Mikrobielle Ökologie

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1 Mikrobielle Ökologie Marine Habitate (10.Mai) Limnische Habitate (12.Mai) Terrestrische Habitate (15. Mai) Mikroorganismen in Mensch & Tier (17. Mai) Anthropogene Habitate (19. Mai) Anthropogene Habitate Trinkwasser und Abwasser Abwasserbehandlung und Wasseraufreinigung Erdöllagerstätten Mikrobieller Abbau von Kohlenwasserstoffen Mikrobielle Erzlaugung 1

2 Hygenische und sichere Wasserversorgung ist die entscheidende Vorrausetzung für die menschliche Gesundheit und Seuchenvermeidung! Jede Person in Deutschland verbraucht durchschnittlich l Trinkwasser pro Tag. Entnahme von Trinkwasser als Grundwasser (Brunnen oder Quellen) oder als Oberflächenwasser (Talsperren oder Seen) Trinkwasser darf keinerlei Keime enthalten! Gereglt nach EU-Richtlinien und nationaler Trinkwasserverordnung Kontrolle und Analysen durch unabhängige Intitute Neben mikrobiologischen gibt es auch physikalische und chemische Anforderungen Die Wasserhärte hängt den Gehalt an Calzium- und Magnesiumverbindungen (Erdalkiverbindungen) Trinkwasser sollte Wert zwischen 5-25 dh aufweisen (1 dh = 10 mg/l CaO 2

3 Coliforme Keime als Indikatororganismen Nachweis von Coliformen deutet auf Fäkalverunreinigung Gruppe verschiedener gramnegativer, fakultativ aerober, nichtsporenbildender Stäbchen Zu den Coliformen zählen typische Darmbewohner: Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae Verhalten der Coliforme im Trinkwasser ähnelt vielen Pathogenen Coliforme Kolonien auf einem Membranfilter 3

4 Abwasserreinigung Abwasser ist belastet mit Komponenten, die keinesfalls in in Seen oder Flüsse eingeleitet werden dürfen. Mikroorganismenkonzentration in Abwasser: Baterien pro ml (ca. 10 Pathogene pro ml) Pilze (meist Hefen) pro ml Zusammensetzung der organischen Verbindungen: 50% Kohlenhydrate, 40% Proteine und Harnstoff, 10% Fette Problematisch: Harnstoff und Phosphat Abwasserreinigung Ziele: Hygenisierung (Entfernung von Pathogenen) Mineralisierung (Abbau der organischen Substanzen) Entfernung von N und P (limitierende Nährstoffe von Primärproduzenten) Neben chemischen und physikalischen Methoden, werden massgeblich Mikroorganismen eingesetzt. (Dreistufige Reinigung) 4

5 Prinzipielle Verfahren der Abwasserbehandlung Fliess-Schema der Abwasserbehandlung mit Vorklärung 5

6 Diskontinuierliches Belebtschlammverfahren (batch-betrieb) Kontinuierliches Belebtschlammverfahren (Durchlauf-Betrieb) 6

7 Anoxische, biologische Stufe - Faulturm Anaerobe Abbau von organischem Material Hydrolyse Fermentation Komplexe Polymere (Polysaccharide, Lipide, Proteine) Monomere (Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren Kurze Fettsäuren + Alkohole (Lactat, Butyrat, Propionat, Ethanol) H 2 + CO 2 Formiat Acetat CO 2 + Sulfid Sulfatreduzierer (Desulfo-) CO 2 + Methan Methanogene (Methano-) 7

8 acetate CH 4 + CO 2!G 0 = kj/ mol acetate acetate + SO HCO HS -!G 0 = kj/ mol acetate Anaerobe Abbau von organischem Material Hydrolyse Fermentation Komplexe Polymere (Polysaccharide, Lipide, Proteine) Monomere (Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren Kurze Fettsäuren + Alkohole (Lactat, Butyrat, Propionat, Ethanol) H 2 + CO 2 Formiat Sulfat Acetat CO 2 + Sulfid CO 2 + Methan 8

