elemkörforgalmak a földi...
Post on 03-Sep-2018
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
top related