Anaerobe Atmung

• Sauerstoff (zu Wasser)

• Nitrat (zu N2, Lachgas oder Ammonium)

• Mangan 4+ (zu Mangan 2+)

• Eisen III (zu Eisen II)

• Nitrit (zu N2, Lachgas oder Ammonium)

• Sulfat (Zu Schwefelwasserstoff)

• Kohlenstoffdioxid (zu Methan)

Methan reagiert mit Sulfat zu Bicarbonat, Wasser und Schwefelwasserstoff

In anoxischen Sedimenten

• mit abnehmenden Redoxpotenzial des Elektronenakzeptors wird dieser zunehmend ungeeigneter

• Delta G sinkt gleichzeitig: wengier Energie wird frei

Vollständige Nitratreduktion zu Stickstoff

• Nitrat als Akzeptor

• in fakultativen Aerobiern werden Gene zur Nitratreduktion induziert

• Nitrat zu Nitrit (Nitratreduktion)

• Nitrit über Stickoxid und Lachgas zu Stickstoff

Pseudomonas stutzeri

Escherichia coli

• produziert in Abwesenheit von O2 und Vorhandensein von Nitrat eine Nitratreduktase

  • Molybdänprotein

Nitrit zu Ammonium reduziert

• assimilatorisch

• Cytoplasmatische Nitrat- und Nitritreduktase

In Pseudomonas stutzeri:

• -2657 kJ

• Im Vergleich: aerob = -2870 kJ

• aerobes Becken

  • Teiloxidation zu Nitrit

  • Keine pH-Kontrolle

• Anaerobes Becken

  • Anammox-Bakterien

    • Nitrit als Akzeptor zu Nitrat

    • Ammonium als Donor zu N2

• Tetraeder-Anordnung schirmt S durch O ab, sterische Hinderung der Reaktion

• Redoxpotenzial zu niedrig, thermodynamisch nicht möglich

  • Sulfat soll Elektronen aufnehmen, aber sehr negatives Redoxpotenzial

Von Pflanzen und Bakterien durch Aktivierung mit ATP

• ATP-Sulfurylase aktiviert Sulfat mit ATP zu APS

  • APS = Adenosin-5’-Phosphosulfat

  • APS höhreres Redoxpotenzial

  • PPi als Prodult ist energiekonservierend und kNn weiter hydrolysiert werden (antreibend)

• APS-Reduktase reduziert zu Sulfit

  • Elektronen von red. Cyt c aus Menachinon über Qmo-Komplex

Assimilatorische Sulfatreduktion:

• APS weiter zu PAPS phosphoryliert

Dissimilatorische Sulfitreduktase:

• Sulfat zu H2S reduziert über Sulfitreduktase

• Elektronen über red. Cytc und Dsr-Membran-Komplex von DsrC

  • Sirohäm-Protein

• extern von außen

• intermediär bei der Verwertung organischer Substrate

  • zB Pyruvat

• Periplasmatische Hydrogenase oxidiert

  • an äußerer Zellmembran

  • Zu Protonen oxidiert

Paracoccus denitrificans?

Komplette Denitrifikation von Nitrat zu Stickstoff?

• wichtigster Prozess in der Natur zur Freisetzung von Stickstoff aus gebundenem Stickstoff

• Stickstoffentfernung in Kläranlagen

• Stickstoffentfernung aus landwirtschaftlich gedüngten Böden

Aktivierung mit ATP zu APS über ATP-Sulfurylase

APS-Reduktase

• Nitrat

• Nitrit

• Stickstoffmonooxid? (Stickoxid)

• Lachgas (Distickstoffmonooxid)

• N2

Im Cytoplasma

• Reduktiver Krebs-Zyklus

• Acetyl-CoA-Weg

• findet in anaeroben Sedimenten und im Faulschlamm statt

• Häufig in marinen Sedimenten

• Bildung Schwefelwasserstoff

  • stinkt (Watt)

  • wird zu Eisensulfid, was das Sediment schwarz färbt

    • Korrosiv: anaerobe Eisenkorrosion

    • Eisenrohre im Sediment als Elektronendonor, Fe0 wird verbraucht und hinterlässt Korrosion

• Bildung Schwefel

1. unvollständige Oxidierer

   • Abbau nur bis Acetat (ausgeschieden)

2. Vollständige Oxidierer

   • verwerten auch Acetat (teilweise auch Benzoat)

