VL 03 Biogeochemische Kreisläufe von C, N, S, Abbau organischer Substanz

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1 VL 03 Biogeochemische Kreisläufe von C, N, S, Abbau organischer Substanz Bakterien haben keine Zähne Abbau organischer Substanz? Aber: Organisches Material im Ökosystem liegt meist in polymerer Form vor Lösung: Extrazelluläre Enzyme (Exoenzyme, werden freigesetzt) oder Ectoenzyme (außen an Zellwand oder periplasmatisch) Hydrolysereaktionen: Polysaccharide (Chitinase, Cellulase,..) Peptide (Peptidasen) Phosphatasen Esterasen (z.b. Lipasen) Polymer + H 2 O Extrazelluläre Hydrolyse Monomere, Oligomere 1

2 Abbau organischer Substanz 1. Schritt: Extrazelluläre Hydrolyse von Polymeren (Depolymerisierung) 2. Schritt: Aufnahme gelöster organischer Substanz (Oligo, Monomere) Die meisten Aufnahmesysteme arbeiten gegen einen Konzentrationsgradienten Kopplung an Exergone chemische Reaktion: z.b. Aufnahme von Zuckern Gradienten: z.b. Sulfataufnahme + Glc Glc6P ATP Primärer Transport ADP 2 H + 2 H + Sekundärer Transport Abbau organischer Substanz 1. Schritt: Extrazelluläre Hydrolyse von Polymeren (Depolymerisierung) 2. Schritt: Aufnahme gelöster organischer Substanz (Oligo, Monomere) 3. Schritt Metabolismus Katabolismus: Abbau, Energiegewinnung Anabolismus: Synthesestoffwechsel 2

3 Kohlenstoffkreislauf mittlere Oxidationsstufe des Kohlenstoffs CO 2 +IV Kohlendioxid C 4 H 6 O 5 +I Äpfelsäure C 6 H 12 O 6 0 Glucose, Biomasse, Acetat C 2 H 5 OH II Ethanol CH 4 IV Methan R e d u k t i o n Oxidation Primärproduktion: +IV 0 CO e + 4 H + <CH 2 O> + H 2 O Photo und Chemoautotrophe Organismen z.b. CalvinZyklus, reverser Tricarbonsäurezyklus, reduktiver AcetylCoAZyklus Kohlenstoffkreislauf CO 2 <CH 2 O> CH 4 Kohlenstofffixierung (Autotrophie) Abbau organischen Materials Methanotrophe Mikroorganismen 3

4 Das anaerobe Nahrungsnetz Polymere Monomere Primäre Gärer Sekundäre Gärer, Syntrophe Sulfatreduzierer Methanogene Fettsäuren, Succinat, Alkohole, Lactat Formiat, H 2, CO 2, Methanol Acetat CH 4, CO 2 CO 2 Anorganischer Kohlenstoff, KalziumKreislauf CO 2 (gas) KalkKohlensäureGleichgewicht CO 2 (aq) H 2 CO 3 H + + HCO 3 CO Ca 2+ CaCO 3 C org Phacotus lenticularis Kalkhüllenbildende Süßwasseralge Emiliania huxleyi Kalkhüllenbildende Meeresalge 4

5 Aktive Bildung von kalkreichen Sedimenten durch Kalksintermoose (Cratoneuron sp.) an den Plitwitzer Seen (Kroatien). StickstoffKreislauf mittlere Oxidationsstufe des Stickstoffs NO 3 +V Nitrat NO 2 +III Nitrit N 2 0 Stickstoff NH + 4 III Ammonium RNH 2 III Amine R e d u k t i o n Oxidation NAssimilation: Stickstofffixierung (endergoner Prozess) N H 2 + 2H + 2 NH 4 + Ammonifikation NO e + 10 H + NH H 2 O 5

6 StickstoffKreislauf Nitrifikation Präfix: Nitroz.B. Nitrobacter, Nitrococcus NO 2 Präfix: Nitrosoz.B. Nitrosomonas Biomasse NO 3 NitratAmmonifikation NH 4 + z.b. Desulfovibrio NO 2 N 2 Fixierung Anammox anaerobe Ammoniumoxidation Denitrifikation N 2 NO 2 Schwefelkreislauf mittlere Oxidationsstufe des Schwefels SO 4 +VI Sulfat S 2 O 3 +II Thiosulfat 0 Schwefel H 2 S II Sulfid RSH II SulfhydrylGruppe R e d u k t i o n Oxidation SAssimilation: assimilatorische Sulfatreduktion (endergoner Prozess) + 4 H 2 + 2H + H 2 S 2 ATP 2 ADP 6

7 Aerobe Sulfidoxidation Atmungsprozess (O 2 oder NO 3 ) (Schwefeloxidierende Bakterien, SOB) HS Achromatium oxaliferum, Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen und Calciumcarbonatkristallen Aerobe Sulfidoxidation (unvollständige Sulfidoxidation) SOB S 2 O 3 HS Thiomagerita namibiensis, Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen 7

8 S 2 O 3 Thiosulfatreduktion Schwefelreduktion, anaerobe Atmung (SRB, Schwefelreduzierer, Eisenreduzierer, Thiosulfatreduzierer) HS, FeS, FeS 2 Phototrophe Schwefelbakterien Im Hypolimnion des Dagowsee S 2 O 3 h í Anaerobe Sulfidoxidation, Photosyntheseprozess (Grüne und Rote Schwefelbakterien) HS 8

9 Thiosulfat und Schwefeldisproportionierung Anaerobe Gärung SRB S 2 O 3 + H 2 O + HS + H H 2 O + 3HS + 5H + S 2 O 3 HS Chemische Prozesse Schwefeloxidierer Sulfatreduzierer Phototrophe SchwefelBakt., Schwefeloxidierer mit Nitrat Schwefelkreislauf HS S 2 O 3 FeS HS Fe 3+, MnO 2 FeS 2 9