Anaerober Abbau organischer Substanzen Flashcards
Welche Endprodukte kennzeichnen aeroben Abbau? Wie erfolgt die Energiekonservierung?
Co2 und H2O, aerobe Atmung
Welche Endprodukte kennzeichnen den anaeroben Abbau? Wie erfolgt die Energiekonservierung?
CO2 und Methan, anaerobe Atmung und Gärung
Welcher organische Naturstoff ist unter anoxischen Bedingungen nicht abbaubar?
Lignin
Nenne Beispiele für natürliche anoxische Standorte von Bakterien
Böden, Sedimente (Meere, limnisch), eutrophe Gewässer, Verdauungssysteme, Biofilme
Nenne Beispiele für anthropogene anoxische Standorte
Kläranlagen (Faultürme), Biogasanlagen
Was kennzeichnet Gärung?
Disproportionierung, Substratstufenphosphorylierung
Substratstufenphosphorylierung
ATP-Generierung ohne Elektronentransportkette, Übertragung des Phosphats von einer energiereichen Zwischenverbindung auf das ATP
Was kennzeichnet Atmung?
vollständige Oxidation, oxidative Phosphorylierung
oxidative Phosphorylierung
Bildung von ATP, gekoppelt mit den Reaktionen der Atmungskette. Die Energie, die durch den Elektronenfluss vom Substrat zum Sauerstoff über die Atmungskette zur Verfügung steht, treibt die Synthese von ATP aus ADP und Pi an
Wann ist vollständige Oxidation zu CO2 auch unter anaeroben Bedingungen möglich?
wenn Elektronenakzeptor vorhanden ist
periphere Stoffwechselwege
Umwandlung von diversen Verbindungen einer Substanzklasse in eine oder mehrere zentrale Intermediate
zentrale Stoffwechselwege
Umwandlung der zentralen Intermediate in Verbindungen in Carbonsäuren des zentralen Energiestoffwechsels (Pyruvat, Acetat, Intermediate des Citratzyklus)
Wo gibt es in der Umwelt aromatische Verbindungen?
Lignin, Sekundärstoffe (Pflanzen), aromatische Aminosäuren, Erdöl, synthetische Substanzen (Medikamente, Pestizide, Weichmacher..)
Zu welchem zentralen Intermediat werden Aromaten anaerob abgebaut?
Benzoyl-CoA
Mit welchem Enzym wird Benzoyl CoA reduziert und aus welchem Bakterium könnte es stammen (Beispiel)?
ATP-abhängige Benzoyl-CoA-Reduktase, Thauera aromatica, 2 Ferredoxin (red) werden oxidiert
Welche Bakterien haben noch eine Benzoyl-Reduktase? Was ist daran besonders?
gärende, eisen- oder sulfatreduzierende Bakterien, ATP-unabhängig: Elektronen kommen von Fd (red) -> Elektronen-Bifurkation
Elektronen-Bifurkation
die 4 Elektronen von Fd (red) werden gegabelt zu Benzoyl-CoA und NAD+
Woher kommen Alkane und Aromaten in der Umwelt hauptsächlich?
Erdgas, Rohöl, Raffinerie-Produkte
Was ist BTEX?
Aromaten: Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol
Wie kann der anaerobe Abbau von aromatische Kohlenwasserstoffen initiiert werden (3 Wege)?
Addition von Fumarat, Hydroylierung mit Wasser, Carboxylierung mit CO2
Wie funktioniert die Aktivierung von Kohlenwasserstoffen durch Fumarat-Addition?
Eine Aktivase erstellt ein Glycylradikal, welches aus Toluol ein Substatradikal macht, daran kann dann Fumarat addiert werden zu einem Succinyladdukt; Fumarat kann auch an -Hexan addiert werden (wird zu einem Succinat)
Wie entsteht Methan?
Methanogene Archaea, geochemisch: Methan-Depositionen (Ablagerungen), Endprodukt des anaeroben Abbaus von Biomasse
Bedeutung von Methan
Erdgas, Biogas (Hauptbestandteil), Treibhausgas
Wie wird Methan aerob abgebaut? MO? Schlüsselenzym?
zu Methanol - Formaldehyd - Amerisensäure -CO2 (methanotrophe Bakterien: Methanmonoxoygenase)
Wo wird Methan anaerob oxidiert?
marine Standorte (Gashydrate)
Woran ist anaerobe Methanoxidation gekoppelt?
