Vorlesung 3 Flashcards
Grundlagen der biologischen Stoffumwandlung Teil 1
Was passiert beim aeroben Abbau bzw. beim Umbau organischer Substanzen?
- Verbleib eines reduzierten Organikanteils
- Entstehung von H2O, CO2, Wärme
- Verringerung des Gehalts an pathogenen Mikroorganismen
- Reduktion von Volumen, Gewicht, Geruchspotential und Wassergehalt?
Zu was können die ablaufenden Prozesse der Kompostierung zugeordnet werden?
Die bei der Kompostierung ablaufenden Prozesse sind Bestandteil des natürlichen Stoffkreislaufs.
Welche Organismen des aeroben Stoffabbaus kommen zum Einsatz?
Bakterien (u.a. Actinomyceten), Pilze und Metazoen
- Bakterien (insbesondere Actinomyceten) leisten den überwiegenden Teil der Umsetzungsprozesse
- Spezielle Pilzarten setzen schwer abbaubare Verbindungen um (z.B. Lignin, Cellulose)
- Würmer, Insekten und Spinnentiere treten erst in der letzten Phase des Rotteprozesses auf -> Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften des reifen Kompostes
Nenne weitere Rotteorganismen.
- Bakterien
- Hefen
- Aktinomyceten
- Algen
- Pilze
- Protozoen
Wie beeinflussen Kompostwürmer das Kompostvolumen?
Wurmkompostierung reduziert das Ausgangsvolumen auf bis zu 15%, normale Kompostierung nur auf ca. 35%.
Welche Rolle spielen Mikroorganismen?
- Universelle Ab- und Umbaufähigkeiten im Naturstoffkreislauf aber auch von Xenobiotika (z.B. Dioxine)
- kein Leben ohne Mikroorganismen (z.B. Darmbakterien)
- Schluss von Natur- und Stoffkreisläufen
Wie entwickelt sich die Populationen während der Kompostierung?
Je nach Wachstumsbedingungen wechseln sich verschiedene Populationen ab
Welche Folgen haben ungünstige Bedingungen bei der Kompostierung?
Manche Bakterien (z.T. auch Krankheitserreger) sind in der Lage, unter ungünstigen Bedingungen Dauerformen (Endosporen) zu bilden, mit Resistenz gegenüber
- Austrocknung
- hohe Temperaturen
- Strahlung
- Desinfektion
Welche Aussage erlauben Form und Größe der Bakterien über die Stoffwechselleistungen?
Form und Größe erlauben keine Aussage über Stoffwechselleistungen
Welche Formen bilden Kokken?
- Ketten
- Flächen
- Pakete
- Haufen
Welche Formen bilden Stäbchen?
- Ketten
- Palisaden
- umhüllte Ketten
- verzweigte Fäden
Welche Formen bilden Spiralen?
- Vibrio (rigide)
- Spirille (rigide)
- Spirochäte (flexibel)
Wie schwanken die Sporenkonzentrationen in Abhängigkeit der Tages- und Jahreszeit?
Jahreszeit:
Peak im Juli/August (insgesamt von Ende April bis Anfang Oktober)
Tageszeit:
Zur Mittagszeit am höchsten
Welche Einflussfaktoren gibt es für den biologischen Abbau?
- Wassergehalt (40 - 50% Feuchte)
- pH-Wert
- Temperatur
- Nährstoffe und Spurenelemente
- Redoxpotential (Oxidation/Reduktion)
- Abwesenheit von Hemmstoffen
Was sind Enzyme?
- Katalysatoren des Stoffwechsels
- Bestehend aus Eiweißmolekülen
- Reaktionen können reguliert werden durch Konzentration des Substrates
- Reaktionen können gehemmt werden (meist reversibel, jedoch zum Teil auch irreversibel
Was ist die Wasseraktivität und wie setzt diese sich zusammen?
- Wasseraktivität (aW-Wert): Maß an ungebundenem und locker gebundenem Wasser
- aW-Wert = p/p_0
- je größer der aW-Wert, desto schneller verderben Lebensmittel
Wie liegt das Wasser im Substrat vor?
