Mikrobiální biogeochemie Mikrobiální biogeochemie Téměř všechny geochemické procesy v exogénni části jsou ovlivněny biologickou aktivitou Producenti Využívají světlo nebo další zdroje energie pro vytváření složitých organických molekul Reducenti Získávají energii přepracováním organických molekul o. i^ ^ £&> ^>.*AAJWSAJ>«<.J>rfS^MW*l*l*»*l*M^«M^I^«M^^I^^«M*M«. Fungi and bacteria on land convert dead biumass to inorganic material and degradation^ resistant organ ics like I u [vie acids, Some ol these pro-1 ducts enter water, j CO, to biomass by algae in sunlight pH may rise i enough lo produce CaCO,. Dead algal biomass degraded by bactena Reduced forms of some elements produced by bactena in absence ot Q,; for example. SOr^* HjS.whtch produces sulfide minerals. , may be produced. :-:!í5-!;íi«-b fCH;0| degraded to CO; by bactena tn presence of O. Největší vliv mají mikroorganismy: eukaryoty - buněčné jádro, prokaryoty - genetický materiál rozptýlený v buňce (pravé bakterie, buněčné organely - mitochondrie, chloroplasty). Klasifikace Z hlediska získávání energie a uhlíku dýchání využívají sluneční světlo a organický uhlík - vzácné Energy sources Carbon sources Chemical Photochemical (light) Organic matter Chemoheterotrophs All fungi and protozoans, most bacteria. Chemoheterotrophs use organic sources for both enerev and carbon. Photoheterotrophs A few specialized bacteria that use photoenergy, but are dependent on organic matter for a carbon source Inorganic carbon (C02, HCO3") Chemo autotroph s Use CO, for biomass and oxidize substances such as H2 (Pseudomonas), NH4 , (Nitrosomonas), S (Thio-baciUns) for energy ^ fixace anorganického uhlíku bez slunečního světla Pho to a uto tro ph s Algae, cvanobacteria ("blue-green algae"), photo synthetic bacteria that use lieht enerev í—s (CH20)n (cukr; fotosyntéza však vyžaduje také další látky - P, N ...) B Foggův vzorec pro vodní organismy 5,7 C02 + 3,4 H20 + NH3 -► C57H97023N + 6,25 02 C Redfieldova reakce 106 C02 + 122 H20 + 16 N03" + HP042" + 18 H+ -► C106H263O110N16P + 138 02 nebo jinak — (CH2O)106(NH3)16H3PO4+ 138 02 Stechiometrické poměry Důležité stech iometrické poměry N a P se „pohybují" v těchto poměrech ve většině hydrosféry A02(+) / AC02(-) = 138/106 = 1,3 AN(+)/AP(+) = 16/1 = 16 AC02(+) / AN(+) = 106/16 = 6,6 AC02(+) / AP(+) = 106/1 = 106 A02(+) / AN(-) = 138/16 = 8,6 A02(+) / AP(-) = 138/1 = 138 Fotosyntéza spotřebovává protony, dýchání uvolňuje protony AN(+) / AH+(+) = 16/18 = 0,9 AC02(+) / AH+(+) = 106/16 = 5,9 Jak mizí 02, rostou C02, N03~ a P043~ (dýchání převažuje nad fotosyntézou). Při fotosyntéze je tomu naopak. Zelené řasy Podporovány živinami z hnojiv a komunálního odpadu. Generalized Eutrophication Long Pond, Brewster/Harwich, MA Phosphorus from Watershed (seplií systems, nn-o:í. ]í™-ij) Houby Důležité heterotrofy -jen v přítomnosti 02, rychle rozkládají celulózu za vzniku huminových kyselin. Protozoa Jednobuněčné organismy Nejdůležitější plankton (zooplankton, fytoplankton). Přispívají významně k cyklu