Lithotrophe Organismen
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<strong>Lithotrophe</strong> <strong>Organismen</strong><br />
Vorlesung “Allgemeine Mikrobiologie”<br />
Ausgewählte Prokaryoten<br />
Martin Könneke
Energieform<br />
Elektronendonor<br />
Kohlenstoffquelle<br />
Organo-<br />
Chemo-<br />
heterotroph<br />
Photo-<br />
Litho-<br />
autotroph
Konzept der Lithotrophie (1886)<br />
Ihre Lebensprozesse spielen sich nach einem viel einfacheren Schema ab;<br />
durch einen rein anorganischen chemischen Prozess...werden alle ihre<br />
Lebensbewegungen im Gange erhalten<br />
Umsetzung von anorganischen<br />
Substanzen zur<br />
Energiegewinnung:<br />
- Nitrifikation (Oxidation von<br />
Ammonium zu Nitrat)<br />
- Schwefeloxidation<br />
- Eisenoxidation<br />
- Autotrophe Bakterien<br />
- Stickstofffixierung in Bakterien
<strong>Lithotrophe</strong> Prozesse sind essentiel für die<br />
Reoxidation von reduzierten Elektronenakzeptoren!
Wasserstoffoxidation:<br />
Wasserstoff als Elektronen-Donor<br />
A) Energiequelle<br />
B) Reduktionskraft für CO 2 -Fixierung<br />
Schlüsselenzym:<br />
Hydrogenase<br />
Katalysiert die reversible Umwandlung<br />
von Wasserstoff zu Protonen und Elektronen<br />
H 2 2H + + 2e -<br />
Aerobe Wasserstoffoxidation<br />
“Knallgasbakterien”<br />
2 H 2 + O 2 ! 2 H 2 O<br />
Fakultativ chemolithotroph<br />
(können auch organischem Substrat<br />
als Energiequelle nutzen)<br />
Microaerophil (5-10% O 2 )
Lebensräume von Knallgasbakterien<br />
Wasserstoffquelle kann biotischen oder<br />
abiotischen Ursprungs sein.<br />
Lebensräume:<br />
Grenzschichten zwischen sauerstoffhaltigen (oxisch)<br />
anoxischen Bereichen<br />
- Rhizosphäre: Ralstonia eutropha<br />
- Marine Sedimente: Hydrogenovibrio marinus<br />
-menschlicher Verdauungstrakt<br />
Helicobacter pylori<br />
-Heisse Hydrothermalquellen<br />
Aquifex pyrophilus (Bacteria, 85˚C)<br />
Pyrolobus spec. (Archaea, 106˚C)<br />
Helicobacter pylori<br />
Infektion kann zu Magengeschwüren und<br />
chronische Gastritis führen.<br />
Isoliert von Robin Warren und Barry Marschall<br />
(Nobel Preis für Medizin 2005)
Anaerobe Wasserstoffoxidation<br />
5 H 2 + 2 NO<br />
-<br />
3 + 2 H + ! N 2 + 6 H 2 O<br />
H 2 + 2 Fe 3+ ! 2 H + + 2 Fe 2+<br />
4 H 2 + SO<br />
2-<br />
4 + H + ! HS - + 4 H 2 O<br />
4 H 2 + 2 CO 2 ! Acetat + 2 H 2 O + H +<br />
4 H 2 + CO 2 ! CH 4 + H 2 O
Nitrifikation<br />
Oxidation von Ammonium zu Nitrat<br />
Beteiligung von 2 unterschiedlichen<br />
Mikroorganismengruppen<br />
1. Ammonium-Oxidierer (Nitroso-)<br />
z.B. Nitrosomonas europaea<br />
2 NH 3 + 3 O 2 ! 2 NO 2<br />
-<br />
+ 2 H 2 O + 2 H +<br />
2. Nitrit-Oxidierer (Nitro-)<br />
z.B. Nitrobacter winogradskyi<br />
2 NO 2<br />
-<br />
+ O 2 ! 2 NO 3<br />
-
Lebensraum von nitrifizierenden Mikroorganismen<br />
- Offenes Meeer und oxische, marine Sedimente<br />
- Süsswasserhabitate<br />
- Klärwerke<br />
- Aquarien<br />
- Wald- und Ackerböden<br />
- Oberfläche von Felsen und Steingebäuden/Denkmäler
Ammonium-Oxidierer<br />
z.B. Nitrosomonas europaea<br />
Aktivierung des Ammoniums<br />
“Freier Sauerstoff als Reaktant”<br />
1. Ammonium-Mono-Oxigenase (AMO)<br />
NH 3 + O 2 + 2 H + + 2e - ! NH 2 OH + H 2 O<br />
2. Hydroxylamin-Oxidoreductase (HAO)<br />
NH 2 OH + H 2 O ! NO<br />
-<br />
2 + 5H + + 4 e -
Nitrit-Oxidierer<br />
z.B. Nitrobacter winogradskyi<br />
Nitrit-Oxigenasereductase (NOR)<br />
NO 2<br />
-<br />
+ O 2 ! NO 2<br />
-<br />
+ 2 H + + 2e -
Alle bisher bekannten Nitrifizierer sind<br />
obligat chemolithoautotroph!
Abnahme der Schwefelkörner in Beggiatoa<br />
(Zeichnungen von Winogradsky)
Grössenvergleich<br />
Thiomargarita namibiensis - Drosophila<br />
Aerobe Eisenoxidation<br />
4 Fe 2+ + O 2 + 6 H 2 O ! 4 FeOOH + 8 H +<br />
z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans<br />
(früher Thiobacillus ferrooxidans)<br />
Oxidiert sowohl<br />
Eisen als auch Schwefel!
Die meisten bisher bekannten<br />
lithotrophen Mikroorganismen sind<br />
autotroph!<br />
Anpassung an nährstoffarme,<br />
lichtlose Ökosysteme.<br />
Anpassung an nährstoffarme Ökosysteme,<br />
die für Phototrophe zu extrem sind.