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 2- + 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 ATPase ADP + P i 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 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? 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

12 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 Weitere schwefeloxidierende Mikroorganismen: Archaea Bacteria Acidianus sp. Sulfolobus sp. Thiosphaera sp. Thiomicrospira sp. Thiomargerita sp. Thioploca sp. Achromatium sp.

13 Riftia pachyptila Bis zu 2 m langer Röhrenwurm an hydrothermal vents der Tiefsee. Der Wirt versorgt die im Trophosomengewebe sitzenden symbiontischen Bakterien mit allen notwendigen Nährstoffen, die er über die Kiemen aufnimmt. Das Trophosom macht etwa 50 % der Masse des Wurms aus. Schwefel- und Eisenoxidierer Acidithiobacillus thiooxidans und Acidithiobacillus ferrooxidans früher Thiobacillus thiooxidans und Thiobacillus ferrooxidans

14 Eisenoxidation 4 Fe 2+ + O H 2 O 4 FeOO 8 ATP? 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

15 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 MnO 2 -Ausfällungen. Anaerobe lithotrophe Organismen?

16 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 Assimilation? Die meisten lithotrophen Mikroorganismen sind autotroph.

17 CO 2 -Fixierung meist über Calvin-Zyklus Für den Aufbau eines Moleküls Fructose-6-Phosphat werden benötigt: 6 CO 2 18 ATP 12 NADPH 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 Bsp. Fe-Oxidierer G o = - z F E o = As 0,47 V = - 90,7 kj/mol NADH

18 Abb.: Fritsche (1999)

19 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

20 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

21 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.

22 Brock, 9th Ed. Chromatium okenii, ein Schwefel- Purpurbakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen Rhodomicrobium vanielii, ein knospendes Nicht-Schwefel- Purpurbakterium Chlorobium limicola, ein Grünes Schwefelbakterium mit extrazellulären Schwefeltropfen Chloroherpeton sp., ein Grünes Nicht-Schwefel-Purpurbakterium mit Gasvakuolen Brock, 9th Ed. Thiocapsa pfennigii mit intrazellulären Membransystemen.

23 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).

24 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. Brock, 9th Ed. Cyclischer Elektonentransport zur Bildung eines Protonenpotentials ATP-Bildung

25 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

26 Eine dem Bakteriorhodopsin homologe Protonenpumpe wurde in Klonbibliotheken aus dem Oberflächenwasser des Pazifischen Ozeans nachgewiesen (Proteorhodopsin). Die ökologische Bedeutung dieser Enzyme ist noch unklar. Vorlesung: Allgemeine Mikrobiologie Ausgewählte Prokaryoten - Lithotrophe Organismen

27 Elektronendonator Energiequelle Anoxygene Photosynthese H 2 S, S o, H 2 Licht Photolithoautotroph Oxygene Photosynthese H 2 O Licht Photolithoautotroph Chemosynthese NH 3, H 2 S, Fe 2+ Chemische Reaktion Chemolithoautotroph e - + CO 2 <CH 2 O> Biomasse ATP Produktion in Sedimenten -Chemosynthese, z.b. hydrothermal vents

28 Energiegewinnung (Dissimilation) H 2 S + O 2 S o + H 2 O -204 kj / Reaktion (2 ATP) Biomassesynthese (Assimilation) 6 CO H 2 S [+ 18 ATP] <C 6 H 12 O 6 > + 12 S o + 6 H 2 O + 12 ATP (reverser Elektronentransport) Filamente von Beggiatoa sp. Mit intrazellulären Schwefelkörnern. (Brock, 9th Ed.)

29 Chemosynthetische Bakterien als Symbionten

30 Riftia pachyptila Bis zu 2 m langer Röhrenwurm. Der Wirt versorgt die im Trophosomengewebe sitzenden symbiontischen Bakterien mit allen notwendigen Nährstoffen, die er über die Kiemen aufnimmt. Das Trophosom macht etwa 50 % der Masse des Wurms aus. -Schwefeloxidierende Bakterien als Aufwuchs der abgegrast wird -Schwefeloxidierende Bakterien als Endosymbionten Alvinella pompeijana ein Röhrenwurm, der an Hydrothermalquellen. Der Wurm besitzt einen Aufwuchs von fädigen SOB, der vom Wurm abgeweidet wird. Calytogena magnifica, mit endosymbiontischen schwefeloxidierenden Bakterien in den Kiemen

31 Nematoden (Stilbonematidae): A: Anordnung epibiontischer Bakterien auf der Cuticula eines Laxus sp. (Stilbonematidae). Gut zu erkennen die sehr regelmäßige Anordnung der Bakterien und der Kragen an dem der Bakterienaufwuchs endet. B: TEM Schnitt durch Wurmcuticula und Bakterienrasen. (Polz et al Appl Environ Microbiol 60:4461ff.) Der Nematode weidet den Bakterienrasen ab.

32 Olavius algarvensis (Tubificidae, Oligochaeta): Vorkommen in sandigen Sedimenten von Seegrasbeständen. Der Organismus hat zwei Typen von Endosymbionten: einen Sulfatreduzierer und einen Schwefeloxidierer. Oben links: TEM Aufnahme eines Querschitts durch O. algarvensis. Dicht unterhalb der Cuticula die endosymbionten; SOB mit Zelleinschlüssen, SRB ohne Zelleinschlüsse. Oben rechts: Fluorescenz in situ Hybridisierung der Endosymbionten, SOB sind grün, SRB rot angefärbt. Unten: Schema des postulierten Schwefelkreislauf in O. algarvensis. Das System benötigt allerdings externe Elektronendonatoren. Dubilier et al Nature 411:298ff Methanoxidierende Bakterien als Endosymbionten Bsp. - Pogonophoren (z.b. Siboglinum poseidon). - Muscheln (z.b. Thyasira sarsii). Sickertrichter aus anaerob methanoxidierenden Bakterien und Calciumcarbonat (schwarzes Meer).