C fotosyntézou a tvorbou schránek CaC03. Obrázky velmi kompaktních a soudržných kokolitosfér Emiliania huxleyi, pořízen Justrovacím elektronovým 'mikroskopem. Foto: Jeremy Young. Protozoa Jednobuněčné organismy Rozšířeny v oceánech a mořích mnohem více, než se dosud všeobecně předpokládalo. Výkvět kokolitofor v Beringově moři 25. dubna 1998. Foto: SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center a ORBIMAGE. Výkvět kokolitofor v Keltském moři 18. května 1998. Foto: SeaWiFS Project, NASA/Goddard Space Flight Center a ORBIMAGE. Bakterie Heterotrofní i autotrofní. Významně se účastní redox procesů (ovlivňují p£, kontrola pohybu kovů v hydrosfére). Nebezpečné, způsobují nemoci ve znečištěné hydrosfére. Jednoduchý životní cyklus (od hodin po roky). Stationary phase trn 0 A Vi E v rab a « of n rial i i I L Log phase N= N0ekt 3.0 Lag A phase // 1. „Zvykají si" (lag fáze) 2. Exponenciální růst (log fáze) 3. Stacionární fáze 4. Odumření Time Buňky velké od 0,5 um do několika um Jejich poměr objemu a povrchu je 100-1000krát větší než u eukariotických buněk —> malé množství biomasy má velký vliv. Bakterie £ . li Many microbes cause disease in humans. Depicted here are several important pathogens that cause important illnesses. A, Influenza virus; B, West Nile Virus; C, Staphylococcus aureus; D, Streptococcus pneumoniae. Images courtesy of Dr. Erskine. L. Palmer; Dr. M. L. Martin (A), Cynthia Goldsmith (B), Janice Carr/ Jeff Hageman, M.H.S. (C), Dr. Mike Miller(D) all at the CDC. Bakterie Bakteriální metabolismus Fyziologická a biochemická aktivita získávání, syntézy a organizace chemických složek bakteriální buňky. Bakteriální katabolismus Biochemická aktivita rozkladu složitých organických látek - látky s vysokým obsahem energie jsou rozkládány na látky s nižším obsahem energie, ta je využita na úhradu buněčných procesů.___________________________________________________- Raw materials p N H Ca K Mg Fc Sugars Amino acids Nucleic acids Fatty «ids Outside anabolism Synth«« or Monomer» Symhcíií Ol SlnjtlUÍSl polyméri Assembly Thymine DNA —:—> Chfomosome Adenine Guanine Cytosine Uracil Und Transport ^Faity acids I & WF Glycerol Polar groups Lipids- Amino acids NAG NAM Protein*-PeůtriH\ NAG-HAI*-'.. monom« "iftNA Hibosorrm ■ Men*r*its Complex bio molecules Peptiden, lye an IlisitL' Usable energy catabolism Bakterie Bakteriální růst a aktivita závisí na teplotě, substrátu a pH. Bakteriální metabolismus závisí na vnějších podmínkách podobně jako aktivita enzymů. 0 Increasing substrate concentration Increasing temperature Bakterie Mikrobiální redox pochody Aerobní dýchání Využívají kyslík k oxidaci organických látek 02 —> H20 Anaerobní dýchání Po spotřebování kyslíku bakterie oxidují dále organické látky. Redox „žebřík" (redox ladder) V suboxickém (málo 02) nebo anoxickém (bez 02) prostředí nalézáme předvídatelnou posloupnost redox reakcí, které jsou určeny bakteriální aktivitou oxidace organických látek. Nejprve probíhají reakce, které poskytují nejvíce energie, následně