Vorlesung: Allgemeine Mikrobiologie. Ausgewählte Prokaryoten -

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1 Vorlesung: Allgemeine Mikrobiologie Ausgewählte Prokaryoten - Lithotrophe Organismen Abb.: Fritsche (1999)

2 Stoffwechseltypen von Mikroorganismen Chemo / Phototroph Litho / Organotroph Auto / Heterotroph Energiekonservierung Elektronendonator (Dissimilation) Kohlenstoffquelle (Assimilation) Chemoorganoheterotroph Photolithoautotroph Escherichia coli Homo sapiens Microcystis sp. (Cyanobakterium) Chlorella sp. (Grünalge) Konzept der Lithotrophie Sergej N. Winogradsky (1886) Schwefeloxidation 1886 Eisenoxidation 1888 Nitrifikation 1890 Sergej Nikolaevitch Winogradsky ( )

3 Idealisiertes Schema: Abfolge der verschiedenen Elektronenakzeptoren im Sediment O 2 NO 3 - MnO 2 Fe(III) SO 4 2- E o [mv] O 2 /H 2 O +820 Aerobe Atmung NO - 3 /NH Nitratammonifikation MnO 2 /Mn Manganreduktion FeOOH/Fe Eisenreduktion SO 4 2- /HS Sulfatreduktion S o /HS Schwefelreduktion CH 4 Lithotrophe Prozesse sind für die Reoxidation der Elektronenakzeptoren notwendig - Reoxidation von reduzierter Elektronenakzeptoren (Fe 2+, Mn 2+, NH 4+, HS - ) - Detoxifikation (HS -, NH 4+ ) - Verantwortlich für etwa 50% der Sauerstoffaufnahme in Sedimenten

4 Abb.: Fritsche (1999) Knallgasbakterien und andere Wasserstoffoxidierer Ralstonia eutropha (früher: Alcaligenes eutrophus) und andere

5 Aerobe Wasserstoffoxidation (Alcaligenes eutrophus) 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Anaerobe Wasserstoffoxidation 5 H NO N H 2 O H Fe Fe 2+ 4 H 2 + SO HS H 2 O (Denitrifikation, Eisen-Reduktion, Sulfatreduktion) ATP? H 2 Hydrogenase 2 e - Periplasma Chinon Cyt b Cyt c Cyt a ½ O H 2 O Cytoplasma ATPase ADP + P i ATP

6 Abb.: Fritsche (1999) Nitrifikation Nitrosomonas europaea und Nitrobacter winogradskyi

7 Nitrifikation Oxidation von Ammonium zu Nitrat Zweistufige Reaktion mit unterschiedlichen Organismengruppen. 1. Stufe: Oxidation des Ammonium zu Nitrit (Nitroso-) 2 N O 2 2 NO H 2 O + 4 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 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

8 Nitrosomonas europaea Problem: Oxidation des Ammoniums Schlüsselenzym 1: Ammonium-Monooxygenase (Amo) NH 3 + O e - NH 2 O H 2 O Schlüsselenzym 2: Hydroxylamin-Oxidoreductase (Hao) NH 2 O H 2 O NO e - ATP? NO HAO NH 2 O H 2 O AMO Periplasma Cyt c 2 4 e - 2 e - Chinon 2 e - Cyt c 2 NH 3 + O ½ O Cytoplasma Cyt aa 3 H 2 O ADP + P i ATPase ATP

9 Cyt c Nitrobacter winogradskyi Schlüsselenzym: Nitrit-Oxygenase (NO) NO 2- + H 2 O NO e - ATP? NO NO NO 2- + H 2 O Periplasma 2 e - Cyt aa 3 ½ O Cytoplasma H 2 O ADP + P i ATPase ATP

10 Nitrosolobus multiformis Maßstab: 0,5 µm Nitrococcus mobilis Aus: Perry & Staley, Microbiology, Dynamics and Diversity Intrazelluläre Membransysteme bei nitrifizierenden Mikroorganismen. Abb.: Fritsche (1999)

11 Schwefel- und Eisenoxidierer Acidithiobacillus thiooxidans und Acidithiobacillus ferrooxidans früher Thiobacillus thiooxidans und Thiobacillus ferrooxidans Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen 2 HS - + O S o + 2 H 2 O HS O 2 SO S o + 3 O H 2 O 2 SO Filamente von Beggiatoa sp. Mit intrazellulären Schwefelkörnern. (Brock, 9th Ed.) ATP?

