Mikrobielle Ökologie Mikrobielle Ökologie

Mikrobielle Ökologie
Terrestrische Mikrobiologie
Interaktion mit Pflanzen
Rhizosphäre & Phyllosphäre
Abbau von organischem Material in Böden
Saprophytische Mikrooganismen
SS 2006
Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen
Sporenbildner im Böden
Martin Könneke
www.icbm.de/pmbio
Terrestrische Habitate
Mikrobielle Ökologie
etwa 30% der Erdoberfläche sind von terrestrischen
Habitaten bedeckt
• Marine Habitate (10.Mai)
Klima entscheidender Umweltfaktor
• Limnische Habitate (12.Mai)
Land ist kein Kontinium; es gibt viele geographische
Barrieren (Trennung der Kontinente)
• Terrestrische Habitate (15. Mai)
Wasserversorgung limitierender Faktor
• Mikroorganismen in Mensch & Tier (17. Mai)
Temperaturschwankungen und Temperaturextreme
an Luft ausgeprägter
• Anthropogene Habitate (19. Mai)
Schnelle Luftzirkulation; konstante Zufuhr on Sauerstoff
Böden ist die wichtigste globale Quelle vieler Nährstoffe
Stickstoff (N), Phosphor (P) und Eisen (Fe)
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Vergleich eines terrestrisches (Wiese) und eines
aquatischen (See oder Meer) Habitats
Zonierung von Böden
(Odum ‘Ökologie’)
Lebende und tote Komponenten eines
Wiesenbodens (in % Trockenmasse)
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Endosporen als Überdauerungsform
Differenzierte Zellen, die innerhalb der Zelle gebildet werden
Resistent gegen Hitze, Trockenheit, Strahlung, Chemikalien
Ideale Strukturen für Verbreitung durch Wind, Wasser, Tierkot
Endosporenbildner: Bacillus (aerob) und Clostridien (anaerob)
Extrem Langlebig (bis 250 Millionen Jahre?)
Endosporen
(Bacillus megaterium)
Besitz viele Schten, die nicht in
vegetativen Zellen vorkommen
Charakteristische Substanz:
Dipicolinsäure
Ca-Dipicolinsäue-Komplex
reduziert Wasseranteil im Inneren
der Endospore + stabilisierende
Wirkung
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Mikrobielle Interaktion mit Pflanzen
Klassifizierung von Pilze
• Flechten: Symbiose zwischen Algen und Pilzen
• Ascomyceten (Neurospora, Saccharomyces)
Erdboden, zerfallendes Pflanzenmaterial
• Mycorrhizae (‘Wurzel-Pilz‘): Symbiose zwischen
Pflanzen und Pilzen Flechten: Symbiose zwischen
Algen und Pilzen
• Basidiomyceten (zB. Knollenblätterpilz, Champignon)
Erdboden, zerfallendes Pflanzenmaterial
• Zygomyceten (Rhizopus = gemeiner Brotschimmel)
Erdboden, zerfallendes Pflanzenmaterial
• Wurzelknöllchen: Symbiose zwischen Pflanzen und
Stickstoff-fixierenden Bakterien
• Oomyceten (Allomyces)
Aquatisch
• Deuteromyceten (zB. Penicillium, Aspergillus, Candida)
Erdboden, Pflanzenmaterial, Oberfläche von Tierkörpern)
Filamentöse Pilze (Schimmelpilze)
Pilze - Wichtige Mikroorganismen in Böden
• Eukaryoten: zB. besitzen Zellkern und Zellwand
• Chitin ist Hauptkomponente der Zellwand
• Chemoorganotroph, generell geringe
Nahrungsansprüche
• Meist parasitisch oder saprophytisch
• Tolerieren extreme Temperaturen, geringe pH
Werte, geringe Wasseraktivität
• Ubiquitäre Verbreitung durch Sporen
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Ständerpilze (Ausbildung von Fruchtkörpern)
Schleimpilze (Plasmodien ohne Zellwand)
Flechten (Symbiose Pilz-Alge)
Einzellige Pilze (Hefen, Vermehrung durch
Knospung)
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Wurzelknöllchen: Symbiose zwischen Pflanzen
und N2-fixierenden Bakterien
• Symbiose zwischen Leguminosen und speziellen gramnegativen Bakterien
• Betrifft wichtige Kulturpflanzen wie Sojabohnen,
Bohnen und Erbsen
• Fixierung von N2 in speziellen Wurzelknöllchen
• Selektionsvorteil durch Wachstum auf armen Böden,
auf denen andere Pflanzen nicht wachsen
• Pflanzen und Bakterien synthetisieren gemeinsam O2
bindendes Leghämoglobin (gibt rote Färbung)
Mycorrhizae
• Symbiose aus Pflanzenwurzeln und Pilzen
• Vermutlich fast alle terrestrischen Pflanzen
mycorrhizal
• Ectomycorrhizae - Endomycorrhizae
• Pilze profitieren von organischen Verbindungen aus
der Pflanze
• Pflanzen profitieren von vergrösserten Oberfläche
und durch Abwehr anderer Pflanzen
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Wurzelknöllchen an einer Sojapflanze
Einfluss von Wurzelknöllchen auf den Zellertrag
von Pflanzen
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Symbiose zwischen Pflanzen und N2fixierenden Bakterien
Struktur des Eisenmolybdo Co-Faktor von
Nitrogenasen
Symbiose mit Leguminosen
Pflanze
Bakterium
Sojabohnen, Bohnen
Rhizobium, Bradyrhizobium
Erbse
Rhizobium
Klee
Rhizobium
Andere Symbiosen
Erle (Alnus)
Frankia
Rohrzucker
Acetobacter
Fixierung von elementarem Stickstoff (N2)
Elektronenfluss
Nur Prokaryoten sind in der Lage N2 zu fixieren
Stickstoff-Fixierer können freilebend oder in Symbiose vorkommen
Stellt die Reduktion von N2 zu Ammonium für den Anabolismus dar
Energieaufwendiger Prozess (Spaltung der Triple Bindung)
Katalysiert durch den Enzymkomplex Nitrogenase
Sauerstoff inaktiviert irreversibel die Funktion der Dinitrogenase-Reduktase
Verschiedene Schutzmechanismen schützen den Prozess vor O2-Inaktivierung:
a) Schnelle Entfernung von O2 durch hohe Atmungsaktivität
b) Schleimbildung (zB. Azotobacter)
c) Ausbildung spezialisierter Zellen/ Kompartimente (zB. Cyanobakterien)
Ökologischer Vorteil: Wachstum an Standorten ohne Ammonium oder Nitrat
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Denitrifikation - Reduktion von Nitrat zu
Stickstoff
Anaerobe Atmung mit anorganischem Nitrat als
Elektronenakzeptor
Reduktion zu gasförmigen Verbindungen Lachgas (N2O),
Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoff (N2)
Führt zu Verlust von Stickstoff in der Umwelt
(Landwirtschaft - Abwasserreinigung)
Initialer Schritt wird katalysert durch Nitratreduktase
Viele fakultativ aerobe Prokaryoten können Denitrifizieren
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Geschätzte Zahl Mikroorganismen in verschiedenen
Habitaten
Denitrifikation in
Pseudomonas stutzeri
- Verdauungssysteme
0,05 · 1029
- Ozeane, ca. 106 ml-1
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- Böden
- Limnische Systeme
- Sedimente
- Subsurface
2,6 · 1029
0,002 ·1029
0,2 · 1029
40-60 ·1029
Beispiele aus:
Whitman et al., Proc Natl Acad Sci USA 95:6578-6583, 1998
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