Wasserfilm um Partikel mit Mikroorganismen und extrazellulären Enzymen
Wie verändert sich der Wassergehalt in Abhängigkeit der Zeit?
Der Wassergehalt sinkt mit zunehmendem Fortschreiten der Zeit.
Was passiert bei einem aW-Wert unter 0,6?
Kein Wachstum möglich für Mikroorganismen
Welcher pH-Wert ist für die Mikroorganismen optimal?
pH-Wert. neutraler Bereich optimal bei 6,5-8,5
Ist die Belüftung wichtig?
Ausreichende Belüftung muss u.a. durch Umsetzen gewährleistet sein, da Sauerstoff als Reaktionspartner erforderlich ist
Welche Einflussfaktoren beeinflussen die Temperatur?
- Chemische Zusammensetzung des Ausgangsmaterials
- Wassergehalt (aW-Wert)
- Partikelgröße
- Sauerstoffversorgung
- Umsetzhäufigkeit
- Ableiten von Wärme durch Verdunsten (90%) (Verhindert Selbstentzündung)
gut gemischt ist halb kompostiert
Welche Temperatur ist für Bioprozesse optimal?
15-50°C
Was passiert bei zu hohen und was bei zu niedrigen Temperaturen?
Zu niedrige Temperaturen:
- Stoffwechselprozesse verlangsamt
Temperaturen über 50-60°C:
- Proteine der meisten Organismen denaturieren
Wie werden die Temperaturbereiche für Mikroorgnaismen eingeteilt?
Psychrophil:
- Minimum: -10-0
- Optimum: 15-20
- Maximum: 20-30
mesophil:
- Minimum: 10-25
- Optimum: 20-42
- Maximum: 35-50
thermophil:
- Minimum 30-50
- Optimum: 50-65
- Maximum: 60-95
In welchem Temperturbereich spricht man von Thermotolerant und wann von Strikt/obligat thermophil?
- Thermotolerant: 20-50°C
- Strikt/obligat thermophil: > 60°C
Wie verändert sich die Verwertbarkeit und die Biozönose (Zusammensetzung) im Laufe der Zeit?
Verwertbarkeit:
- nimmt ab, also von leicht nach schwer
Biozönose (Zusammensetzung):
- von spontan nach adaptiv
Wie verändert sich der Milieuzustand im Laufe der Zeit?
aerob:
Am Anfang Ammonifikation und Nitrifikation. Später oxidativer Stoffumsatz
anaerob:
Am Anfang Ammonifikation, Denitrifikation und Methanisierung. Später reduktiver Stoffumsatz
Nenne die Hautbestandteile von Biomüll, sowie die enthaltenden Spurenelemente.
Hauptbestandteile von Biomüll = Hauptbestandteile von Lebewesen.
- C, O, H, N, P, S, Ca, Mg, K
- Spurenelemente: Cl, Na, Fe, Mn, Cu
Welche größeren Mengen sind in Bioabfällen enthalten?
In Bioabfällen sind größere Mengen an Gerüstsubstanzen (Holz, Cellulose etc.) enthalten
Welcher Aspekt ist besonders wichtig, damit der Abbau gewährleistet ist?
Ein optimales C/N Verhälntnis ist wichtig.
Nährstoffe stehen z.T. nicht ausreichend für einen weitgehenden biologischen Abbau zur Verfügung (z.B. zu niedriges C:N-Verhältnis)
Keine Ahnung welche Frage dazu passt
Was ist die Triebfeder für den Abbau organsicher Verbindugen durch MO?
Die Triebfeder für den Abbau organischer Verbindungen ist die Energiegewinnung. Energie, die sie zur Vermehrung benötigen.
Wovon ist der Grad des Abbaus abhängig?
Bis zu welchem Grad der Abbau erfolgt ist abhängig von
- der Art der abzubauenden Substanz,
- den Organismen,
- den Milieubedingungen.
Was entsteht bei einem vollständigen Abbau?
Findet ein vollständiger Abbau der organischen Verbindungen statt (Mineralisation), sind die Endprodukte CO2, H2O und Mineralsalze
In welche Energiequellen für Mikroorganismen können unterschieden werden?