9 Nitrifikation: Oxidation von Ammonium zu Nitrat Beteiligung von 2 unterschiedlichen Mikroorganismengruppen 1. Ammonium-Oxidierer (Nitroso-) z.b. Nitrosomonas europaea 2 NH O 2 2 NO H 2 O + 2 H + 2. Nitrit-Oxidierer (Nitro-) z.b. Nitrobacter winogradskyi 2 NO O 2 2 NO 3-9

10 Lebensräume von nitrifizierenden Mikroorganismen - Offenes Meeer und oxische, marine Sedimente - Süsswasserhabitate - Klärwerke - Aquarien - Wald- und Ackerböden - Oberfläche von Felsen und Steingebäuden/Denkmäler 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 (zb. Pseudomonas, Paracoccus, E. coli, Bacillus) 10

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12 Elimierung von Stickstoff in der Abwasserreinigung Harnstoff Nitrifikation Ammonium -> Nitrat Denitrifikation Nitrat -> N 2 5<CH 2 O> + 4NO H + -> 5CO 2 + 7H 2 O + N 2 Trinkwasseraufbereitungsanlage 12

13 Auswirkung von der Einführung der Filtration und der Desinfektion von Trinkwasser Erdöl In der Erdkruste eingelagert lipophiles Stoffgemisch Besteht aus bis zu 600 verschiedenen Einzelkomponenten (zu 86% aus Kohlenwasserstoffen) Derzeit wichtigster Rohstoff für Treib- und Brennstoff und für chemische Industrie Bildung biologischem Material durch diagene Prozesse 13

14 Erdölabbauende Mikroorganismen Aerober Abbau: Katalysiert durch Oxygenasen (Pilze, Pseudomonas) Anaeober Abbau: Sulfat- un Nitratreduzierer Bakterien in Öl/Wasser-Grenzschicht 14

15 Umweltmikrobiologische Anwendungen Terrestrisch Kompostierung Müllvergärung Altlastensanierung Erzlaugung Limnisch & marin Abwasserreinigung Trinkwasseraufbereitung Altlasten Erzlaugung, Bacterial Leaching Kupfermine bei Salt Lake City Abb.: Spektrum der Wissenschaft; Verständliche Forschung: Industrielle Mikrobiologie,

16 Mikrobielle Erzlaugung Unterstützung der Metallgewinnung durch Säureproduktion und Auflösung von Mineralien von acidophilen Bakterien. Besnders häufig Angewendet bei Kupfererzen (Kupfererze meist unter 1 % Cu). Einsatz hauptsächlich bei sulfidischen Erzen z.b. mit Covellit (CuS), Pyrit (FeS 2 ) Metallsulfide sind in der Regel schwer löslich Saures Millieu erhöht Löslichkeit der Metalle Beschleunigung der Auflösung der Metalsulfide durch Bakterien (zb. Acidithiobacillus ferrooxidans) [Cu 2+ ] H 2 S reagiert spontan mit Luftsauerstoff. Metallsulfide reagieren zwar auch mit O 2, die Reaktion läuft aber extrem langsam ab. Zeit Freisetzung von Cu 2+ aus einem Erz mit Acidithiobacillus ferrooxidans (blau) und in steriler Kontrolle (rot). Mineralien die leichter spontan oxidieren werden auch von Mikroorganismen zuerst aufoxidiert (FeS>CuS>PbS). 16

17 Abläufe und mikrobielle Reaktionen der Erzlaugung Acidithiobacillus ferrooxidans kann Metalle (Cu +, Fe 2+ ) als such Sulfid oxidieren Kupferlaugung 1. Cu 2 S + O 2 CuS + Cu 2+ (aq) + H 2 O 2. CuS + O 2 Cu 2+ + SO CuS + 8 Fe H 2 O Cu Fe 2+ + SO H + Fe 3+ ist ein gutes Oxidationsmittel für Sulfidmineralien und wird effektiv von A. ferrooxidans. reoxidiert. Abb.: Spektrum der Wissenschaft; Industrielle Mikrobiologie, 1987 Gold und Uran sind weitere wichtige Metalle die durch Laugung gewonnen werden A. thiooxidans auf S 0 ( fach vergrößert) 17