Umweltmikrobiologie

Übersichtsplan zur Lehrveranstaltung

A. Ziel der Lehrveranstaltung:

In der Lehrveranstaltung sollen verschiedene Wege der mikrobiellen Energiegewinnung vorgestellt und daran gezeigt werden, wie diese zugleich zum Turnover und Recycling von Stoffen in der Natur beitragen. An ausgewählten Beispielen soll illustriert werden, wie diese Leistungen auch (umwelt)technisch genutzt werden können. Das Gelernte soll durch kleine Übungsaufgaben abgesichert werden werden.

B. Empfohlene Literatur zur Vor- und Nachbereitung

• Antranikian, G. (2006) Angewandte Mikrobiologie (einzelne Kapitel zum Stoffwechsel, Umweltthemen); 40€
• Cypionka, H. (2010) Grundlagen der Mikrobiologie, 30 €
• Janke, H.D. (2008) Umweltbiotechnik (insbes. für Anwendungs-Beispiele interessant); 40 €
• Madigan, M.T. Martinko, J.M., Parker, J.: Brock- Biology of Microorganisms. Prentice Hall, International Edition , neueste Auflage (alternativ deutsche Ausgabe 2008, gebunden 90.-€)
• Munk, K. (2008) Taschenlehrbuch Biologie: Mikrobiologie, Thieme Verlag; 30 €
• Fuchs et al (2007) Allgemeine Mikrobiologie. ThiemeVerlag; 55 €
• Reineke, W., Schlömann, M. (2007) Umweltmikrobiologie. Spektrum Akademischer Verlag (insbes. für Schadstoffabbau interessant); 34,50 €

C. Themengliederung:

1. Einführung: Warum Umweltmikrobiologie ?
– Notwendigkeit von Stoffkreisläufen: nichts ist umsonst
– Energiequellen, Energiegehalt, Energienutzung, Photosynthese und Energieumwandlung als „driving force“
– Themenbereich Umweltmikrobiologie, Umweltbiotechnik

2. Players in the field: Böden und Gewässer als Mikrohabitat;
– Das Saprophagen-Nahrungsnetz: Rolle von Tieren beim Abbau von Biomasse in Böden und Gewässern, Streuabbau
– Morphologische und physiologische Charakteristika mikrobieller Lebensgemeinschaften
– unerwünschte troublemaker – Vorkommen pathogener Keime
– Nachweismethoden „in the field“
– Mikrobielle Symbiosen, z.B. Mykorrhiza

3. Biochemie des Abbaus organischer polymerer Naturstoffe
– Exoenzyme im Biotop; Rolle von Pilzen und Bakterien;
– Exoenzymaktivität als Indikator für Biomassepräsenz
– Abbau von Biopolymeren: Cellulose, Xylan, Chitin und anderen (Hetero-) Polysacchariden; Abbau von Proteinen und Fetten
– Abbau von Lignin und anderen aromatischen Naturstoffen
– Biomasse als Ressource: Mengen, Nutzungsmöglichkeiten

4. Energetische Bewertung mikrobieller Umsatzprozesse
– Möglichkeiten zur ΔG-Berechnung
– Formen der Energiespeicherung

5. Aerobe Mineralisierung organischer Substrate
– Glykolyse und Atmung,
– Energieausbeute: Berechnung mit Redoxpotential; ATP-Bilanz
– Methoden der Atmungsmessung: Manometrie, Sapromat, Sauerstoffelektroden
– Abbau von Fetten und Proteinen, Vernetzung mit anabolischen Stoffwechselwegen
– Technische und ökologische Nutzung von Atmungsprozessen
– Abbau von Schadstoffen

6. Abbau organischer Verbindungen über anaerobe Atmung
– Anaerober („anoxischer“) Abbau organischer Substanzen mit Hilfe alternativer terminaler Elektronenakzeptoren (Nitrat, Sulfat oder Eisen..)
– ökologische und technische Bedeutung von Denitrifikation, Desulfurikation und Eisenreduktion
– anaerobe Biotransformationen von Schadstoffen, Natural attenuation,

7. Anaerober Abbau durch Gärung und Methanbildung:
– Energieausbeute: Berechnung mit Redoxpotential; ATP
– Nahrungsketten und Kooperationen bis zur Methanbildung;
– thermodynamische Besonderheiten
– natürliche und technische Biotope der Methanbildung (Sedimente, Pansen, Reisfelder, Faulturm..)

8. Oxidation energiereicher anorganischer Verbindungen
– Chemolithotrophie: aerobe und anaerobe Nutzung anorganischer Energiequellen (Ammonium, Schwefel, Eisen, Wasserstoff)
– Mechanismen der autotrophen Kohlenstoffassimilation;
– ökologische und technische Bedeutung von Nitrifikation, Sulfurikation oder Eisenoxidation in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen,
– Praxisrelevanz in der Abwasserreinigung oder für mikrobielle Korrosionsprozesse

9. Licht als Energiequelle (falls noch Zeit)
– oxygene Photosynthese und CO2-Assimilation
– anoxygene Photosynthese

10. Zusammenfassung:
– Vernetzung von Stoffkreisläufe in verschiedenen Biotopen
– der Kohlenstoffkreislauf, Humusbildung im Boden als C-Reservepool
– der marine Stickstoffkreislauf, N-Kreislauf im Boden
– Schwefel-, Eisen und Phosphatkreislauf in Gewässern

D. Prüfungsleistung:

Klausur am Ende des Semesters