Mikrobielle Ökologie. Mikrobielle Ökologie

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1 Mikrobielle Ökologie SS 2006 Martin Könneke Mikrobielle Ökologie Marine Habitate (10.Mai) Limnische Habitate (12.Mai) Terrestrische Habitate (15. Mai) Mikroorganismen in Mensch & Tier (17. Mai) Anthropogene Habitate (19. Mai) 1

2 Limnische Habitate Limnologie: Studium des Süsswassers; beinhalted physikalische, chemische und biologische Aspekte Stehende Gewässer Seen, Teiche, Flach- und Hochmoore Fliessende Gewässer Quellen, Bäche und Flüsse Limnische Habitate etwa 2% der Erdoberfläche sind von Süsswasser Habitaten bedeckt Viel geringere Tiefe als die Ozeane (sehr geringes Volumen) Nicht miteinander verbunden Grössere Diversität bezüglich chemischer und Physikalischer Parameter Salzgehalt (mitausnahme einiger Mineralquellen) In Binnengewässern < 0.05% (Ozeane 3.5%) Anion: CO 3 2- und HCO 3 2- Kationen: Ca 2+, Mg 2+, Na + Stickstoff (N), Phosphor (P) und Eisen (Fe) meist in geringen Konzentrationen 2

3 Einzigartige thermische Eigenschaften von Wasser - Hohe spezifische Wärme: viel Wärmemenge wird benötigt um die Wassertemperatur zu verändern. -Hohe latente Schmelzwärme: viel Energie bei Phasenumwandlung. - Höchste bekannte laternte Verdampfungswärme: grösste Teil der eingestrahlten Sonnenenergie wird durch Verdunstung des Wassers aufgebraucht -Dichteanomalie des Wassers: grösste Dichte bei 4 C -Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wärme wird im Gewässer ausschliesslich durch Wasserbewegung transportiert. Weitere wichtige physikalische Eigenschaft: Löslichkeit eines Gases in Wasser nimmt mit steigender Temperatur und abnehmendem Druck sb (Henry-Gesetz). Im Gewässer nimmt das Licht mit der Tiefe ab! Lichtattenuation (Lichtabschwächung): - Reflektion an der Wasseroberfläche (3-30 %) - Absorption durch Wasser, gelöste organ. Substanzen, photosynthetische Pigmente (Farbe des Wassers) - Beugung an Partikeln (Verlängerung der Wellenlänge) Abnahme der photosynthetisch nutzbaren Strahlung ( nm) 3

4 Tiefenverteilung von Licht und Wärme in einem See Lichtstrahlung nimmt mit der Tiefe ab Strahlung erwärmt obere Schicht Wärme in der oberen Wasserschicht wird durch Turbulenzen gleichmässig Verteilt. (Lampert und Sommer Limnoökologie ) Temperaturprofil in einem stratifiziertem See der gemässigten Breiten im Sommer (Lampert und Sommer Limnoökologie ) 4

5 Jahreszeitlicher Temperaturverlauf in einem stratifiziertem See der gemässigten Breiten Isothermen Profil an 5 ausgewählten Tagen (Lampert und Sommer Limnoökologie ) Das Kohlensäuresystem ist das wichtigste Puffersystem von Süsswaser Habitaten 5

6 Ökologische Regionen in stehenden Gewässern Euphotische Zone (Odum Ökologie ) Primärproduzenten in stehenden und langsam fliessenden Gewässern Schwimmblattpflanzen Fadenalgen (8+9) Phytoplankton (Odum Ökologie ) 6

7 Jahreszeitliche Phytoplanktonentwicklung in stehenden Gewässern der gemässigten Breiten (Odum Ökologie ) 7

8 Phototrophe Konsortien Anoxigener Epibiont (Schwefelpurpurbakterium) + beweglicher heterotropher Zentralbakterium Phototaxis Symbiose Alessandro Volta ( ) Lake Maggiore (Italy) November 3, 1776 Observation of combustible air 8