33 Biokorrosion, Microbially influenced corrosion (MIC) Biokorrosion ist ein Elektrochemischer Prozess, der durch mikrobielle Aktivität gefördert wird. Die Kathodenreaktion (von Wolzogen Kuhr & van der Vlugt 1934) Fe o + 2 Fe 2+ + H 2 Eine wichtige Rolle in der Biokorrosion spielen sulfatreduzierende Bakterien. Sulfatreduzierende Bakterien sind effektive Wasserstoff-Oxidierer. Als Endprodukt des Stoffwechsels entsteht Schwefelwasserstoff, der mit Fe 2+ als schwerlösliches Eisensulfid FeS (Lp mol 2 l-2 ) ausfällt. S o, SO 4 2- FeO(OH) Fe 3+ Oxischer Biofilm HS - Fe 2+ SRB FeS, FeS 2 SO 4 2- H 2 Fe 2+ Anoxischer Biofilm e - Fe Metall Nach Nielsen et al Biofouling 7:267ff.

34 Erzlaugung, Bacterial Leaching Bakterielle Erzlaugung wird eingesetzt, wenn der Gehalt an dem zu gewinnenden Metall im Erz nicht sehr hoch ist und sich konventionelle Erzanreicherung nicht rentiert (z.b. Kupfererze meist unter 1 % Cu) oder es sich hauptsächlich um sulfidische Erze handelt (z.b. mit Covellit CuS, Pyrit FeS 2 ). Metallsulfide sind in der Regel sehr schwer löslich: CuS mol2 l-2 Ag 2 S mol3 l-3 CdS mol2 l-2 FeS mol2 l-2 PbS mol2 l-2 SnS mol2 l-2 ZnS mol2 l-2 Löslichkeitsprodukte einiger Metallsulfide Schwefelwasserstoff reagiert spontan mit Luftsauerstoff. Metallsulfide reagieren zwar auch mit O 2, die Reaktion läuft aber ungemein langsam ab. Beschleunigung der Auflösung der Metallsulfide z.b. durch Bakterien wie Thiobacillus ferrooxidans [Cu 2+ ] Freisetzung von Cu 2+ aus einem Erz mit Thiobacillus ferrooxidans (blau) und in steriler Kontrolle (rot). Zeit Mineralien die leichter spontan oxidieren werden auch von sind auch von Mikroorganismen zuerst aufoxidiert (FeS>CuS>PbS).

35 Thiobacillus 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 4 2- Eisenlaugung (seltener): 1. FeS + O 2 Fe 3+ + SO FeS 2 + O 2 Fe SO 2-4 Eisen(III) ist nur bei sauren ph-werten in Lösung. Bei neutralen ph-werten fällt es als FeO(OH) aus. Die gelösten Metalle werden nach dem Leaching-Vorgang ausgefällt und verhüttet. Andere mikrobielle Metalllaugungen: Uran: UO 2 + Fe 2 (SO 4 ) 3 UO 2 SO FeSO 4 U 4+ (unlöslich) U 6+ (löslich) Gold: Liegt sehr häufig in Mischerzen mit Eisen und Arsen vor. 2 FeAsS[Au] + 7 O 2 + 2H 2 O + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) H 3 AsO 4 + [Au]

36 Schwermetalle die als Elektronendonatoren für die Energiegewinnung durch Lithotrophe genutzt werden können Arsen Chrom Kupfer Molybdän Selen Technetium Uran Vanadium... Antimon Eisen Mangan Quecksilber Silber Tellur Wismut Zinn Tagebaurestseen Häufiges Problem: starke Versauerung (bis ph 1,5, Acid mine drainage) wenig Pufferkapazität (kalkarmes Grundgestein) mikrobielle Oxidation von Eisensulfiden (v.a. Pyrit FeS 2 ) (Thiobacillus sp.) Eisen- und Sulfidoxidation: 4 Fe 2+ + O H 2 O 4 Fe(OH) HS O 2 SO Pyritoxidation: FeS Fe H 2 O 15 Fe SO

37 Versauertes Braunkohletagebau-Restloch in der Lausitz. Die rostrote Färbung wird durch gelöstes Eisen(III) verursacht. Lithotrophre Mikroorganismen als Mineral/Gesteinsbildner Links: Gallionella ferruginea, Oben: schematische Darstellung, unten: Eisenstiele Rechts: Leptothrix sp., gewachsen auf Mn 2+, zu erkennen die braunen MnO 2 -Ausfällungen. Buntsandstein, Manganknollen

38 Ausfällung von Calciumcarbonat durch Mikroorganismen Cyanobacteria (Stromatolithen), Coccolithophoriden (Emiliania sp.) Stromatolithen CO 2(aq) H 2 CO 3 + HCO 3 - CO Ca 2+ CaCO 3 Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht C org Ausfällung von Calciumcarbonat durch Mikroorganismen Cyanobacteria (Stromatolithen), Coccolithophoriden (Emiliania sp.) Achromatium oxaliferum, ein Schwefeloxidierer mit intrazellulären CaCO 3 Kristallen Phacotus lenticularis, eine Grünalge mit einer CaCO 3 Hülle (Photograph: I. Schlegel)