Mikrobielle Ökologie VL 5 Biogeochemische Kreisläufe Bert Engelen engelen@icbm.de www.icbm.de/pmbio Kohlenstoff mittlere Oxidationsstufe 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 Stickstoff NO 3 +V Nitrat NO 2 +III Nitrit N 2 0 Stickstoff NH + 4 III Ammonium RNH 2 III Amine Reduktion Reduktion Oxidation Oxidation Schwefel SO 4 +VI Sulfat S 2 O 3 +II Thiosulfat S o 0 Schwefel H 2 S II Sulfid RSH II SulfhydrylGruppe Reduktion Oxidation 1
Lithotrophe Prozesse sind für die Reoxidation der Elektronenakzeptoren notwendig Reoxidation von reduzierter Elektronenakzeptoren (Fe 2+, Mn 2+, NH + 4, HS, CH 4 ) In der Regel mehrstufige Reaktionen Detoxifikation (HS, NH + 4 ) Verantwortlich für etwa 50% der Sauerstoffaufnahme des Sediments Nitrifikation 2NH + 4 + 3 O 2 2 NO 2 + 2 H 2 O + 4H + (mikrobiell) Manganoxidation 2 Mn 2+ + O 2 + 2 H 2 O 2 MnO 2 + 4 H + (mikrobiell, chemisch, photochemisch) Eisenoxidation 4 Fe 2+ + O 2 + 6 H 2 O 4 FeOOH + 8 H + (mikrobiell, chemisch) Sulfidoxidation 2 HS + O 2 + 4 H + 2 S o + 2 H 2 O (mikrobiell, chemisch) Sulfidoxidation HS + 2 O 2 SO 4 + H + (mikrobiell) Anaerobe Methanoxidation CH 4 + SO 4 + H + HS + CO 2 + 2 H 2 O (mikrobiell) 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 Reduktion Oxidation Primärproduktion: +IV 0 CO 2 + 4 e + 4 H + <CH 2 O> + H 2 O Photo und Chemoautotrophe Organismen z.b. CalvinZyklus, reverser Tricarbonsäurezyklus, reduktiver AcetylCoAZyklus 2
Kohlenstoffkreislauf CO 2 <CH 2 O> oxisch anoxisch CH 4 Kohlenstofffixierung (Autotrophie) Abbau organischen Materials Methanotrophe Mikroorganismen Anorganischer Kohlenstoff, KalziumKreislauf CO 2 (gas) KalkKohlensäureGleichgewicht CO 2 (aq) H 2 CO 3 H + + HCO 3 CO 3 2 + Ca 2+ CaCO 3 C org Phacotus lenticularis Kalkhüllenbildende Süßwasseralge Emiliania huxleyi Kalkhüllenbildende Meeresalge 3
Aktive Bildung von kalkreichen Sedimenten durch Kalksintermoose (Cratoneuron sp.) an den Plitwitzer Seen (Kroatien). Aktive Bildung von kalkreichen Sedimenten durch Kalksintermoose (Cratoneuron sp.) an den Plitwitzer Seen (Kroatien). 4
CKreislauf (heute) Photosynthetische Primärproduktion CO 2 + H 2 O <CH 2 O> + O 2 Stöchiometrie 1:1:1:1 Es handelt sich um eine große syntrophe Beziehung aller Lebewesen verläuft natürlich über biologische Umwege... CO 2 + H 2 O <CH 2 O> + O 2 Konsumption, Mineralisation Kohlenstoffkreislauf in der Biosphere +Methanhydrate 27 500. 10 9 5
NKreislauf N 10 % der Trockenmasse viele Reaktionen nur von Prokaryoten katalysiert viele Reaktionen nur über Umwege umkehrbar Nitrat (NO 3 ) als oxidierteste Form Ammonium (NH 4 + bzw. Ammoniak, NH 3 ) als reduzierteste Form Nitrit (NO 2 ) als (toxisches) Intermediat NO und N 2 O (Lachgas) als weitere Intermediate (Di)Stickstoff (N 2 ) als inerteste Form, Nitrogenase als (sauerstoffempfindliches) Schlüsselenzym 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 Reduktion Oxidation NAssimilation: Stickstofffixierung (endergoner Prozess) N 2 + 3 H 2 + 2H + 2 NH + 4 Ammonifikation NO 3 + 8 e + 10 H + NH 4+ + 3 H 2 O 6
StickstoffKreislauf Präfix: Nitroz.B. Nitrobacter, Nitrococcus Nitrifikation NO 2 Präfix: Nitrosoz.B. Nitrosomonas Biomasse NO 3 NitratAmmonifikation NH 4 + oxisch anoxisch z.b. Desulfovibrio NO 2 N 2 Fixierung Anammox anaerobe Ammoniumoxidation Denitrifikation N 2 NO 2 Beispiele von Mikroben aus dem Stickstoffkreislauf Pseudomonas denitrificans reduziert Nitrat zu Stickstoff (wenn kein Sauerstoff zur Verfügung steht) Denitrifikation, Anaerobe Atmung Viele Cyanobakterien (z.t. in Heterocysten) und Bakterien reduzieren Stickstoff zu Ammoniak. Wichtige symbiotische Stickstofffixierer sind die Rhizobien in den Wurzelknöllchen von Pflanzen. Anabaena mit Heterocyste Heterocyste im Elektronenmikroskop Nitrosomonas oxidiert Ammoniak zu Nitrit (erster Schritt durch Oxygenase katalysiert und O 2 als Elektronenakzeptor) Lithotropher Prozess Nitrococcus oxidiert Nitrit zu Nitrat (O 2 als Elektronenakzeptor) Lithotropher Prozess 7
