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Anaerobe Atmung „Das Leben ohne 𝑂2“
VON JAN KNICKMANN
FACHBEREICH BIOLOGIE
INSTITUT FÜR MIKROBIOLOGIE UND WEINFORSCHUNG
JOHANNES GUTENBERG-UNIVERSITÄT MAINZ
19.06.2015 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz
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Ökologischer Nutzen der
anaeroben Atmung
Prokaryoten
Sehr alte Form der Energiegewinnung
Wichtig für Stickstoffkreislauf
Nitrat Entfernung in Kläranlagen
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19.06.2015 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Inhalte:
1. Anaerobe Energiegewinnung
2. Prinzipien der anaeroben Atmung
3. Alternative terminale Elektronenakzeptoren
4. Nitratatmung
5. Polysulfidatmung von Wolinella succinogenes
6. Fragen
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Anaerobe Energiegewinnung
Anaerob = kein Sauerstoff
Zwei Möglichkeiten der Energiegewinnung
Gärung
Energieausbeute Gering
Elektronen-
Akzeptator
Interner Elektronenakzeptor
Abbau der
Kohlenhydrate
Nicht vollständig zu H2O und CO2
z.B. Alkohole, Säuren
Anaerobe Atmung
Höher
Externer Elektronenakzeptor
Vollständig zu H2O und CO2
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Prinzip der anaeroben Atmung
Gleicht dem Grundprinzip der aeroben Atmung:
Reduktionsäquivalente
Elektronentransportkette
Reduktase
Reduktion eines alternativen Elektronenakzeptor
Trennung der elektrischen Ladung
Elektrochemisches Potenzial
Regeneration von ATP
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Alternative terminale
Elektronenakzeptoren
Nitrate NO3− → Stickstoff / Ammonium N2 NH4
+
Fumarate 𝐶4𝐻4𝑂4 → Succinat 𝐻𝑂𝑂𝐶 − 𝐶𝐻2𝐶𝐻2 − 𝐶𝑂𝑂𝐻
Sulfate 𝑆𝑂42− → Schwefelwasserstoff 𝐻2𝑆
Schwefel 𝑆 → Schwefelwasserstoff 𝐻2𝑆
Kohlenstoffdioxid 𝐶𝑂2 → Methan 𝐶𝐻4
Eisen(III) 𝐹𝑒(𝐼𝐼𝐼) → Eisen(II) 𝐹𝑒(𝐼𝐼)
Mangan(IV) 𝑀𝑛(𝐼𝑉) → Mangan(II) 𝑀𝑛(𝐼𝐼)
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The
rmo
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Hie
rarc
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Nitratatmung
Beispiel Organismen: Proteobacteria, Enterobacteriaceae, Planctomyceten
Habitat: gedüngte Felder mit stehender Nässe
Assimilatorische Nitratreduktion
Dissimilatorische Nitratreduktion
NO3−, NO2
−, N2O als Elektronenakzeptor
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Escherichia coli (E. coli)(NIAID, 2015)
Enterobacterien(CDC, 2015)
Pirellula staleyi(BacMap, 2015)
Nitratatmung 9
Nitratatmung
NO3−, N𝑂2
−, N2𝑂 als Elektronenakzeptor
Denitrifikation
NO3−→N2
Nitratammonifikation
NO3−→𝑁𝐻3
SirohämhaltigesNitritreduktase-Enzym
Cytochrom-c-haltigesNitritreduktase-Enzym
Anammox
NH4++N𝑂2
−→N2
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Nitratatmung: Denitrifikation
Reaktionsschema der Denitrifikation (Fuchs, 2014)
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Reduktion: Nitrat (𝑁𝑂3−) → molekularem Stickstoff (𝑁2)
1. Nitrat Aufname: Nitrat-Nitrit-Antiporter
2. Nitrat-Reduktase: 2 NO3− + 4 H+ + 4 e− → 2 NO2
− + 2 H2O
Nitrat → Nitrit
3. Nitrit-Reduktase: 2 NO2− + 4 H+ + 2 e− → 2 NO + 2 H2O
Nitrit → Stickstoffmonoxid
4. Stickstoffmonoxid-Reduktase: 2 NO + 2 H+ + 2 e− → N2O + H2O
Stickstoffmonoxid → Distickstoffmonoxid
5. Distickstoffmonoxid-Reduktase: N2O + 2 H+ + 2 e− → N2 + H2O
Distickstoffmonoxid → molek. Stickstoff
Nitratatmung: Denitrifikation 11
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Nitratatmung: Denitrifikation
