Lithotrophe Oxidationen

Anorganischer Elektronendonator (Substrat)

• Photolithotroph: Energie von Sonne

• Chemolithotroph: Energie durch chemische (Redox-)Reaktionen

• Lithoautotroph: anorganische C-Quelle (CO2)

  • Häufig

• aus 2 Teilreaktionen

• Teilreaktionen von unterschiedlichen physiologischen Gruppen durchgeführt

• Auswaschung von Nitrat aus Böden

• Ansäuerung zerstört Gebäude

  • Oxidation zu Nitrat und Salpetersäure (HNO3)

Ammoniumoxidierer

Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira

• Schlüsselenzym: Ammonium-Monooxygenase!

• baut Sauerstoff in Ammonium ein

• Membrangebunden

• Braucht 2 e-

Nitritoxidierer

Nitrobacter, Nitrococcus

• Nitrit-Oxidase

Ammonium-Monoxygenase

Oxidiert Ammoniak zu Hydroxylamin und reduziert Sauerstoff und 2 Protonen zu Wasser

• membrangebunden

• Braucht 2 Elektronen aus Q-Komplex

• Substrat der Umsetzung zu Nitrit ist Hydroxylamin (NH2OH), da NH4+ schwer zu aktivieren ist

  • Hydroxylaminreduktase

  • Eigentliche Energielieferung (4 Elektronen)

• Ammonium-Monoxygenase oxidiert Ammonium mit 2 Elektronen aus Q-Zyklus zu Hydroxylamin

• Hydroxylamin wird von Hydroxylaminreduktase mit Wasser zu Nitrit und 5 Protonen oxidiert

  • 4 Elektronen auf Cyt c übertragen

• 2 Elektronen davon auf Q-Zyklus für Ammonium-Oxigenase

  • abh. Von Protonengradient aufgrund NADH

• 2 Elektronen auf Cyt aa3, welche O2 und Protonen zu Wasser reduziert und 2 Protonen pumpt

• Wasserstoff-Gradient abh. ATPase

• Nitritoxidoreduktase oxidiert Nitrit mit Wasser zu Nitrat und Protonen

• Sauerstoff oxidiert

• Protonengradient für ATPase

Kläranlage

• entfernen Ammonium durch Oxidatzu Nitrat

• Denitrifikation reduziert Nitrat zu N2

1. Sox-System

• zu Sulfat

SQR-Wege (Sulfid-Quinon-Oxidoreduktase):

1. Sulfitoxidase und Sulfit-DH

• Sulfid zu Sulfit und dann zu Sulfat

1. umgekehrte Sulfatatmung mit APS-Reduktase

Anaerobe Ammoniumoxidation

Ammonium (Donor) mit Nitrit (Akzeptor) zu Stickstoff und Wasser

• im Anammoxosom

  • kompartimentiert entstehendes Hydrazin (N2H4)

  • beinhaltet ATPase in Membran

  • Ladderan-FS

Zyklischer Prozess

• Nitritreduktase

  • reduziert Nitrit mit 2 Protonen und 1 Elektron zu Wasser und NO

• Hydrazinsynthase

  • Reduziert Ammonium mit 2 Protonen, 3 Elektronen und NO zu Wasser und Hydrazin

• Hydrazin-DH

  • oxidiert Hydrazin zu N2, 4 Protonen und 4 Elektronen

• Mit Sulfid oder Schwefel

  • zu Sulfat

• meist aerob

• teilweise mit Schwefelspeicher (Riesenbakterien)

• Saurer oder neutraler pH

• Gradientenorganismen

  • zwischen oxisch und anoxisch

  • Bewegen sich zu Substratkonzentrationen/Luft

• teilweise auch Nitratreduktion (Thioploca) mit Nitratspeicher

Periplasmatisches Enzymsystem zur Oxidation reduzierter Schwefelverbindungen

• Elektronen auf Stufe des Cyt c in die Atmungskette

• stufenweise Oxidation von Schwefelwasserstoff

• reverser Elektronentransport für NADH-Produktion möglich

• Protonengradient mit ATPase

Ralstonia eutropha (Cupriavidus necator)

• oxidieren H2 zu 2 e- und 2 H+

• reduzieren (0,5) O2 mit 2 e- und H+ zu Wasser

• Schlüsselenzym: Hydrogenase (oxidiert H2) in Membran

• minimale Atmungskette:

  • Ionentranslozierendes, membranständiges Enzym (Hydrogenase)

  • (terminale Oxidase) Cyt a gibt Elektronen an Sauerstoff ab

  • ATPase

• Cytoplasmatische (lösliche) Hydrogenase reduziert NAD+ für Anabolismus

  • kein reverser Elektronentransport notwendig!

  • Redoxpotenzial von H2 negativer als von NAD+!

Poly-ß-Hydroxybuttersäuren

• Speicherstoff für C in Bakterien

• bei saurem oder neutralen pH

  • saurer pH macht Fe(II) löslich

    • Acidithiobacillus

    • thermoacidophile Archaeen

  • Bei neutralem pH Fe(III) nur an einer Stelle von der Zelle ausgeschieden (Rostfaden)

    • Gallionella

    • 4 Fe(II) + O2 + 4 H+ -> 4 Fe (III) + 2 H2O

    • Fe(III) + 3 (OH)- -> Fe(OH)3

• Fe(II) von Cyt c in äußerer Membran oxidiert

• Cyt c überträgt 2 Elektronen auf Rusticyanin auf der inneren Membran

• Kurze Elektronentransportkette (3 cyt) reduziert Sauerstoff und transloziert Protonen

  • alternativ: reverser Elektronenfluss zur NAD+-Reduktion

• ATPase mit Protonengradient

Erzlaugung mit Acidithiobacillus

• oxidiert Fe(II) von Pyrit (FeS2)

• Metallsulfid oder elementarer Kupfer wird so freigesetzt

• Boden kann sauer werden

• Boden kann mit giftigen Metallen verseucht werden

Ohne Protonentransport würde kein Gradient entstehen bzw. aufrecht erhalten werden und so auch keine Energie konserviert werden?

Nitrosococcus: Ammoniumoxidation

Nitrobacter: Nitritoxidation

Ammonium-Monoxygenase

• aktivieren Ammonium mit Sauerstoff und meist NADH zu Hydroxylamin (NH2OH)

• Integrales Membranprotein in Membranstapel

Substrat: NH4 + NO2-

Produkt: N2 + 2 H2O

Anammoxosom:

• kompartimentiert Hydrazin (N2H4)

• Membrankompartimentiert (Bilayer)

• Ladderan-Fettsäuren

• Fibrillär

• für Biomasse-Aufbau

1. CuS (schwer löslich) wird zu CuSO42– (leicht löslich) oxidiert

(S-Oxidation d. Acidithiobacillus thiooxidans etc.)

2. Fe3+ wirkt stark oxidierend (Fe-Oxidation d. Acidithiobacillus ferrooxidans etc.)

3. Cu2+ wird mit Fe(0)-Schrott zu Cu reduziert, fällt aus

4. Fe2+ wird oxidiert