Post on 10-Sep-2019
DIE ROLLE VON MIKROORGANISMEN IM STOFFKREISLAUF UND IN DER NATUR
Nikolai LöhrJohannes Gutenberg-Universität MainzInstitut für Mikrobiologie und WeinforschungJohann-Joachim-Becherweg 1555128 Mainz
-Wie tragen Mikroorganismen zur Bodenqualität bei? -
Inhaltsübersicht1. Charakterisierung des Bodens2. Charakterisierung der Mikroorganismen3. Leistungen der Mikroorganismen
3.1 Abbau von Cellulose
3.2 Abbau von Hemicellulose3.3 Abbau von Lignin (=Humusbildung)
4. Quellen5. Fragerunde & Diskussion
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1. Charakterisierung des Bodens
Abnahme der mikrobiellen Aktivität!
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O-Schicht. Aus was besteht das abzubauende Pflanzenmaterial?
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Wachstum an der Oberfläche von Partikeln (Sorption) einerseits…
…andererseits Wachstum in Rhizosphäre.
Hotspots des bakteriellen Wachstums
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Heterogener Lebensraum!
Heterogenität des Lebensraums = Artenvielfalt?
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Biozönotische Grundprinzipien, von A.F. Thienemann:
„Vielseitige Lebensbedingungen in einem Biotop ermöglichen eine hohe Artendichte.“
Qualität:10.000 Genome in Bodenprobe
Quantität:In den obersten 30cm des Bodens findet pro Quadratmeter:
- 1 Billionen Bakterien- 11 Milliarden Pilze- 1 Millionen Algen
2. Charakterisierung der Mikroorganismen
Als autochthon bezeichnet man die Arten, die an vorherrschende Bedingungen des Ökosystems angepasst sind, heimisch und dort immer vorhanden sind.
Allochthone Arten sind in dem Biotop fremd, somit nicht angepasst und auf externe Versorgung angewiesen.
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Autochthon
Allochthon
Substratkonzentration
Wac
hstu
msr
ate
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Lebensstrategien?
3. Leistungen der Mikroorganismen3.1 Abbau von Cellulose
• β-1,4-gylkosidische Verknüpfung von Glucosemolekülen
• Zellwandmaterial der Pflanzen
• Häufigstes Kohlenhydrat der Welt
•Hydrolytische Spaltung über die Enzymfamilie der Cellulasen (aerob und anaerob)
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180°
Actinobacteria Firmicutes
Gattung: Cellulomonas
Gattung: Streptomyces
Gattung: Arthrobacter
Gattung: Bacillus
Gattung: Clostridiumanaerob
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Phylogenetischer Schnappschuss
Exkurs: Streptomyces, eine prominente Gattung
• Antibiotikaproduzent (z.B. Streptomycin)
• Sporenbildner
•Mitunter größtes bakterielles Genom
•Verursacher des typischen „Waldbodengeruchs“; Geosmin
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3. Leistungen der Mikroorganismen3.2 Abbau von Hemicellulose
Polysaccharid der sekundären Pflanzenzellwand aus verschiedenen Monosacchariden:
- Hexosen (Glucose, Mannose, Galactose,…)- Pentosen (Xylose, Arabinose…)
• Abbau auch hydrolytisch
• Abbauende Organismen sind zahlreicher
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3. Leistungen der Mikroorganismen3.3 Abbau von Lignin
Lat. „lignum“ für Holz
Sehr persistenter Naturstoff
Aufbau aus Phenylpropaneinheiten (= Ligninalkohole)
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Radikalbildung erfolgt enzymatisch, aber nicht deren Weiterreaktion.
Radikalische Polymerisation der Ligninsynthese
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Lignin-Polymer
• Undefinierte Struktur
• Nicht wasserlöslich
•Abbau benötigt molekularen Sauerstoff!
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Ligninabbau, (fast) eine reine Sache der Pilze
Weißfäulepilze: Ligninabbau,Hemicelluloseabbau, Cellulose bleibt zurück
Braunfäulepilze:Celluloseabbau,Hemicelluloseabbau, Lignin bleibt zurück
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Lignin nicht einzige C-Quelle: Cometabolismus
Braunfäule
Weißfäule
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Glyoxaloxidase
Mangan-Peroxidase
Lignin-Peroxidase
Laccasen
Mn3+
mittelbar
unmittelbar
Mn 3+ Lignin-Peroxidase
Laccase
PhenolischeSubstanzen
Nicht-phenloischeLigninstrukturen
NiedermolekulareBurchstücke
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chelatisiert
Humus = die gesamte organische Bodensubstanz, abzüglich der lebenden Biomasse Nicht einheitlich, aber Polyphenole des Ligninabbaus dominieren
Funktionelle Gruppe: überwiegend saure Carboxylgruppen
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Die Entstehung der Carboxylgruppe…
MONOOXYGENASE
DIOXYGENASE
O2
Spaltung des aromatischen Ringes: Dioxygenasen!
3.3 Zusammenfassung: bisheriges Wissen
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Lignin Humus: Daher reich an Aromaten
Dioxygenasen sorgen für Ringöffnung an Aromaten
Über Pilze
Günstige Wirkungen der Huminstoffe im Boden
Kationenaustauscher
Immobilisieren von toxischen Substanzen (Al3+ / Pb2+ / Cd2+ gelangen nicht ins Grundwasser)
Pufferwirkung
C/N-Verhältnis von 10/1
Wasserhaltevermögen
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4. QuellenLiteraturverzeichnis:Brock, Mikrobiologie, 13. Auflage; Pearson-S/997 Abbildung 23.13-S/994 Abbildung 23.11-S/878, Abbildung 20.31
Haider, Biochemie des Bodens,-S/20 Tabelle 2.1
Fuchs, Allgemeine Mikrobiologie; Thieme-S/364 Abbildung 11.9-S/623 Abbildung 18.22
Fritsche, Mikrobiologie, 2. überarbeitete Auflage; Spektrum-S/300 Abbildung 14.11
Bildquellen aus Internet:http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/zimmer-jens-2003-12-05/HTML/chapter5.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Wei%C3%9Ff%C3%A4ule#/media/File:Hvidmuld.JPG
https://www.native-plants.de/blog/jetzt-bodenprobe-nehmen/
http://www.holzfragen.de/seiten/Xestobium_rufovillosum.html
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ee/Lignin_structure.svg/350px-Lignin_structure.svg.png23
5. Fragerunde / Diskussion
Wie lässt sich die Vielfalt an Mikroorganismen im Ökosystem Boden erklären?
Wieso ist ein gut durchlüfteter Boden so wichtig?
Erläutere die Chancen der Bodensanierung durch Pilze!
Was unterscheidet die Abbaubedingungen des Ligninabbaus von den Abbaubedingungen des Celluloseabbaus?
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