der Natur: eher negativ, da Nitrate aus Boden entfernt werden 12 / 28

13 Einleitung Wasser Stickstoff Kohlenstoff Sauerstoff Schwefel Eisen Phosphor Literatur Kohlenstoff Kohlenstoffkreislauf Abbildung: Kohlenstoffkreislauf, c SCCS Consortium N 13 / 28

14 Kohlenstoff Kohlenstoffkreislauf Allgemein bezieht Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre ein größtes Reservoir: Sedimente und Gesteine der Erdkruste aber: Umsatzzeit sehr lang! bedeutendster Beitrag zum CO 2 -Gehalt: mikrobielle Zersetzung toter organische Stoffe (inkl. Humus) durchschnittliche Kohlenstoffmenge pro Volumeneinheit Boden nimmt vom Äquator zu den Polen hin zu (Smith et al., 2009) ursprünglich: C gelangte durch Vulkane und mineralreiche Quellen aus dem Erdinneren nach außen verbunden mit Kreislauf von O, N, S und anorganischen Verbindungen 14 / 28

15 Kohlenstoff Kohlenstoffkreislauf Allgemein schnellste Art der globalen Kohlenstoffübertragung: über CO 2 der Atmosphäre Meere fungieren als CO 2 Senke (interne Kreisläufe) angetrieben heute v.a. durch die oxygene photosynthetische Primärproduktion grob gesprochen: große syntrophe Wechselbeziehung photosynthetische Primärproduzenten bilden die Substrate der Konsumenten und Destruenten (und umgekehrt) CO 2 + H 2O < CH 2O > +O 2 15 / 28

16 Kohlenstoff Kohlenstoffkreislauf Photosynthese einzige Wege, auf denen neue organ. C-Verbindungen auf Erde synthetisiert werden: Photosynthese und Chemosynthese zwei Gruppen: höhere Pflanzen (terrestrisch) und Mikroorganismen (aquatisch) Verkürzte Bruttogleichung: CO 2 + H 2 O Licht (CH 2 O) + O 2 gesamter biogener C-Zyklus hängt von einem ausgeglichenen Verhältnis von Photosynthese und Atmungsaktivität zusammen ( sonst: globale Erwärmung) Abbau von photosynthetisch fixiertem C durch Mikroorganismen - Hauptendprodukte: CH 4 und CO 2 16 / 28

17 Sauerstoff Sauerstoffkreislauf Abbildung: Sauerstoffkreislauf, c en.wikipedia.org 17 / 28

18 Sauerstoff Sauerstoffkreislauf Allgemein eng mit dem Kohlenstoff- und Wasserzyklus verbunden aber: grundsätzlich mischt Sauerstoff bei allen Reduktions- und Oxidationsvorgängen mit in Atmosphäre v.a. O 2, der durch Photosynthese freigesetzt wird lokaler Kreislauf: Ozonkreislauf O 2-Moleküle werden durch Photodissoziation in elementaren Sauerstoff gespalten (UVc-Strahlung) die einzelnen Atome verbinden sich dann mit weiteren O 2-Molekülen zu O 3 trifft UVb-Strahlung auf Ozonmolekül, wird dieses wiederum gespalten 18 / 28

19 Schwefel Schwefelkreislauf Abbildung: Schwefelkreislauf, c The McGraw-Hill Companies, Inc. 19 / 28

20 Schwefel Schwefelkreislauf Allgemein chemische Umwandlungen aufgrund der Vielzahl von möglichen Oxidationszahlen noch verwickelter als die des N einige Umwandlungsprozesse verlaufen sowohl chemisch als auch biologisch (oxidativ und reduktiv) - z.b.: Freisetzung von H 2S: durch Sulfatreduktion durch Bakterien oder durch geochemischen Quellen wie Schwefelquellen und Vulkane Hauptmasse des Schwefels: in Sedimenten und Gesteinen (Sulfat- und Sulfidmineralien) signifikantestes Reservoir für Biosphäre: Ozeane (als Sulfat) eng mit geologischen (z.b. Erosion) und biologischen (mikrobieller Umbau) Prozessen verbunden 20 / 28

