Anoxygen phototrophe Bakterien nutzen organische Verbindungen, anorganische oder organische Schwefelverbindungen, molekularen Wasserstoff oder Eisen(II) als Elektronendonatoren für die photosynthetische CO2-Fixierung.

Die frühen gebänderten Eisenerze (3,8 Milliarden Jahre alt) sind daher nicht unbedingt beweisend dafür, dass zu dieser Zeit die oxygene Photosynthese bereits funktionierte, sondern könnten auch durch anoxygene Photosynthese entstanden sein (Oxidation von Fe(II) zu Fe(III))

Deposition of banded iron formations by anoxygenic phototrophic Fe(II)-oxidizing bacteriaAndreas Kappler, Claudia Pasquero, Kurt O. Konhauser and Dianne K. Newman, GEOLOGY, 2005

Der biogeochemische Kreislauf des Stickstoffs

Das Wachstum aller Organismen hängt von der Verfügbarkeit mineralischer Nährstoffe ab.

ca. 2% der Masse des menschlichen Körpers ist Stickstoff.

Stickstoff wird von allen Organismen in Aminosäuren, Proteinen, Nukleotiden, Nukleinsäuren und anderen Bestandteilen der Zelle benötigt.

Mikroorganismen besitzen eine zentrale Rolle in Bezug auf alle Aspekte der Stickstoffverfügbarkeit und damit für das Leben auf der Erde.

Einige Bakteriengattungen können atmosphärischen Stickstoff fixieren (zu NH4

+ reduzieren) Es gibt freilebende Arten in Böden und Gewässern bzw. im

Ozean, und solche, die in Symbiose mit Pflanzen und anderen Organismen leben z.B. mit Termiten, Rhizobien in den Wurzelknöllchen der Leguminosen

Andere Bakterien sind für Nitrifikation und Denitrifikation zuständig

Viele Bakterien und Pilze bauen organisches Material in Böden und Gewässern ab, wobei sie den fixierten Stickstoff in der Form von NH4

+ freisetzen und damit wieder verfügbar machen Stickstoffexkretion – Urease der Bodenbakterien hydrolysiert

Harnstoff zu CO2 und 2 NH3

All diese Prozesse tragen zum Stickstoffkreislauf bei – Stickstoff kreist zwischen Atmosphäre und Biosphäre und innerhalb der Biosphäre

Ausschließlich Procayoten beherrschen die N2-Fixierung! Sie verwenden dazu den Enzymkomplex Nitrogenase

EisenproteinMolybdän/Eisenprotein

Nitrogenase Chromatographische

Auftrennung der Nitrogenase aus Knöllchenbakterien der Sojabohne. Das obere Band in der Ionenaustauscher-Säule entspricht dem Fe-Protein, das untere dem MoFe-Protein.

Beide Komponenten werden durch O2 schnell und irreversibel inaktiviert, der Sauerstoff wird darum durch die Pflanze mit Hilfe von Leghämoglobin gebunden, sodass die für die N2 Fixierung notwendige niedrige O2 Konzentration stets gesichert ist.

Bei freilebenden Cyanobakterien ist die Nitrogenase oft in Heterocysten lokalisiert, die kein Photosystem II besitzen und daher keinen Sauerstoff entwickeln.

Leghämoglobin

Quelle: Strasburger

Wird eine Wurzel von Stickstoff-fixierenden Knöllchenbakterien infiziert, wird die Pflanze dazu angeregt, Leghämoglobin zu produzieren. Wurzelteile, welche nicht von Knöllchenbakterien infiziert sind, produzieren kein Leghämoglobin.

Cyanobakterien mit Heterocysten

2NiPADPHNHATPeHN 161621688 232

Stickstoff nimmt nach Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff mengenmäßig den 4. Platz in der Pflanzenmasse ein.

Dabei begrenzt bei ausreichender Wasserverfügbarkeit und neben klimatischen Faktoren hauptsächlich das Stickstoffangebot das Pflanzenwachstum. Sprosse und Blätter krautiger Pflanzen enthalten durchschnittlich 2-4 % Stickstoff in der Trockenmasse.

Am bekanntesten sind die Knöllchenbakterien (Rhizobien) der

Leguminosen. Rhizobium japonicum lebt in Symbiose mit der

Sojabohne, Rhizobium trifolii mit Klee und Rhizobium meliloti mit

Luzerne

Zu den stickstoffixierenden Arten gehören auch eine Anzahl

freilebender Bodenbakterien z.B. solche aus den Gattungen

Azotobacter (aerob lebend), Closterium (strikt anaerob), Klebsiella

(fakultativ aerob) und Rhodospirillum (aerob oder anaerob, mit

Photosynthese).

Die Produktion von synthetischem Stickstoffdünger (Haber-Bosch Verfahren) ist außerordentlich energieaufwendig.

Doch auch die Bakterien schaffen es nicht, „energiesparend“ Ammoniak zu bilden. Die Dreifachbindung des Stickstoffs gehört zu den

stärksten kovalenten Bindungen in biologisch wichtigen Molekülen.

