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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