Transcript Vorlesung spezielle Physiologie der Mikroorganismen

Vorlesung Grundlagen der
Umweltmikrobiologie
Rainer U. Meckenstock
Lehrstuhl für Grundwasserökologie (WZW)
und
Helmholtz-Zentrum München
Institut für Grundwasserökologie
Tel: 089 3187 2561
[email protected]
Was müssen wir über die
Mikroorganismen in der Umwelt
überhaupt wissen?
Sie wollen im Landesamt für
Umweltschutz einen Mikrobiologen zur
Bewertung von Grundwasser (sauber und
kontaminiert) einstellen.
Frage:
Welches Wissen muss der ideale
Kandidat mitbringen um das leisten zu
können?
Organismus des Tages
Desulfovibrio desulfuricans
•
•
•
•
•
•
Abteilung: Proteobacteria
Klasse: Deltaproteobacteria
Ordnung: Desulfovibrionales
Familie: Desulfovibrionaceae
Gattung: Desulfovibrio
Art: Desulfovibrio desulfuricans
The uncultured majority
13
9
1205
4
n = published species
1367
8
220
•
Black: 12 original Phyla
(Woese 1987)
many pure cultures
•
White: 14 new phyla since 1987
some isolates
•
Gray: 26 candidate phyla
no isolates
1808
91
 What are they all doing ?
24
11
25
Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003)
Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)
Frage: Wie funktioniert eigentlich
Atmung oder Gärung?
Wie gewinne ich prinzipiell Energie?
Welches sind die energetisch wichtigen
Reaktionen, die einem Mikroorganismus
erlauben einen Protonengradienten
aufzubauen?
Generelles Prinzip der
Energiegewinnung
Substrat ox
Substrat red
H
Produkt ox
Oxidierender Ast
Produkt red
Reduzierender Ast
Beispiel Glukose und
Sauerstoff
O2
Glc
ADP + Pi
ADP + Pi
H
ATP
ATP
CO2
H2O
Beispiel Glukosevergärung
CH3COOH
Glc
ADP + Pi
H
ATP
CH3COOH + CO2
H2 + Butyrat
Beispiel Eisensulfid und Sauerstoff
O2
FeS
ADP + Pi
H
ATP
SO42- + Fe(OH)3
H2O
Stöchiometrie aerob?
Erstellen sie bitte kurz die Redoxgleichung für die Oxidation von
Glucose mit Sauerstoff.
C6H12O6 +
O2
↔
CO2 +
Stöchiometrie aerob?
Erstellen sie bitte kurz die Redoxgleichung für die Oxidation von
Glucose mit Sauerstoff.
C6H12O6 + 6 O2 ↔ 6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 H2O ↔ 6 CO2 + 24 e- + 24 H+
O2 + 4 e- + 4 H+ ↔ 2 H2O
oxidativ
/x6
reduktiv
6 O2 + 24 e- + 24 H+ ↔ 12 H2O
C6H12O6 + 6 O2 ↔ 6 CO2 + 6 H2O
oxidativ plus reduktiv
Sehr vereinfacht wird die Erstellung der Gleichungen durch die
Aufteilung in die oxidative und in die reduktive Partialgleichung
Stöchiometrie anaerobe
Sulfatreduktion?
Erstellen sie bitte kurz die Redoxgleichung für die Oxidation von
Glucose mit Sulfat.
C6H12O6 + SO42-↔ X + Y
Stöchiometrie anaerobe
Sulfatreduktion?
Erstellen sie bitte kurz die Redoxgleichung für die Oxidation von
Glucose mit Sulfat.
C6H12O6 + SO42-↔ X + Y
1)
C6H12O6 + 6 H2O ↔ 6 CO2 + 24 e- + 24 H+
2)
SO42- + 8 e- + 10 H+ ↔ H2S + 4 H2O
3)
3 SO42- + 24 e- + 30 H+ ↔ 3 H2S + 12 H2O
/x3
4) C6H12O6 + 3 SO42- + 6 H+ ↔ 6 CO2 + 3 H2S + 6 H2O
5)
6 CO2 + 6 H2O ↔ 6 HCO3- + 6 H+
6)
3 H2S + 3 H2O ↔ 3 HS- + 3 H+
7)
C6H12O6 + 3 SO42- ↔ 6 HCO3- + 3 HS- + 3 H+
Wofür ist das gut? Beispiel einer Elektronenbilanz
für einen neuen Stoffwechselweg
Wir haben eine neue Anreicherungskultur isoliert, die Benzol
anaerob mit Sulfat als Elektronenakzeptor abbauen kann.
- Wird das Benzol vollständig zu CO2 oxidiert? Benzol ca. 500
µM, Sulfat ca. 1,5 mM
3.0
500
400
2.0
300
200
1.0
100
0
Benzene
Sulfate
0
10
20
Time [d]
0.0
30
Sulfate [mM]
Benzene [µM]
600
Wofür ist das gut? Beispiel einer
Elektronenbilanz für einen
Grundwasserschaden
- Ist genügend Elektronenakzeptor im Grundwasser um einen
Stoff abzubauen?
O Berechnen sie die Konzentration von Benzol, die man
maximal mit einer durchschnittlichen Sulfatkonzentration im
Grundwasser von 150 µM SO42- abbauen kann.
Hausaufgabe
• Erstellen sie eine Prüfungsfrage über die
letzte Stunde
– Anspruchsvoll aber nicht zu schwer
– Was war ihnen am wichtigsten