Ein bewohnbares Milieu

Was benötigt ein Organismus zum Leben?

Energiequelle (chemische Reaktion) Kohlenstoffquelle (org. C, CO

) Makronährstoffe (N, P, S, Mg, Ca, Fe)

Spurenelemente (Mn, Co, Ni, W, Zn, Se, B, Mo, Cu) Wasser

Ein bewohnbares Milieu

Druck

Bakterien haben keine Schwimmblase. Sind sie druckempfindlich?

Bringe Luftballon in 1000 m Wassertiefe

... 1 bar Druckanstieg pro 10 m, bei 1000 m 100 facher Druckanstieg

?... gefüllt mit Luft O ° (1 %)

? ... oder mit Wasser O O (fast 100 %)

Hohe Drücke haben einen Einfluß auf:

- Siedepunkt und Viskosität des Wassers - Membranfluidität

- Stabilität einiger Biomoleküle

Barophile Mikroorganismen sind an hohe Drücke angepasst, z.B. höherer Anteil

an ungesättigten Fettsäuren in Cytoplasmamembran, modifizierte Enzyme.

Wassergehalt

Maß für den Wassergehalt ist die Wasseraktivität a

dest. Wasser a

= 1 “normale” Mikroorganismen a

= 0,9 Meerwasser a

= 0,98 halophile Mikroorganismen a

= 0,75

Salzseen a

= 0,75 xerophile Pilze a

= 0,7

Problem: Osmolarität

Lösung: Compatible Solutes

Compatible solutes aus hyperthermophilen Mikroorganismen

(Environ Microbiol 4:501ff)

z. B. Dimethylsulfoniopropionat (DMSP), Glycerin, Mannitol, Saccharose, Trehalose, Betain, Ectoin

Ectoin

Trehalose

CH₃

CH3

H₃C — N⁺— CH₃ — COOH Betain

Temperatur

Leben ist an flüssiges Wasser gebunden.

Gefrierpunkt von Seewasser: -1,8°C antarktisches Sea ice: -15°C

Sea ice hat Klüfte und Spalten in denen noch unterkühltes flüssiges Wasser vorkommt.

Mittelozeanische Rücken, geothermale Quellen

Wegen des hohen Drucks noch bis 300 °C flüssiges Wasser.

Das derzeitige Rekord für hyperthermophile Mikroorganismen liegt bei 121°C

(Kashefi & Lovley 2003 Science 301:934)

pH-Werte

Vulkanböden Bergbaurestseen

Böden, Moorgewässer

Seen, Meerwasser alkalische Böden (Kalk)

Sodaseen

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Picrophilus oshimae (pH -0,7-pH2)

Acidithiobacillus acidophilus (bis pH1) Essigsäurebakterien (pH3-7)

acidophile Bakterien (pH

< 5)

neutrophile Bakterien (pH

6-8)

alkaliphile Bakterien (bis pH12, pH

10-11)

Problem: Energiekonservierung

Periplasma Cytoplasma

Cyt o

½ O

+ 2H

H

O

H

ADP + P

ATP

H

ATPase

INNEN AUSSEN

NADH Oxidase

NADH

NAD

+ H

Atmungs-

kette

e^-

PMF = -F·∆Ψ + R·T·∆pH

∆Ψ: Membranpotential F: Faraday-Konstante T: Temperatur [K]

-

[H+]

+

[H+]

H ⁺ H ⁺

Problem: Energiekonservierung

Alkaliphile: Protonengradient? Na

Acidophile:

PMF = -F·∆Ψ + R·T·∆pH

∆pH sehr groß Membran umpolen

PMF = -F·∆Ψ + R·T·∆pH

Polymer + H

O Monomere, Oligomere

Extracelluläre Hydrolyse

Hydrolysereaktionen:

- Polysaccharide (Chitinase, Cellulase,..) - Peptide (Peptidasen)

- Phosphatasen

- Esterasen (z.B. Lipasen) Lösung:

Extrazelluläre Enzyme (Exoenzyme, werden freigesetzt) oder Ectoenzyme (außen an Zellwand oder

periplasmatisch) Aber:

Organisches Material im Ökosystem liegt

meist in polymerer Form vor.

Abbau organischer Substanz

Glc Glc6P

ATP ADP

+ -

SO

SO

2 H

2 H

1. Schritt: Extrazelluläre Hydrolyse von Polymeren (Depolymerisierung) 2. Schritt: Aufnahme gelöster organischer Substanz (Oligo-, Monomere)

Die meisten Aufnahmesysteme arbeiten gegen einen Konzentrationsgradienten.