Wurzelknöllchen, Symbiose von Pflanzen mit Stickstofffixierenden Bakterien SKreislauf S 1 % der Trockenmasse Dissimilatorische Prozesse relativ wichtiger als assimilatorische viele Reaktionen nur von Prokaryoten katalysiert Sulfat (SO 4 ) als oxidierteste Form (Meer 28 mm) Schwefelwasserstoff (H 2 S, 'Sulfid') als reduzierteste Form (toxisch) Schwefel (S), Sulfit (SO 3 ), Thiosulfat (S 2 O 3 ) und Tetrathionat (S 4 O 6 ) als wichtige Intermediate Reduzierte SVerbindungen dienen auch als Elektronendonatoren für anoxygen phototrophe Bakterien Von den meisten Gasen löst sich bei Atmosphärendruck etwa 1 mm in Wasser. Gase mit SäureBase Gleichgewichten lösen sich viel besser: CO 2 30 mm H 2 S 100 mm NH 3 > 1M 8
Wichtige Schwefelverbindungen HSH, HS SSSS "Sulfid" Polysulfid SSS S S S8 SSS Schwefel O OSO O O O OSSSO O O Trithionat O OSS O O OSSSSO O O Tetrathionat O O=S O Sulfat Thiosulfat Sulfit O Schwefelkreislauf mittlere Oxidationsstufe des Schwefels SO 4 +VI Sulfat S 2 O 3 +II Thiosulfat S o 0 Schwefel H 2 S II Sulfid RSH II SulfhydrylGruppe Reduktion Oxidation SAssimilation: assimilatorische Sulfatreduktion (endergoner Prozess) SO 4 + 4 H 2 + 2H + H 2 S 2 ATP 2 ADP 9
Aerobe Sulfidoxidation Atmungsprozess (O 2 oder NO 3 ) (Schwefeloxidierende Bakterien, SOB) SO 4 oxisch anoxisch HS Achromatium oxaliferum, Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen und Calciumcarbonatkristallen SO 4 Aerobe Sulfidoxidation (unvollständige Sulfidoxidation) SOB S 2 O 3 S o oxisch anoxisch Thiomagerita namibiensis, Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen HS 10
SO 4 S 2 O 3 S o oxisch anoxisch Thiosulfatreduktion Schwefelreduktion, anaerobe Atmung (SRB, Schwefelreduzierer, Eisenreduzierer, Thiosulfatreduzierer) HS, FeS, FeS 2 Phototrophe Schwefelbakterien Im Hypolimnion des Dagowsee SO 4 oxisch SO 4 S 2 O 3 S o h ν anoxisch Anaerobe Sulfidoxidation, Photosyntheseprozess (Grüne und Rote Schwefelbakterien) HS 11
Thiosulfat und Schwefeldisproportionierung Anaerobe Gärung SRB S 2 O 3 + H 2 O SO 4 + HS + H + 4 S o + 4 H 2 O SO 4 + 3HS + 5H + SO 4 S o oxisch anoxisch S 2 O 3 HS Beispiele von Mikroben aus dem Schwefelkreislauf Desulfovibrio desulfuricans reduziert Sulfat zu Sulfid Desulfurikation, anaerobe Atmung Pyrobaculum reduziert Schwefel zu Sulfid (mit Peptiden als Elektronendonator) bei >100 C Hyperthermophiles schwefelreduzierendes Archaeon, anaerobe Atmung (?) Chlorobium oxidiert Sulfid (über Schwefel) im Licht zu Sulfat und nutzt die Reduktuionsequivalente zur Reduktion von CO 2 anoxygene Photosynthese, photolithoautotropher Prozess Probe aus dem DagowSee mit anoxygen phototrophen Bakterien Thiobacillus oxidiert Sulfid und andere reduzierte Schwefelverbindungen zu Sulfat (O 2 als Elektronenakzeptor) und reduziert CO 2 Lithoautotropher Prozess 12
Eisen und ManganKreislauf Eisen und Mangan reduktion Geobacter sp. Shewanella sp. Fe 3+ Mn 4+ Fe 2+ Mn 2+ Eisenoxidation Manganoxidation Arthrobacter sp., Bacillus sp. Acidophile Eisenoxidierer Acidithiobacillus ferrooxidans Leptospirillum ferroxidans Neutrophile Eisenoxidierer Gallionella ferruginea Leptothrix discophora Leptothrix sp. Gallionella ferruginea schematische Darstellung Eisenstiele gewachsen auf Mn 2+ braun: MnO 2 Ausfällungen 13
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Kreisläufe von Metallen Viele Metalle mit geeigneten Redoxpotentialen werden durch Mikroben reduziert und oxidiert Die wichtigsten: Fe 2+ /Fe 3+ und Mn 2+ /Mn 4+ Durch die Umsetzungen wird die Löslichkeit verändert (Fe 3+ und Mn 4+ sind viel schlechter löslich als die reduzierten Formen) 15
PKreislauf Phosphat durchläuft nicht Redoxkreisläufe wie die zuvor genannten Elemente. Die Verfügbarkeit von Phosphat wird aber von den Redoxverhältnissen bestimmt. Mit oxidiertem Eisen fällt Phosphat als schwerlösliches FePO 4 aus. Gerät FePO 4 unter anoxische Verhältnisse, wird Fe 3+ zu Fe 2+ reduziert und wieder löslich und freigesetzt. Fällung von Phosphat in der Kläranlage 16