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SS 2006Martin 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)
Mikrobielle Ökologie
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Limnische Habitate
Stehende GewässerSeen, Teiche, Flach- und Hochmoore
Fliessende GewässerQuellen, Bäche und Flüsse
Limnologie: Studium des Süsswassers; beinhaltedphysikalische, chemische und biologische Aspekte
etwa 2% der Erdoberfläche sind von SüsswasserHabitaten bedeckt
Viel geringere Tiefe als die Ozeane (sehr geringes Volumen)
Nicht miteinander verbunden
Grössere Diversität bezüglich chemischer undPhysikalischer Parameter
Salzgehalt (mitAusnahme einiger Mineralquellen)In Binnengewässern < 0.05% (Ozeane 3.5%)Anion: CO3
2- und HCO32-
Kationen: Ca2+, Mg2+, Na+
Stickstoff (N), Phosphor (P) und Eisen (Fe) meist in geringen Konzentrationen
Limnische Habitate
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Einzigartige thermische Eigenschaften von Wasser
- Hohe spezifische Wärme: viel Wärmemenge wird benötigtum die Wassertemperatur zu verändern.-Hohe latente Schmelzwärme: viel Energie beiPhasenumwandlung.- Höchste bekannte laternte Verdampfungswärme: grössteTeil der eingestrahlten Sonnenenergie wird durch Verdunstungdes Wassers aufgebraucht-Dichteanomalie des Wassers: grösste Dichte bei 4˚C-Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wärme wird im Gewässerausschliesslich durch Wasserbewegung transportiert.
Weitere wichtige physikalische Eigenschaft:Löslichkeit eines Gases in Wasser nimmt mit steigenderTemperatur 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 nutzbarenStrahlung (400-700 nm)
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(Lampert und Sommer ‘Limnoökologie’)
Tiefenverteilung von Licht und Wärme in einem See
Lichtstrahlung nimmt mit der Tiefe ab
Strahlung erwärmt obere Schicht
Wärme in der oberen Wasserschichtwird durch Turbulenzen gleichmässigVerteilt.
Temperaturprofil in einem stratifiziertem Seeder gemässigten Breiten im Sommer
(Lampert und Sommer ‘Limnoökologie’)
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Jahreszeitlicher Temperaturverlauf in einemstratifiziertem See der gemässigten Breiten
(Lampert und Sommer ‘Limnoökologie’)
Isothermen
Profil an 5 ausgewählten Tagen
Das Kohlensäuresystem ist das wichtigstePuffersystem von Süsswaser Habitaten
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(Odum ‘Ökologie’)
Ökologische Regionen in stehenden Gewässern
Euphotische Zone
(Odum ‘Ökologie’)
Primärproduzenten in stehenden und langsamfliessenden Gewässern
Schwimmblattpflanzen
Fadenalgen (8+9)
Phytoplankton
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(Odum ‘Ökologie’)
Jahreszeitliche Phytoplanktonentwicklung instehenden Gewässern der gemässigten Breiten
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Phototrophe KonsortienAnoxigener Epibiont (Schwefelpurpurbakterium)
+beweglicher heterotropher Zentralbakterium
Phototaxis
Symbiose
Lake Maggiore (Italy) November 3, 1776Observation of “combustible air”
Alessandro Volta (1745-1827)
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The three domains of life
Etherlipids in Archaea
Side chains consist of repeating isoprene units!
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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.
Methanogens
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Complex polymers(polysaccharides, lipids, proteins)
Monomers(sugars, fatty acids, amino acids)
Short chain fatty acids and alcohols(lactate, butyrate, propionate,
ethanol)
H2 + CO2
Formate
Acetate
Hydrolysis
Fermentation
CO2 + MethaneMethanogenesis
Secondary fermentativbacteria
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 habitatswhere electron acceptors such as O2, NO3
–, Fe3+
and SO42– are limiting.
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acetate + SO42- → 2 HCO3
- + HS-
∆G0’ = -47.6 kJ/ mol acetate
acetate → CH4 + CO2
∆G0’ = -31.0 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
Modofiziert nach Wetzel
CO2 HCO3
Littoral Flora, PhytoplanktonPhototrophe und Chemolithotrophe
CO2 CH4
Aerobe heterotrophe
Methyotrophe
Anaerober AbbauHeterotrophe Gärer
CO2
Org.Säzuren
CH4
H2
Methanogene
Sedimentation
- Strömung stellt kontrollierenden undlimitierenden Faktor daR
- Land-Wasser-Austausch ist in Flüssensehr ausgeprägt
- Sauerstoffgehalt einheitlicher, kaumoder wenig Schichtung der Temperaturoder chemischer Bedingungen
Besonderheiten von fliessenden Gewässern
Gliederung hauptsächlich horizontal entlang des Flusslaufs (stehende Gewässer vertikal)
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The Yellowstone National Park- Weltweit erster und ältester NP
- Fläche etwa 9000 km2
- Liegt in Wyoming, Montana, Idaho
- Bekannt für ‘Thermal Features’
Geysire und Hot Springs
- Vorkommen von Grizzly, Bison, Wolf
o
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Mikrobiologie im Yellowstone NPDie Entdeckung von thermophile
Mikroorganismen
Thomas D. Brock
Karl-Otto Stetter
Isolierung von Thermus aquaticus(T. Brock)
• Entwicklung der Polymerase chainreaction (PCR) durch Kary Mullis
• Voraussetzung: hitze-stabilepolymerase 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 algaeCyanidium 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-DonorA) Energiequelle B) Reduktionskraft für CO2-Fixierung
Schlüsselenzym:Hydrogenase
Katalysiert die reversible Umwandlungvon Wasserstoff zu Protonen und ElektronenH2 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