Mikrobielle Ökologie Mikrobielle Ökologie

Mikrobielle Ökologie
SS 2006
Martin Könneke
www.icbm.de/pmbio
Mikrobielle Ökologie
• Marine Habitate (10.Mai)
• Limnische Habitate (12.Mai)
• Terrestrische Habitate (15. Mai)
• Mikroorganismen in Mensch & Tier (17. Mai)
• Anthropogene Habitate (19. Mai)
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Limnische Habitate
Limnologie: Studium des Süsswassers; beinhalted
physikalische, chemische und biologische Aspekte
Stehende Gewässer
Seen, Teiche, Flach- und Hochmoore
Fliessende Gewässer
Quellen, Bäche und Flüsse
Limnische Habitate
etwa 2% der Erdoberfläche sind von Süsswasser
Habitaten bedeckt
Viel geringere Tiefe als die Ozeane (sehr geringes Volumen)
Nicht miteinander verbunden
Grössere Diversität bezüglich chemischer und
Physikalischer Parameter
Salzgehalt (mitAusnahme einiger Mineralquellen)
In Binnengewässern < 0.05% (Ozeane 3.5%)
Anion: CO32- und HCO32Kationen: Ca2+, Mg2+, Na+
Stickstoff (N), Phosphor (P) und Eisen (Fe) meist
in geringen Konzentrationen
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Einzigartige thermische Eigenschaften von Wasser
- Hohe spezifische Wärme: viel Wärmemenge wird benötigt
um die Wassertemperatur zu verändern.
-Hohe latente Schmelzwärme: viel Energie bei
Phasenumwandlung.
- Höchste bekannte laternte Verdampfungswärme: grösste
Teil der eingestrahlten Sonnenenergie wird durch Verdunstung
des Wassers aufgebraucht
-Dichteanomalie des Wassers: grösste Dichte bei 4˚C
-Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wärme wird im Gewässer
ausschliesslich durch Wasserbewegung transportiert.
Weitere wichtige physikalische Eigenschaft:
Löslichkeit eines Gases in Wasser nimmt mit steigender
Temperatur und abnehmendem Druck sb (Henry-Gesetz).
Im Gewässer nimmt das Licht mit der Tiefe ab!
Lichtattenuation (Lichtabschwächung):
- Reflektion an der Wasseroberfläche (3-30 %)
- Absorption durch Wasser, gelöste organ. Substanzen,
photosynthetische Pigmente (Farbe des Wassers)
- Beugung an Partikeln (Verlängerung der Wellenlänge)
Abnahme der photosynthetisch nutzbaren
Strahlung (400-700 nm)
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Tiefenverteilung von Licht und Wärme in einem See
Lichtstrahlung nimmt mit der Tiefe ab
Strahlung erwärmt obere Schicht
Wärme in der oberen Wasserschicht
wird durch Turbulenzen gleichmässig
Verteilt.
(Lampert und Sommer ‘Limnoökologie’)
Temperaturprofil in einem stratifiziertem See
der gemässigten Breiten im Sommer
(Lampert und Sommer ‘Limnoökologie’)
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Jahreszeitlicher Temperaturverlauf in einem
stratifiziertem See der gemässigten Breiten
Isothermen
Profil an 5 ausgewählten Tagen
(Lampert und Sommer ‘Limnoökologie’)
Das Kohlensäuresystem ist das wichtigste
Puffersystem von Süsswaser Habitaten
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Ökologische Regionen in stehenden Gewässern
Euphotische Zone
(Odum ‘Ökologie’)
Primärproduzenten in stehenden und langsam
fliessenden Gewässern
Schwimmblattpflanzen
Fadenalgen (8+9)
Phytoplankton
(Odum ‘Ökologie’)
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Jahreszeitliche Phytoplanktonentwicklung in
stehenden Gewässern der gemässigten Breiten
(Odum ‘Ökologie’)
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Phototrophe Konsortien
Anoxigener Epibiont (Schwefelpurpurbakterium)
+
beweglicher heterotropher Zentralbakterium
Phototaxis
Symbiose
Alessandro Volta (1745-1827)
Lake Maggiore (Italy) November 3, 1776
Observation of “combustible air”
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The three domains of life
Etherlipids in Archaea
Side chains consist of repeating isoprene units!
