Elemkörforgalmak a földi

ökoszisztémában

Készítette: Gruiz Katalin

a Környezeti mikrobiológia és

ökotoxikológia c. tárgyhoz

Szénkörforgalom a földi

ökoszisztémában

SZÁRAZFÖLDholt szag, humusz: 2 000szén, kőolaj, földgáz: 5-10 000karbonát: 20 000 000

TENGERoldott szag: 1 000

0,5

üledék

Növény: 550 CO238 000

105120

5

6060

5

102

MM

M

ATMOSZFÉRA725

C tartalom ill. tartalék * 10 9 t C áram nyilakon: * 109 t/év C tartalom ill. tartalék * 10 9 t C áram nyilakon: * 109 t/év

Mikroorganizmusok szerepe a szénkörforgalomban

légzésSzerves anyagCH4 CO2

AEROB

ANAEROB

fotoszintézis

Erjedési termék és H2Nitrátredukció

szulfátredukciómetanogenézis és acetogenézis

légzésSzerves anyagCH4 CO2

AEROB

ANAEROB

fotoszintézis

Erjedési termék és H2Nitrátredukció

szulfátredukciómetanogenézis és acetogenézis

légzésSzerves anyagCH4 CO2

AEROB

ANAEROB

fotoszintézis

Erjedési termék és H2Nitrátredukció

szulfátredukciómetanogenézis és acetogenézis

erjedés

Szénkörforgalom

Légzés: 6 O2 + C6H12O6 6 CO2 + 6 H2O

Fotoszintézis: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

Aerob lebontás: holt szerves anyag, cellulóz, lignin, kőolaj, szerves szennyezőanyagok, xenobiotikumok lebontása

Anaerob lebontás: anaerob légzés, erjedés

Légzés: 6 O2 + C6H12O6 6 CO2 + 6 H2O

Fotoszintézis: 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

Aerob lebontás: holt szerves anyag, cellulóz, lignin, kőolaj, szerves szennyezőanyagok, xenobiotikumok lebontása

Anaerob lebontás: anaerob légzés, erjedés

Aerob és anaerob biodegradáció

Aerob biodegradáció: cukrok, keményítő, cellulóz, lignin

Anaerob biodegradáció: erjedés, fakultatív és obligát anaerobok

Obligát anaeroboknál hiányzik a kataláz:

2O2- + 2H+→ szuperoxid dismutáz→ H2O2 + O2

H2O2 → kataláz→ H2O + ½ O2

Az erjedésaz anaerob táplálékláncok bevezető lépése

Másodlagos erjesztés: acetogenézis, metanogenézis

Az erjesztő baktériumok az etanolt, a vajsavat vagy a propionsavat acetáttá éshidrogénné erjesztik. Szoros együttműködésben vannak a H2-t hasznosítómetanogén baktériumokkal.

Syntrophobacter wolfei: vajsav→ acetát + H2

Erjedési folyamatok

CUKOR

Piruvát

Acetil-CoA

EnterobaktériumokClostridiumok

Tejsavas erjedés Propionsavas erjedés

laktát, etanolpropionát

szukcinát

formiát

acetoin

2,3-butándiol

acetát

etanol

H2

CO2 CO2

acetát

etanol

aceton

isopropanol

butanol

butirát

CO2

Acetil-CoAC4

CUKOR

Piruvát

Acetil-CoA

EnterobaktériumokClostridiumok

Tejsavas erjedés Propionsavas erjedés

laktát, etanolpropionát

szukcinát

formiát

acetoin

2,3-butándiol

acetát

etanol

H2

CO2 CO2

acetát

etanol

aceton

isopropanol

butanol

butirát

CO2

Acetil-CoAC4

Aerob és anaerob légzésfajták

redoxpot

aerob

anaerob

+0,8

+0,4

- 0,3

Szénhidrát + O2 légzés CO2 + H2O

Ammónium + O2 nitrifikáció NO2/NO3 + H2O

Szénhidrát + NO3 nitrátlégzés N2O/N2 + H2O

Zsírsav, H2 + SO42- szulfátlégzés acetát, CO2, H2S

H2 + CO2 karbonátlégzés acetát + H2Oacetogenézis*

H2 + CO2 karbonátlégzés metán + H2Ometanogenézis**

*Clostridium acetogenum/thermoaceticum, **Archaebacteria: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, stb

redoxpot

aerob

anaerob

+0,8

+0,4

- 0,3

Szénhidrát + O2 légzés CO2 + H2O

Ammónium + O2 nitrifikáció NO2/NO3 + H2O

Szénhidrát + NO3 nitrátlégzés N2O/N2 + H2O

Zsírsav, H2 + SO42- szulfátlégzés acetát, CO2, H2S

H2 + CO2 karbonátlégzés acetát + H2Oacetogenézis*

H2 + CO2 karbonátlégzés metán + H2Ometanogenézis**

*Clostridium acetogenum/thermoaceticum, **Archaebacteria: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, stb

