DIE ROLLE VON MIKROORGANISMEN IM STOFFKREISLAUF UND IN DER NATUR

-Wie tragen Mikroorganismen zur Bodenqualität bei? -

Nikolai Löhr Johannes Gutenberg-Universität Mainz Institut für Mikrobiologie und Weinforschung Johann-Joachim-Becherweg 15 55128 Mainz

Inhaltsübersicht 1. Charakterisierung des Bodens 2. Charakterisierung der Mikroorganismen 3. Leistungen der Mikroorganismen 3.1 Abbau von Cellulose 3.2 Abbau von Hemicellulose 3.3 Abbau von Lignin (=Humusbildung)

4. Quellen 5. Fragerunde & Diskussion 2

1. Charakterisierung des Bodens

Abnahme der mikrobiellen Aktivität!

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O-Schicht. Aus was besteht das abzubauende Pflanzenmaterial?

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Hotspots des bakteriellen Wachstums Wachstum an der Oberfläche von Partikeln (Sorption) einerseits…

…andererseits Wachstum in Rhizosphäre.

Heterogener Lebensraum! 5

Heterogenität des Lebensraums = Artenvielfalt?  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

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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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Lebensstrategien?

Wachstumsrate

Allochthon

Autochthon

Substratkonzentration 8

3. Leistungen der Mikroorganismen 3.1 Abbau von Cellulose 180° • b-1,4-gylkosidische Verknüpfung von

Glucosemolekülen • Zellwandmaterial der Pflanzen

• Häufigstes Kohlenhydrat der Welt • Hydrolytische Spaltung über die Enzymfamilie der Cellulasen (aerob und anaerob) 9

Actinobacteria

Firmicutes

Gattung: Cellulomonas

Gattung: Bacillus

Gattung: Streptomyces

Gattung: Clostridium anaerob

Gattung: Arthrobacter

Phylogenetischer Schnappschuss

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Exkurs: Streptomyces, eine prominente Gattung • Antibiotikaproduzent (z.B. Streptomycin)

• Sporenbildner

• Mitunter größtes bakterielles Genom

•Verursacher des typischen „Waldbodengeruchs“; Geosmin 11

3. Leistungen der Mikroorganismen 3.2 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 Mikroorganismen 3.3 Abbau von Lignin  Lat. „lignum“ für Holz  Sehr persistenter Naturstoff  Aufbau aus Phenylpropaneinheiten (= Ligninalkohole)

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Radikalische Polymerisation der Ligninsynthese

Radikalbildung erfolgt enzymatisch, aber nicht deren Weiterreaktion.

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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  Lignin nicht einzige C-Quelle:

Cometabolismus

Braunfäulepilze: Celluloseabbau,Hemicelluloseabbau, Lignin bleibt zurück

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Braunfäule

Weißfäule

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Glyoxaloxidase mittelbar Mangan-Peroxidase Mn3+ chelatisiert Lignin-Peroxidase

unmittelbar

Laccasen

Mn 3+

LigninPeroxidase

Laccase

Phenolische Substanzen

Nicht-phenloische Ligninstrukturen

Niedermolekulare Burchstücke

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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!

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3.3 Zusammenfassung: bisheriges Wissen Lignin

Über Pilze

Humus: Daher reich an Aromaten

Dioxygenasen sorgen für Ringöffnung an Aromaten

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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. Quellen Literaturverzeichnis: 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.png 23

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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