12 Oxidationsstufe des Schwefels -II 0 +IV +VI HS e - S o 2 4 e - SO e - APS 5 SO 4 2- SO 4 2- AMP 2 e - AMP + P i ADP 1 Sulfid-Oxidoreduktase 2 Schwefel-oxidierendes Enzym 3 Sulfit-Oxidoreduktase 4 Adenosin-Phosphosulfat-Reduktase 5 ADP-Sulfurylase S o Flavop. HS - Periplasma Chinon Cyt b Cyt c ½ O SO 4 2- S o Cytoplasma Cyt aa 3 H 2 O ATPase ADP + P i ATP

13 Weitere schwefeloxidierende Mikroorganismen: Archaea Bacteria Acidianus sp. Sulfolobus sp. Thiosphaera sp. Thiomicrospira sp. Thiomargerita sp. Thioploca sp. Achromatium sp. Eisenoxidation 4 Fe 2+ + O H 2 O 4 FeOO 8 ATP?

14 2 Fe 3+ 2 Fe 2+ Rusticyanin Periplasma Cyt c 2 e - Cyt a ½ O H 2 O Cytoplasma ph 2 ph 6 ATPase ADP + P i ATP Acidophile Eisenoxidierer Acidithiobacillus ferrooxidans Leptospirillum ferroxidans Metallosphaera sedula Neutrophile Eisenoxidierer Gallionella ferruginea Leptothrix discophora Links: Gallionella ferruginea, Oben: schematische Darstellung, unten: Eisenstiele Rechts: Leptothrix sp., gewachsen auf Mn 2+, zu erkennen die braunen MnO2-Ausfällungen.

15 Anaerobe lithotrophe Organismen? E o [mv] O 2 /H 2 O +820 Aerobe Atmung NO - 3 /NH Nitratammonifikation MnO 2 /Mn Manganreduktion FeOOH/Fe Eisenreduktion Schwefeloxidierer Eisenoxidierer Nitrifikanten? SO 4 2- /HS Sulfatreduktion S o /HS Schwefelreduktion Nitratabhängige Oxidation von Fe(II) und Sulfid

16 Assimilation? Die meisten lithotrophen Mikroorganismen sind autotroph. CO 2 -Fixierung meist über Calvin-Zyklus Für den Aufbau eines Moleküls Fructose-6-Phosphat werden benötigt: 6 CO2 18 ATP 12NADPH

17 Problem: woher kommen die NADH für den Biomasseaufbau? E o [mv] O 2 /H 2 O +820 Aerobe Atmung NO - 3 /N Denitrifikation NO - 3 /NH Nitratammonifikation MnO 2 /Mn Manganreduktion FeOO150 Eisenreduktion SO 2-4 /HS Sulfatreduktion S o /HS Schwefelreduktion Elektronen müssen gegen das thermodynamische Gefälle auf NADH übertragen werden. Reverser Elektronentransport NADH/NAD FADH/FAD /H Abb.: Fritsche (1999)