9 The three domains of life Etherlipids in Archaea Side chains consist of repeating isoprene units! 9

10 Methanogens Are a large divers group that is united by three features - Methane formation as major product of their energy metabolism - They are strict anaerobes - They are member of the domain Archaea The major substrates are hydrogen, acetate, and formate. In addition, some C-1 compounds (methanol, methyl amines) are non competitive substrate for some methanogens. 10

11 Hydrolysis Fermentation Complex polymers (polysaccharides, lipids, proteins) Monomers (sugars, fatty acids, amino acids) Short chain fatty acids and alcohols (lactate, butyrate, propionate, ethanol) Secondary fermentativ bacteria Acetate H 2 + CO 2 Formate Methanogenesis CO 2 + Methane Habitats of Methanogens - Anoxic sediments: marsh, swamp,lake sediments etc. - Animal digestion tracts: rumen, large intestine of monagastric animals (such as humans, swine, and dogs) - Geothermal sources, hydrothermal vents - Artifical biodegradation facilities: sewage sludge - Endosymbionts of various anaerobic protozoa Methanogenic bacteria are abundant in habitats where electron acceptors such as O 2, NO 3, Fe 3+ and SO 4 2 are limiting. 11

12 acetate CH 4 + CO 2 G 0 = kj/ mol acetate acetate + SO HCO HS - G 0 = kj/ mol acetate 12

13 Autofluorescence of F 420 Micrograph of Methanolobus spec. 13

14 14

15 Vereinfachter Kohlenstoff-Kreislauf in einem See Allochtoner DOC, POC Ausfluss DOC, POC CO 2 HCO 3 Aerobe heterotrophe Littoral Flora, Phytoplankton Phototrophe und Chemolithotrophe Sedimentation CO 2 CH 4 Methyotrophe Anaerober Abbau Heterotrophe Gärer CH 4 Methanogene CO 2 H 2 Org. Säzuren Modofiziert nach Wetzel Besonderheiten von fliessenden Gewässern - Strömung stellt kontrollierenden und limitierenden Faktor dar - Land-Wasser-Austausch ist in Flüssen sehr ausgeprägt - Sauerstoffgehalt einheitlicher, kaum oder wenig Schichtung der Temperatur oder chemischer Bedingungen Gliederung hauptsächlich horizontal entlang des Flusslaufs (stehende Gewässer vertikal) 15

16 The Yellowstone National Park - Weltweit erster und ältester NP - Fläche etwa 9000 km 2 o - Liegt in Wyoming, Montana, Idaho - Bekannt für Thermal Features Geysire und Hot Springs - Vorkommen von Grizzly, Bison, Wolf 16

17 Mikrobiologie im Yellowstone NP Die Entdeckung von thermophile Mikroorganismen Thomas D. Brock Karl-Otto Stetter Isolierung von Thermus aquaticus (T. Brock) Entwicklung der Polymerase chain reaction (PCR) durch Kary Mullis Voraussetzung: hitze-stabile polymerase Taq (von T. aquaticus) Nobelpreis

18 The three domains of life 18

19 Quelle: Brock Biology of Microorganisms Upper limit: strain 121 grows at 121 C Kashefi and Lovley

20 Thermophile Eukaryoten The acido- and thermophilic algae Cyanidium caldarium Yellowstone NP, (~50 C, ph 2) 20

21 Streamer in einem heissen Bach Knallgas-Bakterien: Oxidation von Wasserstoff unter mikroaerophilen Bedingungen Wasserstoffoxidation: Wasserstoff als Elektronen-Donor A) Energiequelle B) Reduktionskraft für CO 2 -Fixierung Schlüsselenzym: Hydrogenase Katalysiert die reversible Umwandlung von Wasserstoff zu Protonen und Elektronen H 2 2H + + 2e - 21

22 Aerobe Wasserstoffoxidation Knallgasbakterien 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Fakultativ chemolithotroph (können auch organischem Substrat als Energiequelle nutzen) Microaerophil (5-10% O 2 ) Thermophile Cyanobakterien 22