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Methanogens
Are a large divers group that is united by three features
- Methane formation as major product of their energy
metabolism
- They are strict anaerobes
- They are member of the domain Archaea
The major substrates are hydrogen, acetate, and formate.
In addition, some C-1 compounds (methanol, methyl amines)
are “non competitive” substrate for some methanogens.
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Hydrolysis
Fermentation
Complex polymers
(polysaccharides, lipids, proteins)
Monomers
(sugars, fatty acids, amino acids)
H2 + CO2
Formate
Short chain fatty acids and alcohols
(lactate, butyrate, propionate,
ethanol)
Secondary fermentativ
bacteria
Acetate
Methanogenesis
CO2 + Methane
Habitats of Methanogens
- Anoxic sediments: marsh, swamp,lake sediments etc.
- Animal digestion tracts: rumen, large intestine of
monagastric animals (such as humans, swine, and dogs)
- Geothermal sources, hydrothermal vents
- Artifical biodegradation facilities: sewage sludge
- Endosymbionts of various anaerobic protozoa
Methanogenic bacteria are abundant in habitats
where electron acceptors such as O2, NO3–, Fe3+
and SO42– are limiting.
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acetate → CH4 + CO2
∆G0’ = -31.0 kJ/ mol acetate
acetate + SO42- → 2 HCO3- + HS∆G0’ = -47.6 kJ/ mol acetate
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Autofluorescence of F420
Micrograph of Methanolobus spec.
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Vereinfachter Kohlenstoff-Kreislauf in einem See
Allochtoner DOC, POC
Ausfluss DOC, POC
CO2
HCO3
Littoral Flora, Phytoplankton
Phototrophe und Chemolithotrophe
Aerobe heterotrophe
Sedimentation
CO2
CH4
Methyotrophe
CH4
Anaerober Abbau
Heterotrophe Gärer
CO2
Methanogene
H2
Org.
Säzuren
Modofiziert nach Wetzel
Besonderheiten von fliessenden Gewässern
- Strömung stellt kontrollierenden und
limitierenden Faktor daR
- Land-Wasser-Austausch ist in Flüssen
sehr ausgeprägt
- Sauerstoffgehalt einheitlicher, kaum
oder wenig Schichtung der Temperatur
oder chemischer Bedingungen
Gliederung hauptsächlich horizontal entlang des Flusslaufs
(stehende Gewässer vertikal)
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The Yellowstone National Park
- Weltweit erster und ältester NP
o
- Fläche etwa 9000 km2
- Liegt in Wyoming, Montana, Idaho
- Bekannt für ‘Thermal Features’
Geysire und Hot Springs
- Vorkommen von Grizzly, Bison, Wolf
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Mikrobiologie im Yellowstone NP
Die Entdeckung von thermophile
Mikroorganismen
Thomas D. Brock
Karl-Otto Stetter
Isolierung von Thermus aquaticus
(T. Brock)
• Entwicklung der Polymerase chain
reaction (PCR) durch Kary Mullis
• Voraussetzung: hitze-stabile
polymerase Taq (von T. aquaticus)
• Nobelpreis 1993
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The three domains of life
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Quelle: Brock Biology of Microorganisms
Upper limit: strain 121 grows at 121 ˚C
Kashefi and Lovley 2003
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Thermophile Eukaryoten
The acido- and thermophilic algae
Cyanidium caldarium
Yellowstone NP, (~50 ˚C, pH 2)
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‘Streamer’ in einem heissen Bach
Knallgas-Bakterien:
Oxidation von Wasserstoff unter mikroaerophilen Bedingungen
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-
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Aerobe Wasserstoffoxidation
“Knallgasbakterien”
2 H2 + O2 → 2 H2O
Fakultativ chemolithotroph
(können auch organischem Substrat
als Energiequelle nutzen)
Microaerophil (5-10% O2)
Thermophile Cyanobakterien
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