Vorlesung Grundlagen der Umweltmikrobiologie

Rainer U. MeckenstockLehrstuhl für Grundwasserökologie (WZW)

und Helmholtz-Zentrum München

Institut für GrundwasserökologieTel: 089 3187 2561

rainer.meckenstock@helmholtz-muenchen.de

Empfohlene Literatur

• Fuchs: Allgemeine Mikrobiologie (Thieme)

• Dixon: Der Pilz der John F. Kennedy zum Präsidenten machte (Spektrum)

• Lengeler: Biology of the Prokaryotes (Thieme)

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 TagesDesulfovibrio desulfuricans

• Abteilung: Proteobacteria• Klasse: Deltaproteobacteria• Ordnung: Desulfovibrionales• Familie: Desulfovibrionaceae• Gattung: Desulfovibrio• Art: Desulfovibrio desulfuricans

The uncultured majority

• Black: 12 original Phyla (Woese 1987)many pure cultures

• White: 14 new phyla since 1987some isolates

• Gray: 26 candidate phylano isolates

Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003)Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)

What are they all doing ?

1205

1367

220

1808

91

8

4

9

13

1124

25

n = published species

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 red Substrat ox

Produkt ox Produkt red

H

Oxidierender Ast Reduzierender Ast

Beispiel Glukose und Sauerstoff

Glc O2

CO2 H2O

H

ADP + Pi

ATP

ADP + Pi

ATP

Beispiel Glukosevergärung

Glc CH3COOH

CH3COOH + CO2 H2 + Butyrat

H

ADP + Pi

ATP

Beispiel Eisensulfid und Sauerstoff

FeS O2

SO42- + Fe(OH)3 H2O

H

ADP + Pi

ATP

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+ oxidativ

O2 + 4 e- + 4 H+ ↔ 2 H2O / x 6 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 / x 3

3) 3 SO42- + 24 e- + 30 H+ ↔ 3 H2S + 12 H2O

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

0 10 20 300

100

200

300

400

500

600

0.0

1.0

2.0

3.0

Be

nze

ne

[µM

]

Time [d]

Sul

fate

[mM

]

BenzeneSulfate

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 SO4

2- abbauen kann.

Hausaufgabe

• Erstellen sie eine Prüfungsfrage über die letzte Stunde– Anspruchsvoll aber nicht zu schwer– Was war ihnen am wichtigsten