Lösung: Kopplung an eine exergone chemische Reaktion (Primärer Transport, z.B. Aufnahme von Zuckern)

oder an Gradienten (Sekundärer Transport, z.B. Sulfataufnahme)

Abbau organischer Substanz

1. Schritt: Extrazelluläre Hydrolyse von Polymeren (Depolymerisierung) 2. Schritt: Aufnahme gelöster organischer Substanz (Oligo-, Monomere)

(Katabolismus, Abbau, Energiegewinnung) (Anabolismus, Synthesestoffwechsel)

Kohlenstoffkreislauf

mittlere Oxidationsstufe des Kohlenstoffs

CO

+IV Kohlendioxid

C

H

O

+I

C

H

O

0 Glucose, Biomasse, Acetat

C

H

OH -II Ethanol

CH

-IV Methan

Reduktion Oxidation

Primärproduktion:

CO₂+ 4 e^-+ 4 H⁺ <CH₂O> + H₂O

z.B. Calvin-Zyklus, reverser Tricarbonsäure- zyklus, reduktiver AcetylCoA-Zyklus

Photo- und Chemoautotrophe Organismen

+IV 0

Abbau organischer Substanz unter oxischen Bedingungen

Aerobe Mikroorganismen:

oxidieren Substrate in der Regel bis zum CO

. 30-50 % des Substrates können assimiliert werden.

C

H

O

+ 6 O

6 CO

+ 6 H

O

0 0 -II

NADH NAD

H

O

2 e

H

O

Atmungskette

Glucose

2 Pyruvat

2 ATP 2 NADH

2 GTP

4 NADH 2 FADH

2 ATP

2 CO

, 2 NADH

4 CO

X

Ohne Sauerstoff ? - Gärung

- Anaerobe Atmung

- Syntrophie (Interspecies Hydrogen Transfer)

2 Lactat Glucose

2 Pyruvat 4 [H]

2 ATP

2 ATP 2 ADP

2 Acetat + 2 HSCoA 2 Propionat

Ohne Sauerstoff?

4 [H]

2 CO

2 AcetylCoA

Glucose

2 Pyruvat

2 AcetylCoA 4 [H]

2 Lactat

2 ATP

2 CO

2 ATP 2 ADP

2 Acetat + 2 HSCoA 2 Propionat

Oder:

4 [H] 2 H

Hydrogenase

Aber: E

‘ (NAD

/NADH) = -320 mV

E

‘ (H

/H

) = -420 mV

Glucose

Pyruvat

TCC

GTP

NADH ATP

NADH

NADPH FADH

ATP CO

CO

X

XH

2 e

NADH NAD

H

Anaerobe Atmungskette

Anaerobe Atmungen:

NO

Denitrifikation (zu N

), Nitratatmung, Ammonifikation (zu NH

)

MnO

Manganreduktion

FeOOH Eisenreduktion

S

Schwefelreduktion

SO

Sulfatreduktion

CO

Methanogenese (zu CH

), Homoacetogenese (zu Acetat)

Der Energiegewinn den die Atmungsprozesse erlauben hängt vom jeweiligen Redoxpotential ab.

E

’ [mV]

O

/H

O +820 Aerobe Atmung NO

/N

+751 Denitrifikation

NO

/NH

+363 Nitratammonifikation MnO

/Mn

+390 Manganreduktion

FeOOH +150 Eisenreduktion

SO

/HS

-218 Sulfatreduktion S

/HS

-240 Schwefelreduktion CO

/CH

-244 Methanogenese NADH/NAD

-320

H

/H

-420

0

0

'

' z F E

G = − ⋅ ⋅ ∆

∆ z: Anzahl der übertragenen Elektronen

F: Faraday-Konstante, 96500 As·mol

Bsp.: H

+ S

H

S

∆G_o

’=-2·96500 As·mol

·(-240-(-420))mV

=-2·96500·0,18 As·V·mol

=-34,7 kJ·mol

) ' '

(

'

z F E

E

G = − ⋅ ⋅ −

∆

Das anaerobe Nahrungsnetz

CH

, CO

CO

Sekundäre Gärer, Syntrophe Methanogene

Sulfatreduzierer Primäre Gärer

Formiat, H

, CO

, Methanol

Fettsäuren, Succinat, Alkohole, Lactat

Acetat Polymere

Monomere

Oder:

4 [H]

2 H

Hydrogenase 3 Glucose

6 Pyruvat

6 AcetylCoA

4 [H]

6 ATP

2 CO

6 ATP 6 ADP

2 Acetat + 2 HSCoA

Glucose

2 Pyruvat

2 AcetylCoA 4 [H]

4 [H]

2 ATP

2 CO

4 CO

2 NTP

16 [H]

TCC

H₂ H₂

SO

H

S

Interspecies Hydrogen

Transfer

Syntrophie

Bsp.: Anaerober Abbau von Propionat zu Methan und CO

Der Methanogene kann nur H

und CO

verwerten. Der sekundäre Gärer kann Propionat oxidieren und H

freisetzen

Sekundärer Gärer CH

CH

COO

+ 2H

O CH

COO

+ CO

+ 3H

(z.B. Syntrophobacter sp.)

