Einführung in die Marinen Umweltwissenschaften

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Einführung in die Marinen Umweltwissenschaften

www.icbm.de/pmbio

ICBM und Studiengang Marine Umweltwissenschaften

• Geschichte und Struktur des ICBM Terramare e.V.

Fakultäten, Institute,

Anbindung der Lehre, Berufungen...

• Profil des ICBM

- Vergleich mit anderen Instituten für Meeresforschung - Analytik

- Drittmittel, Forschergruppe

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• Studiengang MUWI

- grundständiger Studiengang - Schwerpunktbildung

- marin?

- Vergleich mit Fachhochschul-Ausbildung - Interdisziplinarität, Spezialistentum - Berufsperspektiven

- Auslandsstudium - Promotion

• Biologische Angebote

- die meisten Lehrenden aus der Biologie

- Austauschbarkeit, Gemeinsame Kurse mit Bio- Studierenden u.a.

- Angebote im Internet...

- Physiologisches Grundpraktikum Mikrobiologie - Vordiploms-Vorbereitung (4. Sem.)

- Vertiefungskurse, Intensivpraktikum

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Mikrobiologische Grundlagen

- Rolle der Mikroorganismen in der Natur - Baustoffwechsel, Energiestoffwechsel - Stoffwechsel der ersten Lebewesen - Stammbaum der Lebewesen

- Biogeochemie, Mikrobielle Ökologie, Umweltmikrobiologie

- Dogma der biologischen Unfehlbarkeit

•

www.grundlagen-der-mikrobiologie.de

•

Brock. Biology of Microorganisms

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•

www. mikrobiologischer-garten.de

•• Krankheitserreger, Fäulniserreger?

•• Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) sind erfolgreichste Gruppe

von Lebewesen bezüglich - Anzahl

- Biomasse

- Evolutionserprobung - Biogeochemische Aktivität

Rolle der Mikroorganismen in der Natur

Die meisten chemischen Reaktionen auf der Erde werden von Mikroorganismen katalysiert.

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Nahrungskette

Lineares Denken...

Wie kann es dazu kommen, das der Anteil der Bakterien an der Produktion und Biomasse bei sinkender Produktion zunimmt?

Microbial Loop: Die Bakterien stehen nicht am Ende der

Nahrungskette sondern sind aktiv als Konkurrenten um Nährstoffe (N, P, Fe) und Verwerter gelöster organischer Substanzen.

Nahrungsnetz

Mafia oder die

heimlichen Chefs

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• Leben beinhaltet Wachstum als wesentliches Merkmal

• Wachstum erfordert Zunahme der Biomasse und

• Zellteilung nach Replikation des Genoms

• Zunahme der Biomasse (Assimilation) benötigt Baustoffe

• Verarbeitung der Baustoffe benötigt Energie

Wachstum

Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Lebensarbeit ist überwiegend Biosynthese und Transport.

• Als wichtigste Baustoffe werden Kohlendioxid (CO₂) oder organische Verbindungen <CH₂O> genutzt

• Organismen sind entweder autotroph (= nutzen CO₂ als Haupt-Kohlenstoffquelle) oder

• heterotroph (= verwenden vorgefertigte organische Baustoffe)

• CO₂ ist und war meist reichlich verfügbar, erlaubt Isotopenfraktionierung (leichteres ¹²C bevorzugt gegenüber ¹³C umgesetzt)

• Autotrophie erfordert jedoch aufwendige assimila- torische Stoffwechselwege (z.B. Calvin-Cyclus)

Baustoffe

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Baustoffwechsel

Assimilation, Anabolismus CO₂ + H₂O →→ <CH₂O> + O₂ oder

<CH₂O> →→ <CH₂O>

•

^<CH2O> als vereinfachende Formel für eine

‘Biomasse-Einheit‘ oder totes organisches Material

•

Neben Wasser können auch andere reduzierte Verbindungen als Elektronendonatoren für die CO₂-Fixierung dienen (z.B. H₂, H₂S. Fe²⁺ etc.)