Für die Umsetzung von 1 Mol Stickstoff zu 2 Mol Ammoniak werden 16 Mol ATP benötigt, oder anders ausgedrückt, pro Gramm fixiertem Stickstoff werden – von Rhizobien - ca. 20 g Glucose verbraucht.

Besonders aufwändig ist die Reaktion in Azotobacter, denn dort werden pro Gramm N2 ca. 150 g Glucose benötigt.

Das Eisenprotein wird zuerst reduziert durch Elektronen, die von Ferredoxin angeliefert werden. Das reduzierte Eisenprotein bindet ATP und reduziert das Mo-Fe-Protein, welches N2 über Diimin und Hydrazin zu NH3 reduziert

Die e- stammen alle vom reduzierten Ferredoxin

Abhängig vom Typ des Mikroorganismus werden das reduzierte Ferredoxin und ATP durch Photosynthese (Photosystem I bei anaeroben Bedingungen) Respiration oder Fermentation geliefert

Assimilatorische Nitratreduktion

Die assimilatorische Nitratreduktion kann von den meisten Mikroorganismen und den grünen Pflanzen ausgeführt werden.

In grünen Pflanzen läuft die Nitratreduktion zu Nitrit im Cytoplasma ab, die anschließende Reduktion zu Ammonium in Chloroplasten, durch die Photosynthese (diese liefert reduziertes Ferredoxin).

Quelle: Strasburger

Stickstoffexkretion

Stickstoff-haltige Ausscheidungsprodukte im Harn des Menschen in 24 h

Harnstoff 30 - 40 g Harnsäure 0.5 - 1 g Kreatinin 0.5 - 2.5 g Hippursäure 0.1 - 2.0 g Ammoniak 0.5 - 1.0 g

L-Glutaminsäure

Bindet das beim Aminosäureabbau frei werdene NH3 unter Bildung von Glutamin.

Fische transportieren Glutamin zu den Kiemen, dort wird NH3 ins Wasser freigesetzt

Im Menschen wird Glutamin zur Leber transportiert und Harnstoff synthetisiert (wasserlöslich) Tiere aus trockenen Klimaten scheiden hauptsächlich Harnsäure aus, die wasserunlöslich ist

Pflanzen haben keine Stickstoff-Exkretion

Abbau stickstoffhaltiger Ausscheidungsprodukte im Boden

Insbesondere die Urease in Bodenbakterien spielt eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf.

Harnstoff ist ein recht stabiles Molekül. Es zersetzt sich sehr langsam zu NH3 und Isocyansäure

Durch die Aktivität des Enzyms wird die Reaktionsgeschwindigkeit um den Faktor 1014 erhöht. (siehe: W. Kaim und B. Schwederski, Bioanorganische Chemie)

Die Urease ist ein Metalloenzym und besitzt 2 Nickel-Ionen im aktiven Zentrum.

www.chem.ntnu.edu.tw

Quelle: Kaim/Schwederksi

Atmosphärenchemie

aktuell

ca. 398ca. 1,80

Treibhausgase – Beitrag zum Klimawandel

HV= Halogenierte Verbindungen Quelle: IPCC

Außer den Edelgasen werden alle Bestandteile der

Atmosphäre über globale Stoffkreisläufe von der

Biosphäre reguliert Die Koexistenz freien Sauerstoffs und

reduzierender Krustenbestandteile (Fe2+ und Sulfid) stellt ein gewaltiges geochemisches Ungleichgewicht dar, aber nicht nur das.

Auch das Vorliegen von N2 und O2 nebeneinander sollte auf die Dauer nicht möglich sein.

Pro Sekunde gibt es auf der gesamten Erde >100 Blitze

Temperatur im Blitzkanal: ca. 30 000°C

Aus: Holleman-Wiberg

66 % Beitrag zur jährlichen Methanproduktion der Erde

Methanogenese Nur Archaeen sind dazu fähig Streng anaerober Abbau von Biomasse

Im Darm von Organismen, in anaeroben Sedimenten und Böden

In Abwesenheit von Sulfat, Nitrat, Mangan(IV), Eisen(III)

Zur Reduktion wird oft H2 benutzt, durch vergärende Bakterien kann neben CO2 und oxidierten organischen Verbindungen auch H2 gebildet werden.

Das Substrat ist in vielen Fällen CO2

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O

Im menschlichen Verdauungstrakt: CH3OH + H2 → CH4 + H2O (durch Methanosphaera)

Methan Prof. Dr. J. Gasteiger,Dr. A. Schunk, Universität Erlangen

Geschätzte globale Jahresemission 6 x1014 g

Methan entsteht auch bei geologischen Prozessen in heißen Themalquellen auf dem Ozeanboden der Nähe von Mittelozeanischen Rücken

Derzeit entweicht Methan auch aus tauenden Permafrostböden der Arktis, die auch den Meeresgrund unter der Ostsibirischen See bedecken.Nach der letzten Eiszeit stieg der Meeresspiegel um 100 m an, bis Wasser die Region bedeckte. Das Ostsibirische Schelf ist mit mehr als zwei Millionen Quadratkilometern etwa dreimal so groß wie die sibirischen Feuchtgebiete, die bisher als Hauptquelle von Methan galten.