pak reakce, při nichž se uvolňuje méně energie. Bakterie Obecná posloupnost mikrobiálně asistovaných reakcí: NO3- —> N2 nebo N02~ (obě formy rozpustné) Mn02 —> Mn2+ (nerozpustné formy —> rozpustné formy ) Fe203 —> Fe2+ (nerozpustné formy —> rozpustné formy) > (obě rozpustné formy) \ (jen některé mikroorganismy) C02 nebo CH20 —> CH4 (fermentace) Weight of organic matter degraded per unit volume Bakterie Obecná posloupnost mikrobiálně asistovaných reakcí. -*------- Redox Potenliai I ■■■' | ■■!■ ■ ■ .... - iii I I »I ^^^^^^m^^^^^^^^^m^mmm^^^m^^^^^ t Oxic - Suboxic i Reducing Reaction Progress -------------»- Bakterie 15 10 a b 0- ■5 - 02 -> H20 Mn02 -s- Mn 2 + Fe203 -» Fe 2 + SOf' -* H2S Fer^enta 1 ± tíon Amount of organic matter reacted {arbitrary scale] V systému, kde působí „redox žebřík", se vyvine stupňovitý profil ps, který platí pro určitý čas a určitou pozici, dokud není spotřebován příslušný oxidant. Tento příklad ukazuje hloubkový profil v sedimentu nebo horizontální profil podél proudění vody s hodnotami charakteristickými pro nejběžnější oxidanty. Obecné rozlišení redox prostředí -v následujících prostředích slouží jako zdroj kyslíku: oxické prostředí - 02 nebo N03~, suboxické - Mr 2 nebo Fe(( 1)3, redukční - S042~ nebo C02. Bakterie Různé chemické látky v „redox žebříku" mají různou rozpustnost. Proto dochází k různým chemickým změnám na rozhraních p£. Infiltrace organické hmoty poskytuje redukční sílu, která pohání mikrobiálně podporované redox reakce. To se odráží ve změně geochemického složení pórových vod směrem do hloubky sedimentu. Bakterie Oxidants Electron acceptors [02,N03.SOÍ ) and Mg>,K\Cr Reduotants Electron donors (NH4(H2S,CH4, Fe3*} and HCO^, C02Xa2*,H2Si04( HPOi" WATER -rT*T\s'\ ■ ■ ■ '----- \//;:S E Ol M ENT ;,::.-/-; Ve vrstvě sedimentu, ve kterém se směrem do hloubky vyvíjí redukční prostředí, difundují rozpustné oxidanty dovnitř a rozpustné redukované látky ven (nahoře). To způsobuje typický difúzni gradient koncentrací směrem do hloubky (vpravo). Concentration o 10 20 30 E 40 50 60 SO4 , m mo le / Eiter I» 10 ""T5 ZÔ J______1______I______L 70 L ^1 ®í K«r 1 Suifat4 »'A ** >p* Sk» >■*$*.- >J 4 s . V- Oj m Bakterie Aíiarii^t:ic 7cinr Umělý mokřad jako pasivní úprava kyselých důlních vod. l*f**T Jednoduše vyjádřeno, nadbytečná rostlinná organická hmota poskytuje dostatečnou redukční kapacitu pro vytvoření anoxického prostředí, které dovoluje mikrobiální redukci sulfátů. Vznikající sulfán H2S pak způsobuje srážení těžkých kovů v podobě sulfidů. m- sr*!'» í ■x* lV?~ L*3ir* řr HraíP1 ?-'~i* * } 'I! ift,-- Bakterie V celé řadě případů vznikají přirozené mokřady, které zajišťují přirozené efektivní čištění důlních vod a průsaků. Po red u X. Fr Bakterie Mikrobiální přeměna organických látek Mikrobiální přeměna, kromě toho, že určuje redox stav systému, hraje důležitou úlohu v přeměně DOC a POC. Degradace org. látek: ■ důležitá část cyklu C ■ „palivo" pro redox reakce, které snižuje redox mnoha přírodních systémů rozklad uvolňuje důležité