• aktivieren Sulfat mit ATP zu APS durch ATP-Sulfurylase

  • Reduktion zu Sulfit durch APS-Reduktase

  • Sulfit durch Sulfitreduktase mit Dsr zu Sulfid reduziert

• Strikt anaerob

• Enthalten Cytochrome in der Atmungskette

• Benötigen sehr negatives Redoxpotenzial des Donators zum Wachstum, da Sulfat kein guter Akzeptor ist (-400 mV)

• Elektronendonatoren:

  • Lactat

  • Malat

  • Propionat

  • Ethanol

  • H2

• 2 physiologische Gruppen (unvollständige und vollständige Oxidierer)

• Reduktion von Fe(III) bei pH 7: +200 mV

• Aber: Fe(III) praktisch unlöslich

  • Nanowires (Drähte, Pili)

  • Anheften

  • Elektronenshuttle (Huminstoffe)

  • Chelatoren zu kostenintensiv!

• Marin limitierender Stoff

• Redoxpotenzial der Reduktion von Fumarat: +33mV

• Skalarer Protonentransport: Protonen an Außenseite freigesetzt

• Vektorieller Protonentransport: Protonen beim Elektronendurchgang gepumpt

• Wollinella

• Redoxpotenzial der Reduktion von Sulfid zu Schwefelwasserstoff: -270 mV

Symbiose auf Nahrungsebene

Beispiel: Konsortium mit S/H2S als Shuttle (extrazellulärer Elektronentransfer)

• Desulfuromonas acetoxidans

  • Oxidiert Acetat

  • Reduziert Polysulfat zu Schwefe

• Chlorobium (Gattung)

  • oxidiert Schwefelwasserstoff zu Schwefel

  • Fixiert CO2

  • PS

• Redoxpotenzial von Arsenatreduktion: +139 mV

• Mit Schwefelwasserstoff zu Arsenit

  • an Sulfatreduktion gekoppelt

• Biolumineszenz

Probe:

• anaerobes marines Sediment

Medium:

• Sulfat

• Kein anderer Akzeptor

• Anoxisch

• Donor: Laktat, Acetat, Ethanol (gleichzeitig C-Quelle)

  • anorganischer Donor: H2 + C-Quelle

Isolieren:

• Verdünnungsreihe und Flüssigmedium

  • ungern auf Oberflächen

Superoxidreduktase (Rubredoxin-Oxidoreduktase)

• reduziert Sauerstoff und Protonen zu Wasserstoffperoxid und oxidiert Rubredoxin

Peroxidase

• reduziert Wasserstoffperoxid zu Wasser und oxidiert NADH

• mit Rubrerythrin und Nigerythrin

Superoxidismutase (SOD)

• Reduziert zwei Sauerstoffradikale zu Wasserstoffperoxid und Sauerstoff

Katalase

• reduziert zwei Wasserstoffperoxid zu zwei Wasser und Sauerstoff

Nachweis der Katalase in Mikrobenkultur

• vermischen Kultur mit Wasserstoffperoxid

• sofortiges Auftreten von Gasblasen: Katalase vorhanden aufgrund Vorhandensein von Sauerstoff

  • aerobe Bakterien mit Katalase

Aerobe: Superoxidismutase + Katalase

Anaerobe: Superoxidreduktase + Peroxidase

• Nitratoxidation höheres Redoxpotenzial

  • mehr Energie

  • Keine Aktivierung notwendig, bei Sulfat Aktivierung mit ATP zu APS

  • Besserer Akzeptor, wird zuerst verbraucht

• Nitratatmer fakultativ anaerob, Sulfatatmer strikt anaerob

• Elektronenakzeptoren

• Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase

• Butyrat (Buttersäuregärung)

• chemotropher Stoffwechsel (Redoxreaktion), bei welcher der terminale Elektronenakzeptor nicht Sauerstoff ist

• Nitratreduktase: integrales Membranprotein

• Nitritreduktase: periplasmatisches Protein

• Nitritoxid-Reduktase: integrales Membranprotein

• Stickstoffdioxid-Reduktase: periplasmatisches Protein

= Elektronentransport gegen Redoxgefälle, später in Elektronentransportkette eingeschleust und rückwärts auf NAD+ anstatt auf Akzeptor übertragen

• findet statt wenn Standredoxpotenzial des Donors zu positiv zur Reduktion von NAD+ ist (v.a. bei anorganischen Substraten)

• NADH wird zum Aufbau von Biomasse benötigt

• Organismen mir H2 als Donor benötigen keinen rückläufigen Elektronentransport, da Standartredoxpotenzial von H2 negativ genug ist um NAD+ zu regenerieren