aerob

anaerob

+0,8

+0,4

- 0,3

Szénhidrát + O2 légzés CO2 + H2O

Ammónium + O2 nitrifikáció NO2/NO3 + H2O

Szénhidrát + NO3 nitrátlégzés N2O/N2 + H2O

Zsírsav, H2 + SO42- szulfátlégzés acetát, CO2, H2S

H2 + CO2 karbonátlégzés acetát + H2Oacetogenézis*

H2 + CO2 karbonátlégzés metán + H2Ometanogenézis**

*Clostridium acetogenum/thermoaceticum, **Archaebacteria: Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, stb

Metánkörforgalom

aerob

anaerob

atm

osz f

éra

vize

k és

tala

jok

Acetát, H2

CO2

CH4 + CO2

metanogén baktériumok

metanotróf baktériumok

CH4CO2

biomassza

Fotokémiai oxidációfelezési idő: 12-17 év

párolgás

foto

szin

t

aerob

anaerob

atm

osz f

éra

vize

k és

tala

jok

Acetát, H2

CO2

CH4 + CO2

metanogén baktériumok

metanotróf baktériumok

CH4CO2

biomassza

Fotokémiai oxidációfelezési idő: 12-17 év

párolgás

foto

szin

t

Acetogenezis és metanogenezis

Acetogén baktériumok: obligát anaerob acetogén (nem= ecetsavbaktérium).

Karbonátlégzés: 2CO2 + 4H2 →→→→ CH3COOH + 2H2O. A CO2 a terminális elektronakceptor, a H2 anaerob oxidációjához (légzés).

Clostridium acetogenum, Clostridium thermoaceticum

Metanogenézis: a biogáz termelés alapfolyamata. Metán az üvegház hatásért felelős gáz. 400 x 106 t/év, ebből 90 x 106 t/év a kérődzők metán termelése.

Az acetát a metántermelés köztiterméke.

4H2 + CO2 →→→→ CH4 + 2H2O CH3COOH + 2H2O →→→→ CH4 + CO2

Archeabacteria, Archea: sajátos evolúció eredményei, eltér az eubaktériumoktóla sejtfal, a membrán és az anyagcsereutak is.

Methanibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Metha-no-spirillum, Methanothermus

Az acetátot is képes hasznosítani a Methanisarcina és a Methanotrix

Metanotrófok

Metanotrófok: a metánkörforgalomban a metán energiaforrásul történőhasznosítását végzik.

Aerob metanotróf vagy metilotróf baktériumok, melyek a metánt, a metanolt, a metilamint, a formiátot és a formamidot is képesek hasznosítani: talajban, vizekben.

Baktériumok: Methylosynus, Methylocistis, Methylobacter, Methylococcus

Metanotróf gombák: Candida boidinii, Hansenula polymorpha

Kőolajszármazékok lebontása

Aerob vagy fakultatív anaerob baktériumok:Pseudomonas, Acinetobacter, Bacillus, Nocardia, Rhodococcus, Mycobacterium, Corynebacterium, Flavobacterium, Beijerinckia, Aktinomicéták, pl. Acinetobacter calcoaceticus,

Anaerob baktériumok: nitrátredukálók: Pseudomonasok, Moraxella, szulfátredukálók: Desulfobacterium, Rhodopseudomonas,

Gombák: Candida, Rhodotorula, Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Cununghamella, Rhizoctonia,

Xenobiotikumok lebontása

CCl4 és CHCl3: Acetobacterium woodii, kometabolizmussal: Methylophylus, Mathylobacterium,

Triklóretilén és tetraklóretilén : Pseudomonas putida, Xanthobacteraurotrophycus, Xanthomonas

Klór-légzés: HCl termelés ATP képzés mellett, reduktív dehalogénezés: általában keverék-tenyészetek képesek csak rá.

Klórozott aromások lebontása: Pseudomonas, Arthrobacter, Alcaligenes, Pseudomonas putida,

PCB, dioxin: Pseudomonas testosteroni, Brevibacterium,

Műanyagok, gumi: Streptomycesek,

Xenobiotikum bontása függ: a mikroorganizmustól: tiszta vagy kevert kultúra, a vegyi anyag kémiai szerkezetétől, koncentrációjától, biológiai hozzáférhetőségétől, kometabolizálhatóságától, táoanyag-kiegészítők (N, P, H-akceptor) jelenlététől.