18 Anoxygene Phototrophe Bakterien 1. Nicht-Schwefel-Purpurbakterien Rhodospirillum rubrum 2. Schwefel-Purpurbakterien Chromatium okenii 3. Grüne Schwefelbakterien Chlorobium limicola 4. Grüne nicht-schwefelbakterien Chloroflexus aurantiacus 5. Heliobakterien Heliobacillus chlorum Deinococcus Grüne nicht- Schwefelbakterien Thermotogales Aquificales Archaea und Eukarya Proteobakterien (Purpurbakterien) Gram-positive Bakterien (Heliobac.) Cyanobakterien Chlamydiales Planctomycetales Bacteroidetes Grüne Schwefelbakterien Spirochaeten

19 Pigmente e - -Donatoren, CO 2 -Fixierung 1. Nicht-Schwefel-Purpurb. Bacteriochlorophyll a, b einfache org. Substrate Carotinoide Calvin-Cyclus 2. Schwefel-Purpurbakterien Bacteriochlorophyll a, b H 2, HS -, S o, S 2 O 2-3 Carotinoide einfache org. Substrate Calvin-Cyclus 3. Grüne Schwefelbakterien Bacteriochlorophyll c, d, e H 2, HS -, S o, S 2 O 2-3 Chlorobactin, Carotinoide Reduktiver Tricarbonsre.-Cyclus (Chlorophyll a) 4. Grüne nicht-schwefelb. Bacteriochlorophyll a, c, d H 2, einfache org. Substrate β-, γ-carotin Hydroxypropionat-Weg 5. Heliobakterien Bacteriochlorophyll g H 2, einfache org. Substrate Hydroxychlorophyll a Aerob chemoorganoheterotrophes Wachstum bei Purpur-Schwefelbakterien Nicht-Schwefel-Purpurbakterien Grüne Schwefelbakterien und Heliobacillen sind strikt anaerob

20 Brock, 9th Ed. Schematischer Aufbau des Photosyntheseapparates von Schwefel- Purpurbakterien Cyclischer Elektonentransport zur Bildung eines Protonenpotentials ATP-Bildung Reverser Elektronentransport (Energieverbrauchend) Externe Elektronendonatoren HS -, S o, S 2 O 3 2- Vergleich des Elektronenflusses bei unterschiedlichen anoxygen phototrophen Bakterien Brock, 9th Ed.

21 Brock, 9th Ed. Chromatium okenii mit intrazellulären Schwefeltropfen Rhodomicrobium vanielii, ein knospendes Nicht-Schwefelpurpurbakterium Chlorobium limicola mit extrazellulären Schwefeltropfen Chloroherpeton sp. mit Gasvakuolen Brock, 9th Ed. Thiocapsa pfennigii mit intrazellulären Membransystemen.

22 E Phycocyanin Chl. a Grüne Schwefelbakterien Bchl. c, d, e Purpur-Schwefelbakterien Bchl. a Bchl. b Wasser- Absorption λ [nm] Mikrobenmatte an der Sippewisset Salt Marsh (Ostküste, USA).

23 Gelb- Braun Diatomeen, Cyanobakterien Navicula, Lyngbya, u.a. Chl a 680 nm Oxygene Photosynthese 2 H 2 O O [H] Bläulich- Grün Cyanobakterien Microcoleus, Oscillatoria, Phormidium Rosa-rot Orange- Braun Schwefel- Purpurbakterien Thiocapsa roseopersicina, Thiocystis Thiocapsa pfennigii Bchl a 850 nm Bchl b 1020 nm Anoxygene Photosynthese H 2 S S + 2 [H] Oliv Grüne Schwefel- Bakterien Prosthecochloris Bcl c 740 nm Grauschwarz FeS-haltiges Sediment Sulfatreduzierer Bacteriochlorophyll in aerob anoxygen phototrophen Bakterien: Bsp. Erythromicrobium sp., Roseobacter sp. Ökologische Rolle noch weitgehend ungeklärt.

24 Andere phototrophe Mikroorganismen Halobacillus salinarum Halobakterien gehören zu den Archaeen. Sie enthalten in den Membran eines dem Sehpurpur analoges Pigment, das Bacteriorhodopsin (Purpurmembran). h υ ATP ADP + P i