Phototroph: Strahlungsenergie der Sonne
Chemotroh (organotroph): organische Verbindungen
Chemotroph (litotroph):
anorganische Verbindungen
Welche Oxidationsmittel gibt es bezüglich des Abbaus des Komposts?
- aerob: O2-Luft
- anoxisch: anorganische Sauerstoffverbindungen
- anaerob: organsiche Verbindungen
Welche C-Quellen gibt es?
- autotroph: CO2
- heterotroph: organsiche Verbindungen
Wobei handelt es sich bei der Kompostierung? Aerober oder anaerober Prozess?
Bei der Kompostierung handelt es sich um aerobe Prozesse
Was versteht man unter Mineralisierung?
Abbau von Humus zu mineralischen Endprodukte
Was versteht man unter Humifizierung?
Zersetzung der abgestorbenen organischen Substanz im Boden, Bildung von Huminstoffen
Was ist bei der Kompostierung insbesdondere von Bedeutung?
Bei der Kompostierung sind insbesondere chemo-organo-heterotrophe Organismen von Bedeutung
Was dient als Energiequelle, Kohlenstoffquelle und Elektrodonator für chemo-organo-heterotrophe Organismen?
Organische Verbindungen (gelöster organsicher Kohlenstoff)
Nenne Beispiele für chemo-organo-heterotrophe Organismen.
- aerobe Bakterien
- Pilze
- Denitrifizierende Bakterien
- Desulfurizierende Bakterien
Durch welche Organismen werden organische Substanzen abgebaut? Gib ein Beispiel für eine solche Substanz an.
Abbau durch chemo-organo-heterotrophe Organismen
Beispiel: C6H12O6 wird zu 6 CO2 und 6 H2O, sowie -2826 kJ/mol
Welche Rolle spielt Glucose beim aeroben Stoffwechsel?
Glucose als Modellsubstrat, da
- Eingangsstoffe der Kompostierung vor allem pflanzlichen Ursprungs und
- Kohlenhydrate Hauptprodukte der Photosynthese sind (Stärke und Zellulose)
Nenne die drei Stufen in denen der vollständige Abbau organsicher Substanzen bis zum CO2 und H2O erfolgt.
Der vollständige Abbau organischer Substanzen bis zum CO2 und H2O erfolgt in 3 Stufen:
- Zerlegung großer Moleküle durch Hydrolyse mittels Enzymen
- Oxidation des organischen Kohlenstoffes und Wasserstoffentzug
- Oxidation des Wasserstoffs mit einem externen Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff)
Welche Schritte werden bei der Kompostierung durchgeführt, um Stickstoff und Distickstoffmonoxid herzustellen?
Ammonifikation: Ammonium -> Ammoniak
Nitrifikation (Aerob): Ammoniak -> Stickstoffdioxid/Nitrat-Stickstoff
Denitrifikation (Anaerob): Stickstoffdioxid/Nitrat-Stickstoff -> Distickstoffmonoxid/Stickstoff
In welches Produkt wird Lignin umgewandelt? Nenne Beispiele für Kohlenstoffquellen.
Lignin wird zu Huminstoffe
Kohelnstoffquellen wären z.B.: Zucker, Polysaccharide (Cellulose)
In welchem Verhältnis sollten C und N in der Biomasse stehen?
C:N = 6:1
Was ist die Ammonifikation?
Freisetzung von NH4 aus organischen Stickstoffverbindungen (Proteinen) und Harnstoff
Nenne eine Reaktion, bei der NH4+ freigesetzt wird.
- CO(NH2)2 + H2O -> 2 NH3 + CO2
- NH3 + H2O + CO2 -> NH4+ + HCO3-
Es handelt sich hier um zwei Reaktionen, die NH4+ als Endprodukt haben
Welche Kohlenstoffquelle wird bei der Nitrifikation genutzt und wie hoch ist die Energieausbeute?
- Kohlenstoffquelle CO2
- gerine Energieausbeute
Wie viel Ammonium wird durch autotrophe und wie viel Glucose durch heterotrophe Bakterien umgesetzte?