ATMOSZFÉRA3 800 000

holt szag, humusz: 250 000

SZÁRAZFÖLDDetritus, üledék

TENGERN tartalom ill. tartalék * 10 6 t N áram nyilakon: * 106 t/év

Növény: 12 000Állat: 200

biológiai fixálás30

Nitrogén fixálás140

Fitoplankton: 300Állat: 170

NH3100 Denitrifikáció

130

M500

M

M

mineralizáció mineralizáció

Denitrifikáció30

NH360Műtrágya

40NOx20

ATMOSZFÉRA3 800 000

holt szag, humusz: 250 000

SZÁRAZFÖLDDetritus, üledék

TENGERN tartalom ill. tartalék * 10 6 t N áram nyilakon: * 106 t/év

Növény: 12 000Állat: 200

biológiai fixálás30

Nitrogén fixálás140

Fitoplankton: 300Állat: 170

NH3100 Denitrifikáció

130

M500

M

M

mineralizáció mineralizáció

Denitrifikáció30

NH360Műtrágya

40NOx20

Nitrogénkörforgalom a földi

ökoszisztémában

Mikrobiális nitrogénkörforgalom

N2O

N2

Biomasszában kötött szerves N

humuszNH4

+

NO2-

NO3-

Anaerob

Aerob

Aerob és anaerob

deni

trifi

káció

nitrogénfixálás

NH 4+ as

szim

iláció

amm

onifi

káció

nitr ifikáció

Nitrifikálók:NitrosomonasNitrobacterNitrococcusNitrospira

Denitrifikálók:PseudomonasBacillus lichenifEscherichia coli

Nitrogénfixálók:AzotobacterRhizobium

N2O

N2

Biomasszában kötött szerves N

humuszNH4

+

NO2-

NO3-

Anaerob

Aerob

Aerob és anaerob

deni

trifi

káció

nitrogénfixálás

NH 4+ as

szim

iláció

amm

onifi

káció

nitr ifikáció

Nitrifikálók:NitrosomonasNitrobacterNitrococcusNitrospira

Denitrifikálók:PseudomonasBacillus lichenifEscherichia coli

Nitrogénfixálók:AzotobacterRhizobium

Baktériumok a nitrátkörforgalomban

Nitrifikáció: ammóniumoxidáció és nitritoxidáció

NH4 + 1,5 O2 →→→→ NO2- + 2H+ + H2O

Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio

NO2- + 0,5 O2 →→→→ NO3

Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospina, Nitrospira

Gomba: Aspergillus

Denitrifikáció: nitrátredukció : NO3 →→→→ N2 (N2O)

Egyik anaerob légzésforma, nitrát a H-akceptor.

Pseudomonasok, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrificans, E. coli, stb.

Légköri nitrogén megkötése:szabadon élők és szimbinták: Azotobacter, Rhizobium

Ammonifikáció : ammónium oxidációjából nyernek energiát

Kénkörforgalom a földi

ökoszisztémábanATMOSZFÉRA

3

Szervetlen kőzetekben: 26 000

SZÁRAZFÖLD

1 300

TENGER

Detritus, üledék

S tartalom ill. tartalék * 10 6 t S áram nyilakon: * 106 t/év

Biomasszában: 1010 t

Biomassza: 1010 t

Biogén H2S30

Vulkanikus tevékenységSO2 és H2S

biogénH2S5-10 Égetés

SO2: 65Spray SO4: 40

Csapadék:90+100

bánya

130

ATMOSZFÉRA3

Szervetlen kőzetekben: 26 000

SZÁRAZFÖLD

1 300

TENGER

Detritus, üledék

S tartalom ill. tartalék * 10 6 t S áram nyilakon: * 106 t/év

Biomasszában: 1010 t

Biomassza: 1010 t

Biogén H2S30

Vulkanikus tevékenységSO2 és H2S

biogénH2S5-10 Égetés

SO2: 65Spray SO4: 40

Csapadék:90+100

bánya

130

Mikrobiális kénkörforgalom

Szerves kénvegyületek

H2S

S0

SO42-

Anaerob

Aerob

Aerob és anaerob

szul

fátr

eduk

ció

Deszulfurálás

/fehér jebontás

Kénoxidáció

kemo

és fototrofok

Szul

fidox

idác

ió

kem

o-és

foto

tróf

ok

Szulfátredukció(szulfátlégzés)

Thiobacillusokkén-oxidációja

Szerves kénvegyületek

H2S

S0

SO42-

Anaerob

Aerob

Aerob és anaerob

szul

fátr

eduk

ció

Deszulfurálás

/fehér jebontás

Kénoxidáció

kemo

és fototrofok

Szul

fidox

idác

ió

kem

o-és

foto

tróf

ok

Szulfátredukció(szulfátlégzés)

Thiobacillusokkén-oxidációja

SzulfátredukcióAerob: beépül szerves sejtalkotókba

Anaerob: vizek, üledékek: a szulfát elektronakceptorként funkcionál, anaerob légzéshez

Acetát és CO2 képzés laktátból, propionátból, etanolból: Desulfovibrio, Desulfomikrobium, Desulfolobus

Acetátból CO2 és H2: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfotomaculum acetoxidans

H2 oxidáció fakultatív kemolitotrófokkal: Desulfovobrio desulfuricans, Desulfotomaculum orientis

A vas anaerob korroziója: több lépés összevont reakciója:

4Fe + SO42- + 2H2O + 2H+ →→→→ FeS + 3Fe(OH)2

A kolloid vasvegyületek a csövek eldugulását okozhatják.