živiny P a N ■ rozklad nebezpečných sloučenin na neškodné látky (někdy jsou meziprodukty nebezpečnější než původní substrát) Molekuly běžné v potravinách mají snadno využitelnou energii uloženu ve snadno se štěpících vazbách. Mezi nimi jsou nejjednoduššími cukry. Buněčné dýchání snadno využije oxidaci glukózy C6H1206 + 602^6 C02 + 6 H20 + energie Bakterie Mikrobiální přeměna organických látek Škrob je polysacharid (polymerizovaný cukr), který patří ke snadno štěpitelným. CH2OH H [/h C-------o -HaO / l\OH HO%l glukóza CK,OH nahoru CH,OH nahoru C- c \ --^\?H .1 C i H -O c- -c c- i H O II CRpR nahoru C-------O \H Fi H -C i V 0-- 1 OH H OH HC část molekuly škrobu s jednotkou C6H10O OH CH2OH nahoru C------o c H Č- OH I -C -------O ■v« c- I H \A/ÖH A\H H/H Hyí SvH y^V^N*?" ^•H H V___QS O V_ OH jCH^QH] dolů H CH^OH nahoru c-----o \p- Vh I OH část molekuly celulózy s jednotkou CGH10O5 2 molekuly glukózy se spojí za uvolnění molekuly vody. Při rozkladu se naopak molekuly vody spotřebovávají. Malé změny v upořádání molekul cukrů je činí „snadno" nebo „obtížně" stravitelnými. Většina živočichů včetně člověka snadno tráví škrob (C6H1206)n, zatímco nedokáží zpracovávat celulózu (další forma (C6H1206)n). Bakterie Substrate Enzyme Enzyme-substrate complex Products Regenerated enzyme Důležitým katalyzátorem štěpení org. látek jsou enzymy. Enzym se váže na organickou molekulu a umožňuje její snadný rozklad. Po jejím rozpadu se obnoví v původní podobě. Pokud je substrát vázán na enzym příliš pevně, enzym není regenerován a dochází k přerušení katalytického cyklu. To je jedna z cest toxického působení chemických sloučenin v prostředí. Bakterie H H N O i ii R-O-C-OH i H amino acid H H Vo h—c—c-oh A H H-N-H Zwitterion torm Glycine * B-C- A o JU' H^ H H O jt-s i I II C-C-C-OH HO H3C NHj Valine (val) O H H O ^fiSJJ C-C-C-OH ^/C C C OH H3C-C NHj H H NHj Tyrosine (ryr) Isoleucine (ile) H H O 1 1 11 ffi-C-C-C-OH l l H NHj Cysteine (cys) HHO OHHHO I 1 11 11 1 1 1 11 HO-C-C-C-OH HO-C-C-C-C-C-OH II 111 HNHj HHNH; Serine (ser) As partie acid (asp) H I H,N-C O I! CH3 Alanine H,0 H I O H ! O -oíTTjLn -c -c HQřTTj},N -c -c -oh CH, H .Hi O I • I • II . —Nj-C-JHC- H-C-H H,C-C-CH, H H I 1 I N-Kľ^C —OH n: I H Důležitou skupinou enzymaticky asistovaných reakcí v organismech je tvorba a rozklad bílkovin. Bílkoviny jsou polymerizované aminokyseliny, svázané do „polypeptidových" makromolekul. Bakterie Nejčastější reakcí rozkladu organických látek je oxidace. Zdánlivě stabilní molekuly jsou za účasti enzymů mikrobiálně rozkládány vznikem karboxylových kyselin epoxide o2r f*y0 2i - f^C°2H ^C^H dicarboxylic acid Enzymatic Epoxidation as intermediate CH3(CH2)nCH3 + 3/2 02 -► -► CH3(CH2)nCOOH + H20 Nejhůře odbouratelný je „čtyřkový" uhlík CH3 R-C-CH3 CH3 Příklady mikrobiálně asistovaných oxidací jsou uvedeny vpravo. The initial attack of oxygen on naphthalene produces 1,2-naphthalene oxide -H d i ketone o which reacts to form the other products shown OH OH 1-Naphthol (67.9%) 2-Naphthol (6.3%) 1,4-Naphthoquinone (2.8%) diol OH 4-Hydroxy-l-tetralone (16.7%) Trans - 1,2-di hydroxy-1,2-dihydronaphthaIene (5.3%) Bakterie Další třídy mikrobiálně asistovaných reakcí jsou uvedeny v tabulkách vpravo. Redukční reakce Mnoho důležitých organických látek v prostředí obsahuje alkylovou skupinu vázanou na kyslík, dusík nebo síru. Oxidační reakce Běžný mikrobiální rozklad obvykle vede v prvním kroku k dealkylaci. Vň-.