21 Schwefel Schwefelkreislauf Prozesse Sulfatreduktion: SO 2 4 H 2S (z.b.: Desulfobacter) Schwefelreduktion: S 0 H 2S (z.b.: Desulfuromonas) Sulfid-/Schwefeloxidation: H 2S S 0 SO 2 4 (z.b.: Thiobacillus) Schwefeldisproportionierung: S 2O 2 3 H 2S + SO 2 4 (z.b.: Desulfovibrio) Reduktion organischer Schwefelverbindungen: DMSO DMS (z.b.: Campylobacter) Oxidation organischer Schwefelverbindungen: CH 3SH CO 2 + H 2S Desulfurylierung: organischer-s H 2S 21 / 28

22 Eisen Eisenkreislauf Abbildung: Eisenkreislauf, c 2010 Nature Education 22 / 28

23 Eisen Eisenkreislauf Allgemein Eisen ist eines der häufigsten Elemente der Erdkruste (19%) tritt in einer Vielfalt von Mineralien auf (Hämatit, Magnetit, Pyrit, etc.) in der Natur hauptsächlich in zwei Oxidationszuständen: Fe 2+ und Fe 3+ (Fe 0 : anthropogen) entscheidend für das Umweltverhalten des Eisens: Zshg. zw. Oxidationszustand, Löslichkeit und ph-wert Prozesse können sowohl bakteriell als auch nicht biologisch geschehen 23 / 28

24 Eisen Eisenkreislauf Fe 2+ löslichere Eisenform Oxidation von Fe 2+ : durch fünf teils sehr unterschiedliche physiologische Gruppen von Mikroorganismen - bekannteste: aeroben, organoheterotrophe Bakterien, wie etwa Sphaerotilus natans (neutrale ph-werte) Fe 3+ Elektronenakzeptor für eine breite Vielfalt von sowohl chemooragnoals auch chemolithotrophen Bakterien Reduktion von Fe 3+ : Hauptform der anaeroben Atmung (in feuchten Böden, Sümpfen, etc.) 24 / 28

25 Phosphor Phosphorkreislauf Abbildung: Phosphorkreislauf, c 2003 Pearson Education, Inc. 25 / 28

26 Phosphor Phosphorkreislauf Allgemein einzigartig, da keine bedeutende gasförmige Komponente fast der gesamte Phosphor in terrestrischen Ökosystemen stammt ursprünglich von der Verwitterung von Calciumphosphat-Mineralien (v.a. Apatit) Hauptstrom: durch Flüsse bewältigt großes Volumen an Tiefenwasser beinhaltet ein beträchtliches Reservoir an Phosphor 26 / 28

27 Phosphor Phosphorkreislauf Zyklusschritte Zerfall und Abbau von toten, terrestrischen Organismen Transport durch Fluss in Ozean Aufnahme durch Phyto- bzw. Zooplankton nach Absterben dieser: Umwandlung zu Bodensediment chemische Verwitterung (geologische Zeitspanne) Aufnahme von terrestrischen Organismen 27 / 28

28 Phosphor Literatur (Auszug) [0] J. G. Black. Microbiology. John Wiley & Sons, [0] M. T. Madigan and J. M. Martinko, editors. Brock - Mikrobiologie. Pearson Studium, 11th edition, [0] W. Nentwig, S. Bacher, and R. Brandl. Ökologie kompakt. Springer-Verlag, [0] Reineke, W. and Schlömann, M. Umweltmikrobiologie. Elsevier GmbH, [0] Colin R. Townsend, Michale Begon, and John L. Harper. Essentials of Ecology. Blackwell Publishing Ltd., 3rd edition, [0] U.S. Geological Survey. The Water Cycle: Water Storage in Oceans / 28