KénoxidációH2S, elemi kén és tioszulfát redukált szubsztrátot jelenta színtelen

kénbaktériumok és a fototróf vörös kénbaktériumok számára.

A színtelen kénbaktériumok lehetnek fonalasok, vagy egysejtűek. Archeabaktériumok is képesek a redukált kénvegyületeket oxidálni(kemolitotrófok, szénforrásuk a CO2).

Thiobacillusok(kénsav), fonalasok: Beggiatoa,

Vörös kénbaktériumok: Chromatiaceae, Thiorhodaceae, Thiospirillum

Zöld kénbaktériumok: Chlorobium

A környezetben a szén és kőzetek a kéntartalmát oxidálják. Ha van toxikusfém a kőzetben (bánya) akkor a fémek kioldása is megtörténik

Kénoxidáció

Tavakban fonalas kénbaktériumok: Thiotrix, Thioplaca

Egysejtű, nagyméretű: Thiofulvum, Achromatium

Kénhidrogén →→→→ elemi kén→→→→ kénsav

Többen összedolgoznak, pl. színtelen fonalas kénbaktériumok a cianobaktériumokkal és vörös kénbaktériumokkal.

Thiobacillusok: savtűrőek: pH 1-5 Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillusferrooxidans

Betoncsövek korróziója: szulfátredukálól és kénoxidálókegyüttműködéséből

Vas oxidáció és szén kéntelenítés:

FeS2 + 3,5 O2 + H2O →→→→ FeSO4 + H2SO4

2FeSO4 + 0,5 O2 + H2SO4 →→→→ Fe2(SO4)3 + H2O

Bioleaching, fémkioldás

Vízi ökoszisztémák foszforháztartása

Oligotróf Eutróf

szerves anyag szerves anyag

PO43-

PO43- H2S + PO4

3- oldható

FePO4 oldhatatlan FeS

Fe3+ Fe2+

aerobaerob

anaerob

0,001-0,01 mg/l 0,01-1 mg/lOligotróf Eutróf

szerves anyag szerves anyag

PO43-

PO43- H2S + PO4

3- oldható

FePO4 oldhatatlan FeS

Fe3+ Fe2+

aerobaerob

anaerob

0,001-0,01 mg/l 0,01-1 mg/l

Foszforkörforgalom

aratás

Műtrágya pl. szuperfoszfát

Oldható foszfát PO43-

Foszfatázok

Mikroorganizmusok

Szerves savak

Oldhatatatlan szerves és szervetlen foszfátok

Pl. inositol hexafoszfát

Apatit és kicsapódott kalciumfoszfátVas- és aluminium oxidokon abszorbeált P

aratás

Műtrágya pl. szuperfoszfát

Oldható foszfát PO43-

Foszfatázok

Mikroorganizmusok

Szerves savak

Oldhatatatlan szerves és szervetlen foszfátok

Pl. inositol hexafoszfát

Apatit és kicsapódott kalciumfoszfátVas- és aluminium oxidokon abszorbeált P

Holt szerves anyagok sorsa a talajban, humifikáció

Holt szerves anyag C/N=30

HuminanyagokC/N=10-15

Szalma CO2 + H2O CO2 + H2O felszín

Szénhidrát, pektin, cellulóz, protein

Viszonylag stabil maradékok

Ásványositás

NH4

Asszimiláció Ammonifikáció

R-NH2

Biomassza

NH4, aminosav, aminocukor

Nukleofil adicióKondenzációpolimerizáció

Hidroxi fenolok Kinoidális gyökök

nLignintanninpolifenol

nitrogénzár

Demetilezés dekarboxilezés, béta oxidáció autooxidáció

Holt szerves anyag C/N=30

HuminanyagokC/N=10-15

Szalma CO2 + H2O CO2 + H2O felszín

Szénhidrát, pektin, cellulóz, protein

Viszonylag stabil maradékok

Ásványositás

NH4

Asszimiláció Ammonifikáció

R-NH2

Biomassza

NH4, aminosav, aminocukor

Nukleofil adicióKondenzációpolimerizáció

Hidroxi fenolok Kinoidális gyökök

nLignintanninpolifenol

nitrogénzár

Demetilezés dekarboxilezés, béta oxidáció autooxidáció