Der Schwefelkreislauf - Fachbereich Biologie

Werbung
Der Schwefelkreislauf
Bio-Element Schwefel, Assimilatorische Sulftareduktion,
Dissimilatorische Sulfatreduktion,
Hydrothermal Vents
Günter Fritz
Universität Konstanz, Fachbereich Biologie
Stoffkreisläufe
Kohlenstoffkreislauf
Sauerstoffkreislauf
Stickstoffkreislauf
Schwefelkreislauf
Schwefel, ein essentielles Element
Schwefel in Aminosäuren Methionin und Cystein
Schwefel-Schwefelverbindungen als wichtige Strukturelemente
Koordination von Metallionen
Schwefel im Gewebe (Chondroitinsulfat, Heparansulfat, Keratinsulfat)
Schwefel in Enzymkofaktoren (Biotin, TPP, CoA, Fe-S Zentren)
Schwefel in Aminosäuren Methionin und Cystein
Zwei Aminosäuren, (=Proteingrundbausteine) enthalten Schwefel.
Methionin
Cystein
Im Protein bilden 2 Cysteine Disulfidbrücken
zur Strukturstabilisierung
Schwefel in Enzymkofaktoren (Biotin, TPP, CoA)
Biotin
Thiaminpyrophosphat
Coenzym A
Schwefel zur Koordination
von Metallionen in Proteinen
Zink, Cadmium
Schwefel zur Koordination
von Metallionen in Proteinen
Cu
Fe
Mo
In welchen Formen liegt Schwefel vor ?
Oxidationsstufe
H2S / S2-
S
FeS2
-II
0
Gasförmig, Geruch fauler Eier
Sulfid
Elementarer
Schwefel
Pyrit
Katzengold /
fool’s gold
In welchen Formen liegt Schwefel vor ?
Oxidationsstufe
SO32-
SO42-
+IV
Sulfit
+VI
Sulfat
Gips / CaSO42-
Schwefelkreislauf
Im Schwefelkreislauf werden die einzelnen Formen des Schwefels durch
Reduktion und Oxidation in einander übergeführt.
Essentiell ist für die Organismen die Reduktion der Schwefelverbindungen
zu Sulfid um diesen in Aminosäuren, Kofaktoren, etc einbauen zu können.
Desweiteren dienen verschiedene Schwefelverbindungen einer Reihe von
Mikroben als
Elektronen Donor (Elektronenquelle) oder als
Terminaler Elektronen Akzeptor (Elektronen-”Endlagerstätte”).
Aus diesen Reduktion-Oxidationprozessen gewinnen die Mikroben Energie.
Der Schwefelkreislauf
H2S
Saurer Regen
SO2 /
SO3
H2SO4
SO42-
SO42-
H2S
SO42-
H2S
Sauer Regen durch Schwefeloxide
Wirkungen von Saurem Regen
Waldsterben
Umwandlung von CaCO3 → CaSO4
Saurer Regen
Waldsterben
Ein Maß für den Säuregehalt einer Flüssigkeit ist der pH Wert;
je niedriger der pH-Wert, desto höher ist der Säuregrad.
Ohne Luftverschmutzung:
pH = (Regenwasser) 5,6
„Spitzenwerte“in Deutschland pH = 3.
SO2 + H2O -> H2SO3
SO3 + H2O -> H2SO4
Mechanismen des Waldsterbens
1.
Primäre Schadstoffe: Gas- oder staubförmige Immissionen, Zerstörung von Blattorganen und der Rinde
Zerstörung von Wachsschichten
2.
Wirkung Sauren Regens im Boden
Auswaschung von Nährelementen aus den oberen Bodenschichten durch Versauerung, Freisetzung toxischer
Mineralien.
Absenkung des pH-Werts Freisetzung Al3+-Ionen aus Bodenmineralie => Schädigung von Wurzeln
pH < 3.8 Freisetzung von Fe3+ => Schädigung von Wurzeln
Der Schädigungsgrad hängt vom Bodentyp ab
Störung der Aufnahmemechanismen; Wurzelschäden (im Bereich der Feinwurzeln)
3.
Witterungseinflüsse (Trockenperioden, Niederschlagsdefizit, längere Niederschlagsperioden):
Niederschlagsdefizite führen zu Versauerungsschüben im Boden und damit wieder zu Schäden im
Wurzelbereich
4.
Krankheitssymptome eines Baums als Folge der Schädigungen:
Schäden im Feinwurzelbereich.
Beeinträchtigung der Wechselwirkungen zwischen Baum und Mykorhizzapilzen.
Reduktion der Aufnahmekapazität von Nährstoffen Naßkern (bei der Tanne festgestellt; Fäule des
Kernholzes)
Nährstoffmangel, Absterben von Blättern bzw. Nadeln
Wuchsstörungen
Nachlassende Widerstandsfähigkeit gegen Frost, Infektionen, Schädlinge u.a. Schädigung aller
physiologischen Leistungen
schließlich Tod des Baumes
Assimilatorische Sulfatreduktion
in Pflanzen und Bakterien
Reduktion von Sulfat zur Biosynthese von Aminosäuren und Kofaktoren
SO42- + 8 e- + 8 H+ → S2- + 4 H2O
Die Reduktion erfolgt in mehreren Teilschritten.