Max-Planck-Institut für Kernphysik/B. Scheeren

2006 wurde entdeckt, dass auch Pflanzen und Pilze Methan freisetzen können.

Frank Keppler, John T. G. Hamilton,Marc Braß und Thomas Röckmann:Methane emissions fromterrestrial plants under aerobicconditionsNature, 12 January 2006

Die Atmosphäre -Schutzschild der Erde

Schützt vor dem Hagel kleiner Meteore aus dem All

Schützt vor kurzwelliger UV-Strahlung Schützt durch den Treibhauseffekt vor

Unterkühlung Ist das Fenster der Erde – durchlässig für das

sichtbare Licht Ist das Medium für den Transport von Wasser und

Wärme Ist Quelle und Senke für den Austausch von

Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff mit den lebenden Organismen.

Die Luft – eine homogene Mischung von Gasen?

Im Maßstab von Kubikmetern ist die Luft eine homogene Mischung von Gasen.

In einem größeren Maßstab ist sie alles andere als homogen.

Variationen der Temperatur, des Drucks und der Feuchtigkeit in den Luftschichten nahe der Erdoberfläche verursachen die dynamischen Effekte, die wir als Wetter kennen.

Vertikale Gradienten derselben Variablen sowie der chemischen Zusammensetzung beschreiben die Struktur der Atmosphäre als Ganzes.

Quelle: Alpine NaturschauGrossglockner Hochalpenstrasse

Quelle: Alpine NaturschauGrossglockner Hochalpenstrasse

Barometrische Höhenformelbeschreibt den Luftdruck als Funktion der Höhe über der Erdoberfläche h. Anders als in Flüssigkeiten, z.B. im Wasser, nimmt der Schweredruck nicht linear mit der Höhe ab, da Gase im Gegensatz zu Flüssigkeiten kompressibel sind und daher unter dem Einfluss ihres Eigengewichtes unten eine höhere Dichte haben als oben. Das führt dazu, dass unten die Druckabnahme pro Höhendifferenz größer ist als oben.

RTMgh

h epp

0

RTMgh

h epp

0

Der atmosphärische Druck nimmt pro 6 km Höhenzuwachs um 50%ab.

Dieses Gesetz sagt auch voraus, dass sich die Zusammensetzung einer Gasmischung von Gasen unterschiedlicher Molekularmasse mit der Höhe ändern muss.

Der Gravitations-Fraktionierungs-Effekt wird jedoch bis zu einer Höhe von 160 km nicht wirksam, da Windbewegungen stets eine ausreichende Durchmischung bewirken.

Die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, die die oberen Teile der Atmosphäre charakterisieren, sind auf photochemische Reaktionen zurückzuführen.

Diese folgen aus der Absorption der intensiven kurzwelligen UV-Strahlung der Sonne, die in den oberen Atmosphärenschichten vorhanden ist.

Quelle: Fabian

Drei Quellen von Wärmeenergie

Direkte Absorption von Sonnenstrahlung

Exotherme chemische Reaktionen

Absorption von langwelliger IR-Strahlung, die von der Erdoberfläche emittiert wird.

Jeder dieser Mechanismen dominiert in einem anderen Höhenbereich.

Erwärmung der Troposphäre Die atmosphärischen Gase können nur einen kleinen Teil der

eingestrahlten Energie der Sonne direkt absorbieren. N2 und O2 absorbieren weder sichtbares Licht noch IR-Strahlung. Dieses ganze Spektrum passiert die Atmosphäre unverändert

und wird von der Erdoberfläche absorbiert. Die Erdobefläche strahlt die Energie als langwelliges IR wieder

ab. Die Treibhausgase der Troposphäre absorbieren effizient dieses

langwellige IR und verwandeln es in Molekülschwingungs- und kinetische Energie, die sehr schnell (durch Stöße) den anderen atmosphärischen Gasen weitergegeben und verteilt wird.

Auf diese Art wird die Troposphäre von unten her geheizt und die Temperatur sinkt mit der Höhe.

Jedes Medium, das sich mit steigender Temperatur ausdehnt,

verliert seine mechanische Stabilität, wenn es in einem

Gravitationsfeld von unten her erhitzt wird.

Ein Luftpaket, das mit einem heißen Fleck auf der Erdoberfläche in Kontakt war, steigt rasch hoch und gelangt in Regionen geringeren atmosphärischen Drucks.

Dabei expandiert es adiabatisch und kühlt sich infolgedessen ab. (= Expansion eines realen Gases, Volumenarbeit wird dem Energieinhalt des Gases entnommen).

Temperaturgradient: - 9,8 K/km für trockene Luft (etwas weniger für feuchte Luft, entsprechend der Wärmeabgabe, wenn Wasser aus ihr kondensiert)

Die Erde als Schwarzkörperstrahler

414 eTS

S=Solarkonstante, 1380 Watt/m2

Te=effektive Strahlungstemperatur

=Albedo (0,30)

=Stefan-Boltzmann Konstante 5,67x10-8 Wm-2K-4

Faktor 4: Verhältnis der gesamten Erdoberfläche zur Kreisfläche, die die Strahlung empfängt.