Methanogenes Bakterium CO

+ 4 H

CH

+2 H

O

4 CH

CH

COO

+ 2H

O 3CH

+ 4CH

COO

+ CO

Der sekundäre Gärer benötigt einen hydrogen scavanger.

(interspecies hydrogen transfer)

Thermodynamische Betrachtungen:

„Methanobacterium omelianskii“ – ein syntrophes Konsortium

∆G‘_o

Stamm S: 2 CH

CH

OH + 2 H

O 2 CH

COOH + 4 H

+19 kJ·mol

Stamm MoH: 4 H

+ CO

CH

+ 2 H

O -133 kJ·mol

2 CH

CH

OH + CO

2 CH

COOH + CH

-114 kJ·mol

Stamm S:

Stamm MoH:

2 2

3

4 2 2 3

] [

] [ ] ) [

( CH CHCOOH

H COOH S CH

K = ⋅

4 2 2

4

] [ ] [

] ) [

( CO H

MoH CH

K = ⋅

„Methanobacterium omelianskii“ – ein syntrophes Konsortium

∆G‘_o

Stamm S: 2 CH

CH

OH + 2 H

O 2 CH

COOH + 4 H

+19 kJ·mol

Stamm MoH: 4 H

+ CO

CH

+ 2 H

O -133 kJ·mol

2 CH

CH

OH + CO

2 CH

COOH + CH

-114 kJ·mol

Betrachte Wasserstoff:

Nernst‘sche Gleichung:

bzw.:

] ln[

30 ⋅ ₊²

−

= H

mV p E

E ^H

0 2

] ln[ ₊²

⋅

− ⋅

= H

p F z

T E R

E ^H

E

= 0 mV

mV P

mV

E=−30 log _H −60 ⋅

2

mV P

mV

E=−30 log H₂ −420

Bei pH 7

Je geringer der Wasserstoffpartialdruck, desto positiver das Redoxpotential.

Das Potential von Wasserstoff muß positiver als das von NADH sein, damit Wasserstoff aus NADH gebildet werden kann.

0

0 '

' z F E

G =− ⋅ ⋅∆

∆

CO

<CH

O>

CH

oxisch

anoxisch

Meerwasser Elektronenakzeptor Anzahl

Elektronen

Konz. [µM] Elektronenaufnahme [µeq/l]

O2 4 250 1 000

NO3- N2 5 5 25 NO3- NH4+ 8 5 40 Fe(III) 1 20 000 20 000 SO42- 8 28 000 224 000 HCO3- CH4 8 30 000 240 000

Mikrobielle Aktivität in Sedimenten

Wird gesteuert durch:

- Menge des vorhandenen organischen Materials (Sedimentationsraten, lateraler Eintrag) - Qualität des vorhandenen organischen Materials (refraktäres Material, anaerober Abbau) - Verfügbarkeit der unterschiedlichen Elektronenakzeptoren

Elektronenakzeptoren in Sedimenten, Konzentrationen und potentielle Elektronenaufnahme

O₂ NO₃^- MnO₂ Fe(III)

SO

CH₄

Idealisiertes Schema

der vertikalen Abfolge

der verschiedenen

Elektronenakzeptoren

im Sediment.

Lithotrophe Prozesse sind für die Reoxidation der Elektronenakzeptoren notwendig

- Reoxidation von reduzierter Elektronenakzeptoren (Fe

, Mn

, NH

, HS

, CH

) - In der Regel mehrstufige Reaktionen

- Detoxifikation (HS

, NH

)

- Verantwortlich für etwa 50% der Sauerstoffaufnahme des Sediments

E

’ [mV]

O

/H

O +820 Aerobe Atmung NO

/N

+751 Denitrifikation

NO

/NH

+363 Nitratammonifikation MnO

/Mn

+390 Manganreduktion

FeOOH +150 Eisenreduktion

SO

/HS

-218 Sulfatreduktion S

/HS

-240 Schwefelreduktion CO

/CH

-244 Methanogenese NADH/NAD

-320

H

/H

-420

2 NH

+ 4 O

2 NO

+ 2 H

O + 4H

Nitrifikation (mikrobiell)

2 Mn

+ O

+ 2 H

O 2 MnO2 + 4 H

Manganoxidation (mikrobiell, chemisch, photochemisch)

4 Fe

+ O

+ 6 H

O 4 FeOOH + 8 H

Eisenoxidation (mikrobiell, chemisch)