Reaktionsschema der Denitrifikation (Fuchs, 2014)
19.06.2015 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz
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NitratNitrit
Stickstoffmonoxid
Distickstoffmonoxid
molek. Stickstoff
Elektronen-
donator
Beispiel Organismen: Desulfuromonas, Campylobacteraceae, Wolinella succinogenes
Habitat: z.B. Geysire; Sedimente des Schwarzen Meers
Anaerobe Mineralisierung organischer Substanzen
Elektronenakzeptor: 𝑆𝑂42−, 𝑆𝑂3
2−, 𝑆2𝑂32−→ 𝐻2𝑆
Schwefelatmung 13
19.06.2015 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Desulfovibrio desulfuricans(Wikimedia, 2015)
Wolinella succinogens(NIAID, 2015)
Campylobacter jejuni(Wikimedia, 2015)
Geysir bei Rotorua (NZ)(Blogspot.de, 2015)
Bsp.: Polysulfidatmung
in Wolinella succinogenes Substrat: Polysulfidketten
Polysulfidkette → (Polysulfid-Reduktase) → H2S + verkürzte Polysufide → Sulfid
Formiat → (Oxidoreduktase) → Kohlenstoffdioxid
Transfer der Reduktionsäquivalente
→ Protonengradient
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Reaktionsschema der Polysulfidatmung von Wolinella succinogenes (Fuchs, 2014)
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Fazit
Energieausbeute höher als bei Gärung
Substrat wird reduziert
Produkte mit niedrigerem Redoxpotential
Elektronendonator wird oxidiert
Produkt mit höherem Redoxpotential
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Bild-Quellen Folie 8: „E. coli“
USA National Institute of Allergy and Infectious Diseases, Online 11.06.2015
Folie 8: „Carbapenem-resistenten Enterobacteria“USA Centers for Disease Control and Prevention, Online 11.06.2015
Folie 8: „Pirellula staleyi“BacMap Genome Atlas, University of Alberta, Online
11.06.2015
Folie 10/12: „Reaktionsschema der Denitrifikation“Allgemeine Mikrobiologie, Georg Fuchs, 9. Auflage, S.445, Abb. 14.4
Folie 13: „Wolinella succinogenes“http://www.wolinella.mpg.de/Wsu_img.jpg
Folie 13: „Campylobacter jejuni“http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/ARS_Campylobacter_jejuni.jpg
Folie 13: „Desulfovibrio desulfuricans“https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5f/Desulfovibrio_desulfuricans.jpg
Folie 13: Geysir bei Rotorua (NZ)http://f-fs-reisen.blogspot.de/2011/04/rotorua-ein-abend-bei-den-maori-134.html
Folie 13: „Reaktionsschema der Polysulfidatmung in
Wolinella succinogenes“ Allgemeine Mikrobiologie, Georg Fuchs, 9. Auflage, S.455, Abb. 14.17
Alle Folien: JGU Logo
Zentrum für Datenverarbeitung (ZDV) Uni Mainz, Online 11.06.2015
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Inhalts-Quellen
Kern, Melanie. "Role of the membrane-boundmenaquinol dehydrogenases NapGH and NrfH in respiratory nitrate ammonification of Wolinella succinogenes." (2009).
DY, Sorokin. „Elemental sulfur and acetat can support life of a novel strictlyanaerobic haloarchaeon“ (2015)
Deiglmayr, Kathrin. „Community Structure and Activity of Nitrate-ReducingMicroorganisms in Soils under Global Climate Change“ (2006)
Reda, Torsten. “Reversible interconversion of carbon dioxide and formate by an electroactive enzyme” (2008)
Cypionka, Heibert. „Anaerobe Atmungsprozesse“. Grundlagen Der Mikrobiologie. Springer-Lehrbuch (2010)
Fuerst, John. „Beyond the bacterium: planctomycetes challange our conceptof microbial structure and function“. Nature Reviews Microbiologie (2011)
Chemgapedia.de „Anaerobe Atmung“ (web; 2015)
Spektrum.de „Anaerobe Atmung“ (web; 2015)
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