Autotrophe Bakterien:
- 30 g Ammonium / 1 g Zelltrockenmasse
Heterotrophe Bakterien:
- 2 g Glucose / 1 g Zelltrockenmasse
Gib die Reaktionsgleichung der Oxidation von Ammonium an.
- Oxidation von Ammonium zu Nitrit (Nitritation)
- NH4 + 1,5 O2 -> NO2- + H2O + 2H+ - Oxidation von Nitrit zu Nitrat (Nitratation)
- NO2- + 0,5 O2 -> NO3-
Welche Bakteriengruppen sind bei der Nitrifikation beteiligt?
- Nitritbakterien: Gruppe NITROSO -> 20 Arten
- Nitratbakterien: Gruppe NITRO -> 7 Arten
Wie viel mol molekularer Stickstoff entsteht aus 1 mol Ammonium?
0,5 mol Stickstoff
Erläutere die Gleichung der Reduktion von Nitrat.
5 CH3OH + 6 NO3 -> 5 CO2 + 3 N2 + 6 OH- + 7 H2O
Mit folgenden Stufen:
NO3 -> NO2 -> NO -> N2O -> N2
Welche Bakteriengruppen sind an der Denitrifikation beteiligt?
- Pseudomonas
- Hyphomicrobium
- Paracoccus
- Thiobacillus u.a.
Vorkommen und Abbaubarkeit von Stärke.
Vorkommen:
- Speichersubstanz in Samen und Wurzeln
Abbaubarkeit:
- schnell; Aerobe Bacillus- und Clostridien-Arten
Vorkommen und Abbaubarkeit von Cellulose.
Vorkommen:
- Zellwandsubstanz höherer Pflanzen
Abbaubarkeit:
- schwer; aerob: Pilze, anaerob: Clostridien
Vorkommen und Abbaubarkeit von Xylan.
Vorkommen:
- Reserve- oder Stützsubstanz
Abbaubarkeit:
- schwer (besser als Cellulose); viele MO
Vorkommen und Abbaubarkeit von Fruktane.
Vorkommen:
- In manchen Pflanzen neben oder anstelle von Stärke
Abbaubarkeit:
- gut
Vorkommen und Abbaubarkeit von Mannan.
Vorkommen:
- Wandsubstanz verschiedener niederer Pflanzen (z.B. Hefe)
Abbaubarkeit:
- Relativ leicht abbaubare Hemicellulose
Vorkommen und Abbaubarkeit von Pektin.
Vorkommen:
- Intrazellulär; in jungem Pflanzengewebe
Abbaubarkeit:
- viele Pilze und Bakterien
Vorkommen und Abbaubarkeit von Lignin.
Vorkommen:
- Nach Cellulose und Hemicellulose am meisten vertreten
Abbaubarkeit:
- Sehr resistent; einige Pilze und Bakterien
Vorkommen und Abbaubarkeit von Chitin.
Vorkommen:
- Stützsubstanz bei Pilzen und im Tierreich
Abbaubarkeit:
- Viele Bakterien und Pilze
Vorkommen und Abbaubarkeit von Protein.
Vorkommen:
- Bestandteil des Zellplasmas
Abbaubarkeit:
- Leicht; Pilze und Bakterien
Vorkommen und Abbaubarkeit von Fett und Wachs.
Vorkommen:
- Pflanzen und Tiere
Abbaubarkeit:
- Gut; Pilze und Bakterien, vorwiegend anaerob
Was ist das wichtigste Zwischenprodukt beim aeroben und anaeroben Abbau?
Pyruvat
Woraus besteht Lignocellulose?
- 45 % Cellulose
- 30 % Hemicellulose
- 25 % Lignin
Was versteht man unter Lignifizierung?
Verholzung
Wozu dient Lignin?
Hauptquelle der Huminsäuren (Grund für die Braunfärbung des Amazonas)
Sortiere die folgenden Stoffe absteigend nach ihrer Abbaubarkeit: Gras, Holz, Stroh
Gras > Stroh > Holz
Wie beeinflusst der Ligningehalt die Abbaubarkeit?
Je höher der Ligningehalt, desto niedriger die Abbaubarkeit.
