DIE ROLLE VON MIKROORGANISMEN IM STOFFKREISLAUF UND IN DER NATUR

Nikolai LöhrJohannes Gutenberg-Universität MainzInstitut für Mikrobiologie und WeinforschungJohann-Joachim-Becherweg 1555128 Mainz

-Wie tragen Mikroorganismen zur Bodenqualität bei? -

Inhaltsübersicht1. Charakterisierung des Bodens2. Charakterisierung der Mikroorganismen3. Leistungen der Mikroorganismen

3.1 Abbau von Cellulose

3.2 Abbau von Hemicellulose3.3 Abbau von Lignin (=Humusbildung)

4. Quellen5. Fragerunde & Diskussion

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1. Charakterisierung des Bodens

Abnahme der mikrobiellen Aktivität!

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O-Schicht. Aus was besteht das abzubauende Pflanzenmaterial?

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Wachstum an der Oberfläche von Partikeln (Sorption) einerseits…

…andererseits Wachstum in Rhizosphäre.

Hotspots des bakteriellen Wachstums

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Heterogener Lebensraum!

Heterogenität des Lebensraums = Artenvielfalt?

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Biozönotische Grundprinzipien, von A.F. Thienemann:

„Vielseitige Lebensbedingungen in einem Biotop ermöglichen eine hohe Artendichte.“

Qualität:10.000 Genome in Bodenprobe

Quantität:In den obersten 30cm des Bodens findet pro Quadratmeter:

- 1 Billionen Bakterien- 11 Milliarden Pilze- 1 Millionen Algen

2. Charakterisierung der Mikroorganismen

Als autochthon bezeichnet man die Arten, die an vorherrschende Bedingungen des Ökosystems angepasst sind, heimisch und dort immer vorhanden sind.

Allochthone Arten sind in dem Biotop fremd, somit nicht angepasst und auf externe Versorgung angewiesen.

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Autochthon

Allochthon

Substratkonzentration

Wac

hstu

msr

ate

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Lebensstrategien?

3. Leistungen der Mikroorganismen3.1 Abbau von Cellulose

• β-1,4-gylkosidische Verknüpfung von Glucosemolekülen

• Zellwandmaterial der Pflanzen

• Häufigstes Kohlenhydrat der Welt

•Hydrolytische Spaltung über die Enzymfamilie der Cellulasen (aerob und anaerob)

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180°

Actinobacteria Firmicutes

Gattung: Cellulomonas

Gattung: Streptomyces

Gattung: Arthrobacter

Gattung: Bacillus

Gattung: Clostridiumanaerob

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Phylogenetischer Schnappschuss

Exkurs: Streptomyces, eine prominente Gattung

• Antibiotikaproduzent (z.B. Streptomycin)

• Sporenbildner

•Mitunter größtes bakterielles Genom

•Verursacher des typischen „Waldbodengeruchs“; Geosmin

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3. Leistungen der Mikroorganismen3.2 Abbau von Hemicellulose

Polysaccharid der sekundären Pflanzenzellwand aus verschiedenen Monosacchariden:

- Hexosen (Glucose, Mannose, Galactose,…)- Pentosen (Xylose, Arabinose…)

• Abbau auch hydrolytisch

• Abbauende Organismen sind zahlreicher

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3. Leistungen der Mikroorganismen3.3 Abbau von Lignin

Lat. „lignum“ für Holz

Sehr persistenter Naturstoff

Aufbau aus Phenylpropaneinheiten (= Ligninalkohole)

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Radikalbildung erfolgt enzymatisch, aber nicht deren Weiterreaktion.

Radikalische Polymerisation der Ligninsynthese

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Lignin-Polymer

• Undefinierte Struktur

• Nicht wasserlöslich

•Abbau benötigt molekularen Sauerstoff!

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Ligninabbau, (fast) eine reine Sache der Pilze

Weißfäulepilze: Ligninabbau,Hemicelluloseabbau, Cellulose bleibt zurück

Braunfäulepilze:Celluloseabbau,Hemicelluloseabbau, Lignin bleibt zurück

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Lignin nicht einzige C-Quelle: Cometabolismus

Braunfäule

Weißfäule

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Glyoxaloxidase

Mangan-Peroxidase

Lignin-Peroxidase

Laccasen

Mn3+

mittelbar

unmittelbar

Mn 3+ Lignin-Peroxidase

Laccase

PhenolischeSubstanzen

Nicht-phenloischeLigninstrukturen

NiedermolekulareBurchstücke

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chelatisiert

Humus = die gesamte organische Bodensubstanz, abzüglich der lebenden Biomasse Nicht einheitlich, aber Polyphenole des Ligninabbaus dominieren

Funktionelle Gruppe: überwiegend saure Carboxylgruppen

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Die Entstehung der Carboxylgruppe…

MONOOXYGENASE

DIOXYGENASE

O2

Spaltung des aromatischen Ringes: Dioxygenasen!

3.3 Zusammenfassung: bisheriges Wissen

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Lignin Humus: Daher reich an Aromaten

Dioxygenasen sorgen für Ringöffnung an Aromaten

Über Pilze

Günstige Wirkungen der Huminstoffe im Boden

Kationenaustauscher

Immobilisieren von toxischen Substanzen (Al3+ / Pb2+ / Cd2+ gelangen nicht ins Grundwasser)

Pufferwirkung

C/N-Verhältnis von 10/1

Wasserhaltevermögen

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4. QuellenLiteraturverzeichnis:Brock, Mikrobiologie, 13. Auflage; Pearson-S/997 Abbildung 23.13-S/994 Abbildung 23.11-S/878, Abbildung 20.31

Haider, Biochemie des Bodens,-S/20 Tabelle 2.1

Fuchs, Allgemeine Mikrobiologie; Thieme-S/364 Abbildung 11.9-S/623 Abbildung 18.22

Fritsche, Mikrobiologie, 2. überarbeitete Auflage; Spektrum-S/300 Abbildung 14.11

Bildquellen aus Internet:http://edoc.hu-berlin.de/dissertationen/zimmer-jens-2003-12-05/HTML/chapter5.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Wei%C3%9Ff%C3%A4ule#/media/File:Hvidmuld.JPG

https://www.native-plants.de/blog/jetzt-bodenprobe-nehmen/

http://www.holzfragen.de/seiten/Xestobium_rufovillosum.html

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ee/Lignin_structure.svg/350px-Lignin_structure.svg.png23

5. Fragerunde / Diskussion

Wie lässt sich die Vielfalt an Mikroorganismen im Ökosystem Boden erklären?

Wieso ist ein gut durchlüfteter Boden so wichtig?

Erläutere die Chancen der Bodensanierung durch Pilze!

Was unterscheidet die Abbaubedingungen des Ligninabbaus von den Abbaubedingungen des Celluloseabbaus?

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