DIE ROLLE VON MIKROORGANISMEN IM STOFFKREISLAUF UND IN DER NATUR -Wie tragen Mikroorganismen zur Bodenqualität bei? - Nikolai Löhr Johannes Gutenberg-Universität Mainz Institut für Mikrobiologie und Weinforschung Johann-Joachim-Becherweg 15 55128 Mainz
Inhaltsübersicht 1. Charakterisierung des Bodens 2. Charakterisierung der Mikroorganismen 3. Leistungen der Mikroorganismen 3.1 Abbau von Cellulose 3.2 Abbau von Hemicellulose 3.3 Abbau von Lignin (=Humusbildung) 4. Quellen 5. Fragerunde & Diskussion 2
1. Charakterisierung des Bodens Abnahme der mikrobiellen Aktivität! 3
O-Schicht. Aus was besteht das abzubauende Pflanzenmaterial? 4
Hotspots des bakteriellen Wachstums Wachstum an der Oberfläche von Partikeln (Sorption) einerseits andererseits Wachstum in Rhizosphäre. Heterogener Lebensraum! 5
Heterogenität des Lebensraums = Artenvielfalt? Biozönotische Grundprinzipien, von A.F. Thienemann: Vielseitige Lebensbedingungen in einem Biotop ermöglichen eine hohe Artendichte. Qualität: 10.000 Genome in Bodenprobe Quantität: In den obersten 30cm des Bodens findet pro Quadratmeter: - 1 Billionen Bakterien - 11 Milliarden Pilze - 1 Millionen Algen 6
2. Charakterisierung der Mikroorganismen Als autochthon bezeichnet man die Arten, die an vorherrschende Bedingungen des Ökosystems angepasst sind, heimisch und dort immer vorhanden sind. Allochthone Arten sind in dem Biotop fremd, somit nicht angepasst und auf externe Versorgung angewiesen. 7
Lebensstrategien? Wachstumsrate Allochthon Autochthon Substratkonzentration 8
3. Leistungen der Mikroorganismen 3.1 Abbau von Cellulose 180 β-1,4-gylkosidische Verknüpfung von Glucosemolekülen Zellwandmaterial der Pflanzen Häufigstes Kohlenhydrat der Welt Hydrolytische Spaltung über die Enzymfamilie der Cellulasen (aerob und anaerob) 9
Actinobacteria Gattung: Cellulomonas Gattung: Streptomyces Gattung: Arthrobacter Firmicutes Gattung: Bacillus Gattung: Clostridium anaerob Phylogenetischer Schnappschuss 10
Exkurs: Streptomyces, eine prominente Gattung Antibiotikaproduzent (z.b. Streptomycin) Sporenbildner Mitunter größtes bakterielles Genom Verursacher des typischen Waldbodengeruchs ; Geosmin 11
3. Leistungen der Mikroorganismen 3.2 Abbau von Hemicellulose Polysaccharid der sekundären Pflanzenzellwand aus verschiedenen Monosacchariden: - Hexosen (Glucose, Mannose, Galactose, ) - Pentosen (Xylose, Arabinose ) Abbau auch hydrolytisch Abbauende Organismen sind zahlreicher 12
3. Leistungen der Mikroorganismen 3.3 Abbau von Lignin Lat. lignum für Holz Sehr persistenter Naturstoff Aufbau aus Phenylpropaneinheiten (= Ligninalkohole) 13
Radikalische Polymerisation der Ligninsynthese Radikalbildung erfolgt enzymatisch, aber nicht deren Weiterreaktion. 14
Lignin-Polymer Undefinierte Struktur Nicht wasserlöslich Abbau benötigt molekularen Sauerstoff! 15
Ligninabbau, (fast) eine reine Sache der Pilze Weißfäulepilze: Ligninabbau,Hemicelluloseabbau, Cellulose bleibt zurück Lignin nicht einzige C-Quelle: Cometabolismus Braunfäulepilze: Celluloseabbau,Hemicelluloseabbau, Lignin bleibt zurück 16
Braunfäule Weißfäule 17
Glyoxaloxidase mittelbar Mangan-Peroxidase Mn 3+ chelatisiert Lignin-Peroxidase unmittelbar Laccasen Mn 3+ Phenolische Substanzen Lignin- Peroxidase Nicht-phenloische Ligninstrukturen Laccase Niedermolekulare Burchstücke 18
Humus = die gesamte organische Bodensubstanz, abzüglich der lebenden Biomasse Nicht einheitlich, aber Polyphenole des Ligninabbaus dominieren Funktionelle Gruppe: überwiegend saure Carboxylgruppen 19
Die Entstehung der Carboxylgruppe MONOOXYGENASE DIOXYGENASE O 2 Spaltung des aromatischen Ringes: Dioxygenasen! 20
3.3 Zusammenfassung: bisheriges Wissen Lignin Über Pilze Humus: Daher reich an Aromaten Dioxygenasen sorgen für Ringöffnung an Aromaten 21
Günstige Wirkungen der Huminstoffe im Boden Kationenaustauscher Immobilisieren von toxischen Substanzen (Al 3+ / Pb 2+ / Cd 2+ gelangen nicht ins Grundwasser) Pufferwirkung C/N-Verhältnis von 10/1 Wasserhaltevermögen 22
4. Quellen Literaturverzeichnis: Brock, Mikrobiologie, 13. Auflage; Pearson -S/997 Abbildung 23.13 -S/994 Abbildung 23.11 -S/878, Abbildung 20.31 Haider, Biochemie des Bodens, -S/20 Tabelle 2.1 Fuchs, Allgemeine Mikrobiologie; Thieme -S/364 Abbildung 11.9 -S/623 Abbildung 18.22 Fritsche, Mikrobiologie, 2. überarbeitete Auflage; Spektrum -S/300 Abbildung 14.11 Bildquellen aus Internet: http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/zimmer-jens-2003-12-05/html/chapter5.html http://de.wikipedia.org/wiki/wei%c3%9ff%c3%a4ule#/media/file:hvidmuld.jpg https://www.native-plants.de/blog/jetzt-bodenprobe-nehmen/ http://www.holzfragen.de/seiten/xestobium_rufovillosum.html https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ee/lignin_structure.svg/350px-lignin_structure.svg.png 23
5. Fragerunde / Diskussion Wie lässt sich die Vielfalt an Mikroorganismen im Ökosystem Boden erklären? Wieso ist ein gut durchlüfteter Boden so wichtig? Erläutere die Chancen der Bodensanierung durch Pilze! Was unterscheidet die Abbaubedingungen des Ligninabbaus von den Abbaubedingungen des Celluloseabbaus? 24