Lithotrophe Organismen

Lithotrophe Organismen
Vorlesung “Allgemeine Mikrobiologie”
Ausgewählte Prokaryoten
Martin Könneke
Energieform
Elektronendonor
Kohlenstoffquelle
Chemo-
Organo-
heterotroph
Photo-
Litho-
autotroph
Konzept der Lithotrophie (1886)
Ihre Lebensprozesse spielen sich nach einem viel einfacheren Schema ab;
durch einen rein anorganischen chemischen Prozess...werden alle ihre
Lebensbewegungen im Gange erhalten
Umsetzung von anorganischen
Substanzen zur
Energiegewinnung:
- Nitrifikation (Oxidation von
Ammonium zu Nitrat)
- Schwefeloxidation
- Eisenoxidation
- Autotrophe Bakterien
- Stickstofffixierung in Bakterien
Lithotrophe Prozesse sind essentiel für die
Reoxidation von reduzierten Elektronenakzeptoren!
Wasserstoffoxidation:
Wasserstoff als Elektronen-Donor
A) Energiequelle
B) Reduktionskraft für CO2-Fixierung
Schlüsselenzym:
Hydrogenase
Katalysiert die reversible Umwandlung
von Wasserstoff zu Protonen und Elektronen
H2
2H+ + 2e-
Aerobe Wasserstoffoxidation
“Knallgasbakterien”
2 H2 + O 2 ! 2 H 2 O
Fakultativ chemolithotroph
(können auch organischem Substrat
als Energiequelle nutzen)
Microaerophil (5-10% O2)
Lebensräume von Knallgasbakterien
Wasserstoffquelle kann biotischen oder
abiotischen Ursprungs sein.
Lebensräume:
Grenzschichten zwischen sauerstoffhaltigen (oxisch)
anoxischen Bereichen
- Rhizosphäre: Ralstonia eutropha
- Marine Sedimente: Hydrogenovibrio marinus
-menschlicher Verdauungstrakt
Helicobacter pylori
-Heisse Hydrothermalquellen
Aquifex pyrophilus (Bacteria, 85˚C)
Pyrolobus spec. (Archaea, 106˚C)
Helicobacter pylori
Infektion kann zu Magengeschwüren und
chronische Gastritis führen.
Isoliert von Robin Warren und Barry Marschall
(Nobel Preis für Medizin 2005)
Anaerobe Wasserstoffoxidation
5 H2 + 2 NO3- + 2 H+
! N2 + 6 H2O
H2 + 2 Fe3+
! 2 H+ + 2 Fe2+
4 H2 + SO42- + H+
! HS- + 4 H2O
4 H2 + 2 CO2
! Acetat + 2 H2O + H+
4 H2 + CO2
! CH4 + H2O
Nitrifikation
Oxidation von Ammonium zu Nitrat
Beteiligung von 2 unterschiedlichen
Mikroorganismengruppen
1. Ammonium-Oxidierer (Nitroso-)
z.B. Nitrosomonas europaea
2 NH3 + 3 O2
! 2 NO2- + 2 H2O + 2 H+
2. Nitrit-Oxidierer (Nitro-)
z.B. Nitrobacter winogradskyi
2 NO2- + O2
! 2 NO3-
Lebensraum von nitrifizierenden Mikroorganismen
- Offenes Meeer und oxische, marine Sedimente
- Süsswasserhabitate
- Klärwerke
- Aquarien
- Wald- und Ackerböden
- Oberfläche von Felsen und Steingebäuden/Denkmäler
Ammonium-Oxidierer
z.B. Nitrosomonas europaea
Aktivierung des Ammoniums
“Freier Sauerstoff als Reaktant”
1. Ammonium-Mono-Oxigenase (AMO)
NH3 + O2 + 2 H+ + 2e-
! NH2OH + H2O
2. Hydroxylamin-Oxidoreductase (HAO)
NH2OH + H2O
! NO2- + 5H+ + 4 e-
Nitrit-Oxidierer
z.B. Nitrobacter winogradskyi
Nitrit-Oxigenasereductase (NOR)
NO2- + O2
! NO2- + 2 H+ + 2e-
Alle bisher bekannten Nitrifizierer sind
obligat chemolithoautotroph!
Abnahme der Schwefelkörner in Beggiatoa
(Zeichnungen von Winogradsky)
Grössenvergleich
Thiomargarita namibiensis - Drosophila
Aerobe Eisenoxidation
4 Fe2+ + O2 + 6 H2O ! 4 FeOOH + 8 H+
z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans
(früher Thiobacillus ferrooxidans)
Oxidiert sowohl
Eisen als auch Schwefel!
Die meisten bisher bekannten
lithotrophen Mikroorganismen sind
autotroph!
Anpassung an nährstoffarme,
lichtlose Ökosysteme.
Anpassung an nährstoffarme Ökosysteme,
die für Phototrophe zu extrem sind.