Sulfatreduktion , Nitritreduktion
Syntropher Prozess der Sulfatreduktion und Methanoxidation (Modell)
Methan zu CO2 und H2O oxidiert von methanotrophen Archaea und Sulfat zu S, das zu Polysulfid wird, Bacteria disproportionieren HS2- zu HS- und Sulfat (es wird Energie frei)
Anaerobe Methanoxidation gekoppelt an Nitritreduktion
unvollständige Denitrifikation und vollständige aerobe Methanoxidation (Methanmonooxygenase), Sauerstoff wird endogen als CoSubstrat gebildet
Wie können die Elektronen aus der Zelle auf unlösliche extrazelluläre Eisenoxide übertragen werden?
direkter Kontakt über Redoxproteine (äußere Membran), Nanowires (Pili), Elektronenshuttle, Siderophore (Chelatbildner), Redox-Cofaktoren in Biofilmen
Syntrophie, Beispiel?
Prozesse, die von einem Organismus ablaufen, werden vom anderen weiterverarbeitet, z.B. Methanogene und sekundäre Gärer; Methanogene Archaea mit Sulfatreduzierern (Methanogene entziehen Wasserstoff - thermodynamisch günstig)
Huminstoffe
komplexe organische Verbindungen, die aus Resten der Zersetzung entstehen (unvollständiger Abbau von Wald, Laub, Holz), können polymerisieren und sind schlecht bioverfügbar
Dehalorespiration
Halogenierte organische Verbindungen als Elektronenakzeptor (abspalten von Halogenverbindungen aus organischen Verbindungen (Aufbau von Protonengradienten)
Was machen (photo)autotrophe Organismen?
fixieren CO2 zur Bildung von Biomasse
Was machen organoheterotrophe Organismen?
bauen Biomasse ab unter CO2-Freisetzung
Woher kam der erste Sauerstoff in der Atmosphäre?
oxygene Cyanobakterien
vergleiche Aeroben Abbau mit anaerobem Abbau allgemein (Abbauwege gleich/unterschiedlich, wann vollständige Oxidation zu CO2, wo sind fundamentale Unterschiede?)!
- viele Abbauwege weisen kaum fundamentale biochemische Unterschiede auf
- vollständige Oxidation zu CO2 unter anaeroben Bedingungen nur, wenn Elektronenakzeptor vorhanden ist
- fundamentale biochemische Unterschiede bei Substanzen, bei denen unter aeroben Bedingungen molekularer Sauerstoff als co-Substrat eingebaut wird (Abbau von Aromaten und Kohlenwasserstoffen)
Was sind Gashydrate?
entstehen unter hohem Druck bei niedrigen Temperaturen: Atome oder Moleküle wie Methan sind in strukturell bedingten Hohlräumen gebunden, die durch Wasserstoffbrücken verknüpft sind (Wassermoleküle)
Was ist die sulfate-methane-transition-Zone an marinen Standorten?
über Gashydraten: anaaerobe Methanoxidation gekoppelt an Sulfatreduktion
Standorte, wo anaerobe Methanoxidation beobachtet wurde?
Hydrate Ridge (Oregon), Schwarzes Meer -> in Gashydraten
Modell zur Methanoxidation gekoppelt an Sulfatreduktion (wer macht was?)
Archaea: oxidieren Methan und reduzieren Sulfat zu S
S wird zu Polysulfid (HS-2), Bacteria disproportionieren es zu Sulfid und Sulfat
An welchem Standort kommt anaerobe Methanoxidation gekoppelt mit Nitritreduktion vor und welcher MO macht es?
Gräben landwirtschaftlicher Felder: viel Nährstoffeintrag durch Gülle, Methylomirabilis
Methanogenese
mikrobielle Bildung von Methan
Redoxzonierung
Öl läuft unter den Grundwasserhorizont, außen aerobe Atmung, dann Nitratreduktion, dann Mn/Fe-Reduktion, dann Sulfatreduktion, dann Methanogenese (Anzahl der MOs nimmt von außen nach innen ab)
Wie könnte extrazellulärer Elektronentransport über Typ IV-Pili aussehen?
Pilin polymerisiert, Metall bindet, wird reduziert, dann freigesetzt, wenn Pilus wieder depolymerisiert wird
Erkläre eine biologische Batterie
MO geben Elektronen an Anode ab, die dann an Kathode wieder abgegeben werden können
Was weiß man über ein Cable Bacteria Filament?
entdeckt in marinen Sedimenten: Verbindung (gehört zu mehrzelligem Mikroorganismus) zwischen anoxischem und oxischem Milieu: unten Sulfatoxidation (durch Sulfatreduzierer viel H2S, das gut mit O2 reagiert), Elektronen kommen durch “Kabel” (oben Reduktion von Sauerstoff), das elektrisch isoliert ist
-zahnradartige Struktur, es ist unklar, wie die Elektronen transportiert werden
Beispiel für Dehalorespiration
Perchlorethylen (Entfettung, chemische Reinigung) kann reduktiv dechloriert werden (Entstehung von HCl) zu Tetrachlorethylen - Dichlorethylen - Vinylchlorid - Ethen
