Anoxygen phototrophe Bakterien nutzen organische Verbindungen, anorganische oder organische Schwefelverbindungen, molekularen Wasserstoff oder Eisen(II)

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1 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 bacteria Andreas Kappler, Claudia Pasquero, Kurt O. Konhauser and Dianne K. Newman, GEOLOGY, 2005

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7 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.

8 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

9 Eisenprotein Molybdän/Eisenprotein

10 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.

11 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. Quelle: Strasburger

12 Cyanobakterien mit Heterocysten

13 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.

14 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).

15 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.

16 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

17 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

18 Stickstoffexkretion Stickstoff-haltige Ausscheidungsprodukte im Harn des Menschen in 24 h Harnstoff g Harnsäure g Kreatinin g Hippursäure g Ammoniak g

19 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

20 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.

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22 Quelle: Kaim/Schwederksi

23 Atmosphärenchemie

24 aktuell ca. 398 ca ,80

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26 Treibhausgase – Beitrag zum Klimawandel
HV= Halogenierte Verbindungen Quelle: IPCC

27 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.

28 Pro Sekunde gibt es auf der gesamten Erde >100 Blitze
Temperatur im Blitzkanal: ca °C

29 Aus: Holleman-Wiberg

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32 66 % Beitrag zur jährlichen Methanproduktion der Erde

33 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)

34 Methan Prof. Dr. J. Gasteiger, Dr. A. Schunk, Universität Erlangen Max-Planck-Institut für Kernphysik/B. Scheeren 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. Geschätzte globale Jahresemission 6 x1014 g Methan entsteht auch bei geologischen Prozessen in heißen Themalquellen auf dem Ozeanboden der Nähe von Mittelozeanischen Rücken

35 2006 wurde entdeckt, dass auch Pflanzen und Pilze Methan freisetzen können.
Frank Keppler, John T. G. Hamilton, Marc Braß und Thomas Röckmann: Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions Nature, 12 January 2006

36 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.

37 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.

38 Quelle: Alpine Naturschau
Grossglockner Hochalpenstrasse

39 Quelle: Alpine Naturschau
Grossglockner Hochalpenstrasse

40 Barometrische Höhenformel
beschreibt 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.

41 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.

42 Quelle: Fabian

43 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.

44 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.

45 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)

46 Die Erde als Schwarzkörperstrahler
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.

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