• Als Energiequellen werden nur Licht und chemische Energie genutzt (phototrophe oder chemotrophe Lebensweise)

• Chemische Energie kann aus organischen oder anorganischen Verbindungen gewonnen werden (organotrophe oder lithotrophe Lebensweise)

• Wärme ist Voraussetzung und Produkt von Leben, wird aber nicht als Triebkraft verwertet.

• Lebewesen sind Energiewandlungsmaschinen und erzeugen verschiedene Energieformen: elektrische, mechanische, magnetische, akustische, chemische, Licht und chemiosmotische Gradienten ...

Energie

Energiequellen

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Energiestoffwechsel

•

Dissimilation, Katabolismus

•

Ein Teil des Futters wird zur

Energiekonservierung "verbrannt".

•

Je weniger Energie gewonnen wird, desto mehr muss pro Verdopplung einer Zelle geopfert werden (50 - 99 % des Futters).

•

Prokaryoten sind die Weltmeister in der Ausnutzung verschiedenster Energiequellen

Heterotropher Aerobier

Stoffwechsel eines

heterotrophen Aerobiers (z.B.

Mensch)

z.B. Glucose

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Lebens- weisen

7 6 5 4

3

2 1

1: grüne Pflanze 2: Schwefel- Purpurbakterium 3: Schwefelfreies Purpurbakterium 4: Mensch, Pilz 5:Sulfatreduzie- rendes Bakterium 6: Darmbakterium 7: Desulfovibrio sulfodismutans

Endocytobionten

Pflanzen und Tiere entwickelten sich unter wesentlicher Mithilfe von Prokaryoten.

Evolution der Eukaryoten

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Endocytobionten

18 % der Gene stammen von Cyanobakterien

Evolutionszeiten Zeit und Abundanz

Die Prokaryoten sind die am höchsten entwickelten Lebewesen.

• Erdalter 4 600 000 000 Jahre

• Bakterien 3 800 000 000 Jahre

• Homo sapiens 270 000 Jahre

Generationszeiten

• Mensch 10 000 Tage

• Bakterien 1 Tag (10 min - 1000 Jahre)

Abundanzen

• Menschen 10¹⁰

• Bakterien 10³⁰(10¹⁴ in jedem Menschen)

Im Darm jedes Menschen gibt es so viele Bakteriengenerationen wie die Menschheit selbst hatte, mit 10 000-facher Individuenzahl.

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Die erfolgreichsten Organismen

Gewinner

Mitochondrien, die es schaffen, sogenannte 'höhere Organismen' zum Zwecke ihrer Vermehrung einzusetzen

Chloroplasten, denen es gelingt, Bäume zu ihrer Vermehrung in den Himmel wachsen zu lassen

Stammbaum aller Lebewesen

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Möglicher Stoffwechsel der ersten Lebewesen

• Anaerob (= keinen Sauerstoff verbrauchend, anoxisch = keinen Sauerstoff enthaltend)

• Autotrophe CO₂-Fixierung wahrscheinlich

(→ Isotopendiskriminierung leichtes ¹²C bevorzugt)

• Lithotrophie (Energiekonservierung aus anorganischen Reaktionen), nur wenig organische Substanz vorhanden

• ? Gärung verbraucht viel org. Substanz, baut wenig auf

• ? Photosynthese: anoxygene Photosynthese

(1 Photosystem) vor der oxygenen, von Bakterien erfunden, oxygene Photosynthese (Photosystem II bewirkt Wasserspaltung) zuerst bei Cyanobakterien

Biogeochemie

• Prokaryoten haben lange (> 2 Ga) alle Kreisläufe allein getragen, nicht nur als Müllabfuhr

• Die biogeochemischen Kreisläufe von N und S sind auch heute noch nur durch bakterielle Aktivitäten möglich.