2 Fe

+ MnO

+ 2 H

O 2 FeOOH + Mn

+ 2 H

Eisenoxidation (chemisch)

2 HS

+ O

+ 4 H

2 S

+ 2 H

O Sulfidoxidation (mikrobiell, chemisch)

HS

+ 2 O

SO

+ H

Sulfidoxidation (mikrobiell)

HS

+ MnO

+ 3 H

S

+ Mn

+ 2 H

O Sulfidoxidation (chemisch)

HS

+ 2 FeOOH + 5 H

S

+ 2 Fe

+ 4 H

O Sulfidoxidation (chemisch)

CH

+ SO

+ H

HS

+ CO

+ 2 H

O Anaerobe Methanoxidation (mikrobiell)

Fe²⁺

Fe³⁺

Mn²⁺

MnO₂

HS^-

S^o H₂O

O₂

Fe²⁺

Mn²⁺

HS^- O₂

Arhus Bay, nach Thamdrup et al. 1994

NO

NH

oxisch anoxisch NO

Nitrifikation

Präfix: Nitro- z.B. Nitrobacter, Nitrococcus

Präfix: Nitroso- z.B. Nitrosomonas

NO

N

Ammonifikation

Denitrifikation

N

-Fixierung

“Anammox”

anaerobe Ammoniumox.

z.B. Desulfovibrio

z.B. Paracoccus, Bacillus, u.a.

NO

Biomase

Nitrifikation

Oxidation von Ammonium zu Nitrat

Zweistufige Reaktion mit unterschiedlichen Organismengruppen.

1. Stufe: Oxidation des Ammonium zu Nitrit (Nitroso-)

2 NH

+ 3 O

2 NO

+ 2 H

O + 4H

‘ = -275 kJ/Reaktion Nitrosofikation, Nitrosomonas europaea

2. Stufe: Oxidation des Nitrit zu Nitrat (Nitro-)

2 NO

+ O

2 NO

‘ = -76 kJ/Reaktion

Nitrifikation, Nitrobacter winogradskyi

Nitrosolobus multiformis Maßstab: 0,5 µm

Nitrococcus mobilis

Aus: Perry & Staley, Microbiology, Dynamics and Diversity

Intrazelluläre Membransysteme bei nitrifizierenden Mikroorganismen.

Populationen Ammonium- und Nitrit- oxidierender Bakterien in Belebtschlamm- flocken. Zellen wurden mit 16S rRNA- Sonden angefärbt.

Blau: Ammonium-Oxidierer Rot: Nitrit-Oxidierer

Aus Schramm et al. (1998) Appl. Environ Microbiol. 64:3480 ff

Schwefelkreislauf

Ox.stufe des S SO

+V S

O

+II

S

0

H

S -II

R-SH -II

S-Assimilation:

- assimilatorische Sulfatreduktion (endergoner Prozess) SO

+ 4 H

+ 2H

H

S

2 ADP 2 ATP

SO

HS

oxisch anoxisch

Sulfatreduktion,

anaerobe Atmung

(Sulfatreduzierende

Bakterien, SRB)

SO

HS

oxisch anoxisch Aerobe Sulfidoxidation

Atmungsprozess (O

oder NO

)

(Schwefeloxidierende Bakterien, SOB)

SO

HS

oxisch anoxisch Aerobe Sulfidoxidation

(unvollständige Sulfidoxidation) SOB

S

S

O

Thiomagerita namibiensis,

Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen.

Achromatium oxaliferum,

Ein Schwefeloxidierendes Bakterium mit intrazellulären Schwefeltropfen und Calciumcarbonatkristallen.

SO

HS

, FeS, FeS

oxisch anoxisch

Thiosulfatreduktion Schwefelreduktion, anaerobe Atmung

(SRB, Schwefelreduzierer,

Eisenreduzierer, Thiosulfatreduzierer) S

S

O

SO

HS

oxisch anoxisch

Anaerobe

Sulfidoxidation,

Photosyntheseprozess

(Grüne und Rote Schwefelbakterien)

S

S

O

SO

h·ν

Phototrophe Schwefelbakterien

Im Hypolimnion des Dagowsee.

SO

HS

oxisch anoxisch S

S

O

Thiosulfat- und Schwefeldisproportionierung

“Anaerobe Gärung”

SRB

S

O

+ H

O SO

+ HS

+ H

4 S

+ 4 H

O SO

+ 3HS

+ 5H

oxisch anoxisch SO

SO

HS

HS

S

O

S

FeS

Schwefeloxidierer, aerob Sulfatreduzierer, anaerob Phototrophe S-Bakt., Schwefeloxidierer mit Nitrat Chemische Prozesse

S

Fe³⁺, MnO₂

FeS