Aktivierung von inertem Sulfat zur Reduktion
SO42- + ATP → Aktiviertes Sulfat R-O- SO3- + P-P
(Adenosinphosphosulfat= APS und PAPS)
Reduktion
• R-O- SO3- + 2 e- + → SO32- + AMP
• SO32- + 6 e- + 6 H+ → S2- + 3 H2O
Dissimilatorische Sulfatreduktion
Sulfatreduzierenden Bakterien (SRB):
z.B. Desulfovibrio
Reduktion von Sulfat zur Energiegewinnung
Die Teil-Reaktionen verlaufen wie bei der assimilatorischen
Sulfatreduktion.
Elektronendonor sind molekularer Wasserstoff H2 oder organische
Verbindungen wie Produkte anderer mikrobieller Prozesse (z.B. Lactat).
Einige SRB nutzen sogar Erdöl als Elektronenwelle.
Vorkommen: SRB sind anaerobe Bakterien und leben im sauerstofffreien
Grundbereich von Seen und Meeren. Bsp. Schwarzes Meer. Das
entstehende Sulfid führt zur Ausfällung von Eisen als Eisensulfid (Schwarz).
S2- + Fe(II) → FeS
(unlöslich) ↓
Oxidation von Schwefelverbindungen
durch Bakterien
• Sulfidoxidation
Sulfid ist toxisch für viele
-µM Konzentrationen hemmen die mitochondriale Cytochrom c Oxidase
-Sulfid bindet an Hämoglobin und formt Sulfhämoglobin
Aber einige fühlen sich wohl damit.
•
•
Sulfid als Eletronendonor in der anoxygenen Photosynthese durch Bakterien
Sulfid als Elektronendonor für Schwefel / Sulfidoxidierende Bakterien
Anoxygene Photosynthese
Anders als bei der oxygenen Photosynthese (z.B. durch Grüne Pflanzen wird bei der anoxygenen Photosynthese kein Sauerstoff frei. Denn hier dient nicht H2O sonder H2S als
Elektronenquelle.
Schwefel / Sulfidoxidierende Bakterien
Am Beispiel des Thiobacillus
Thiobacillen können Schwefel/ Sulfid, einige auch Fe2+ oxidieren.
Bei diesen Reaktionen wird die Umgebung bis zu pH 2 angesäuert.
HS- + 2O2 → S042- + H+
(1)
S° + H20 + 1½O2 → S042- + 2 H+
(2)
2Fe2+ + 2H+ + ½O2 → 2Fe3+ + H20
(3)
→
(4)
2Fe3+ + 6H20
2Fe(OH)3 + 6H+
2Fe2+ + 5H20 + ½O2 → 2Fe(OH)3 + 4H+
(5)
Leaching / Erzlaugung mit Thiobacillen
Die Thiobacillus Stoffwechselreaktionen werden industriell beim sog. Metal-leaching
genutzt. Gesteine mit Metallsulfiderzen werden zerkleinert, mit Wasser besprüht und die
herausfliessende Metallionenlösung aufegefangen, und die Metallionen abgetrennt.
Schwefeloxidation in der Tiefsee
Hydrothermal Vents
Ein Lebensraum gespeist von Energie aus dem Erdinneren.
Bis vor ca. 20 Jahren galt:
Einzige Energiequelle für Leben ist Sonnenlicht. Photosynthetische Organismen
nutzen Sonnlicht für Biomasseaufbau, andere Organismen ernähren sich von
ersteren. Schlussfolgerung: Wo kein Licht ist, ist kein Leben möglich.
Entdeckung von komplexen Ökosystemen in der Tiefsee in der
Umgebung heißer Tiefseequellen: Schwefel / Sulfid als primäre
Energiequelle. Schwefeloxidierende Bakterien, welche den
Schwefel mit Sauerstoff oxidieren bilden die Basis einer
Nahrungskette.
Hydrothermalquellen – „Schwarze
Raucher“
Black Smokers: Heißes Wasser tritt aus Erdspalten. Metallionen
fallen als Metallsulfide aus => bilden „schwarzen Rauch“
Metallsulfide
Wassereinstrom
Meeresboden
Magma Gase (H2S)
Schwefeliger Ursprung des Lebens
Hypothese von Günter Wächtershäuser
Energiequelle des ersten Lebens
FeS + H2S → FeS2 (Eisenpyrit)↓ + H2
ΔG°´ = -38 kJ/mol
Rezente FeS Zentren in Proteinen.
Molekulare Erinnerungen an die FeS Welt?
Strömungen und Gase in Schloten
erzeugen feine FeS Poren und Bläschen
Russell (2007) Spektrum Wiss. Jan., 74
Martin & Russell (2007) Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci.362,1887
Hyperthermophile Archaea und Bakterien zweigen im phylogenetischen
Stammbaum nahe an der Wurzel ab.
Pace (1997) Science 276, 734
Hydrothermal Vents als eine
hochspezifische ökologische Nische
Hydrothermal Vents
Riftia pachyptila
Hydrothermal Vents
Hydrothermal Vents Animals
Hydrothermal Vents
Hydrothermal Vents in Space ?
Jupitermond
Europa
Eisbedeckt,
Risse im Eis,
Vulkanismus ?
Hydrothermal
Vents?
Hydrothermal Vents in Space ?
Herunterladen