• Lithotrophie gibt es nur bei Prokaryoten.

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Mikrobielle Ökologie

• Die meisten chemischen Reaktionen auf der Erde werden durch Mikroorganismen katalysiert.

• Wieviele von welchen Mikroorganismen sind wo?

• Welche Wechselwirkungen gibt es, untereinander, mit anderen Arten und mit unbelebten Faktoren?

• Was leisten die Organismen an ihrem Standort?

Umweltmikrobiologie

• Einsatz von Mikroben zur Lösung von anthropogenen Umweltproblemen

- Boden: Abbau von Problemstoffen (oft Xenobiotika) - Gewässer-Sanierung, Abwasserreinigung

- Luftfilter (Deponien, Ställe)...

• Prinzip

- Ausnutzung der natürlichen Fähigkeiten,

- Förderung in Bezug auf die limitierenden Faktoren

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Forschung in der mikrobiellen Ökologie

Wie kann man zählen, identifizieren, isolieren, Aktivität messen ...?

(weniger routinemäßige Anwendung von

Standardmethoden an verschiedenen Standorten)

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Bakterienzählung durch Epifluoreszenz-Mikroskopie nach Anfärbung mit DAPI

Vergleich von amplifizierten 16 S rRNA-Banden von Reinkulturen und Sediment (0 - 10 mm) aus Schiermonnikoog durch Denaturierende Gradienten-Gel-

Elektrophorese (DGGE) Elze Wieringa

Mit molekularbiologischen Methoden lassen sich lassen sich verschiedene Bakterien einer eng verwandten Gruppe nachweisen.

Populationen sulfatreduzierender Bakterien Watt

im obersten Zentimeter eines Sediments

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Wachstum von Bakterien in einer Eisensulfid-Flocke

Mikrokolonie

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Messung von Aktivitäten

• schwierig, kaum Konzentrationsänderungen (dc/dt ≈ 0 Fließgleichgewicht (Steady state) => Tracer, Isotope (stabil oder radioaktiv), Fluoreszenz-Techniken

• Konzentrationen der wichtigen Stoffe sind sehr klein. => empfindliche Analyse und Turnover bestimmen

• Messung von Gradienten

Gradienten: (dc/dx ≠ 0) erlaubt Rückschlüsse auf Stoff-Flüsse und Aktivitäten

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30

Depth [cm]

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200

Depth [cm]

Bacterial cell numbers and

activities of extracellular enzymes

Bacterial cells [x10⁸/cm³] Emzyme activity [µM/h]

ββ-Glucosidase Protease Phosphatase

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Sauerstoff- gradient an der

Sediment- Wasser- Grenze

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Dogma der biologischen Unfehlbarkeit

Was auf biologischem Wege gebildet wurde, kann auch biologisch (mikrobiell) wieder abgebaut werden.

Prozesse

in einem

Sediment

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Wie gut sind die biogeochemischen Kreisläufe?

CO₂-Umsatz global (in 10⁹ t/a) Photosynthese CO₂-Fix. (<CH₂O>) Land 129

marin 146 Reservoirs (in 10⁹ t CO₂)

Luft 2 600

(=0.034 Vol.%, steigend)

Ozeane 130 000

C_red

Kohle, Öl, Gas 10 000

Sedimente, Methanhydrat 27 500 Lebende Biomasse (50 % Bakterien) 2 000

• Produktion aus >100 Jahren, die noch nicht recyclisiert ist

Aber

• Leben seit 3.5 * 10⁹ Jahren

Entwicklung höherer Org. an Land ≈0.5 * 10⁹ a

> 99 % ist wieder abgebaut

• Der Luftsauerstoff (und noch mehr Oxidationkraft) stammt aus der

verbleibenden Spur der nicht mineralisierten Biomasse

• Fossile Energievorräte ebenso

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Einführung in die Marinen Umweltwissenschaften