>.-■>. ü-i* .* v. w j;.. -. ř."-^ S.* j. v ■ví--.-;-------- ■1j/tvíAA''' ■ /*■. ■:-\^^--X/í-v^" ■■■■■■■ : :.-.v.-:-r-:-..-.:v:\-.:-.--: ^.v^^o.i.ík^^ : ■:. n -ř-ř* :- -: .HMff ^ : í:h ;uí ;- -ř : x-: k -: y. ř : v, > : : :■:■:>:>: ; í ■: í k ŕ ;^ÍCÍCÍiyřífítí<*Ui^OU: ílfelf^s^^iiíii^' ^Ä^ííäíoH ::.-:--::■: :■.:■.:■ :■ ■:. ;;;■;;-.;; ■ľwyy >■>■::■ í ■: v. wy >::■::::■■: "í y v hkí >■>■:: í ■: ík> >::■::::■: ■: a> .-■■■ ■■■ V-.-"- ■"■ »J--4 V -J—J ■ *: í-tf ^ / > ■> . ^Híŕfiť.rŕíiitíudftľl ..... M í^/> Jí Nitro giüüp Ttducnön : y k : :.-:.-.:■: ry y y: í-x --r >■> m::->y í-y :■ o >■:: *v ->yyí- >-:::>h *y>í- >4::tď o k y :-.* :^..ŕírfrtH- :-.-...■:-.-:».■::-.:- :■.{-.::-.-: .{-.-: :-.*. v .+ .;■«< k-.-: k h y-x ľ-»:: x-: í- ■: ■: ř >■> ■ "íí ->y ■:> >-ř >v: *( <>ř* >x ::-řH x-x , ■ ř ■ ■ ■■ ■ ■ ■■ ,,r. },■■< ,? rV,:r-, w. ■■ , ;■ ■■ ■ v ■ ■■ ■■ t v * -.-■{ ŕ ■:.: ň . v ■ _____ ■i K ŕ. !>. <■. :■ K-{ J* .< H ŕí ř.* I ____________ H H 'H O Bakterie Príklady mikrobiálně asistovaných přeměn organických látek dealkylace CHX i i 5 C - N + % O, II CH, H I R-O-C-H + V,0, I * H I f C-N I I CH, CH2OH H — -C-N + HCHO I I CH, R-OH + HCHO štěpení cyklů fíŕvOH ^^OH ^ ri^COOH W-COOH fi^>,OH ^^OH - rr0H C.CUH, + KO, + Cl" + H+ iCH20 + £H20 + C2C13H - |CH2<3 + iH20 + C2H2C12------> C2H3C1 + |C02 + Cl + H+ aromatická hydroxylace COOH COOH + 4H Benzoic acid dehydrohalogenace + H2o Cyetohex- 1 — ene—1 — carboxylate COOH 1 -HYdroxycycIohexane-carboxylate H X I I -c-c I I X -c c I X + HX redukční dehalogenace X l I -C-C- + H- ----- I I Z X H I I C-C- + HX I I X nitro redukce o i R-N + 3H-i o H I R-N I H + 2H20 Bakterie Bakterie hrají důležitou roli v mnoha chemických transformacích zemských rezervoárů Atmospheric : rainfall „záchyt" N v biologicky využitelné podobě regenerace „živinových" prvků z rozkládající se organické hmoty (mnohonásobné cyklování gjgggjgjfixation of nitrogen dry deposition živin v ekosystému) uvolňování anorganických živin z minerálů microbes p lay an important role in these processes Mineral weathering c S» ,\ Living organisms 9 '-h Bakterie * Ct' i> Mobile Inorganic nutrients (in wafer column, soil water) ^6 ^Sf 'O/, Inorganic Organic detritus (in soil, shallow sediments, suspended seď men t) ^ Organic Long-term storage in sediments Bakterie hrají podstatnou úlohu v cyklování (oběhu) organické hmoty v různých subrezervoárech zdravého ekosystému prostřednictvím dříve uvedených reakcí. Bakterie Chemical and atmospheric synthesis of nitrate Nitrogen fixation by microorganisms Většina biomolekul obsahuje dusík v oxidačním stavu N~IN (aminy, aminokyseliny). Dusík ve vyšších oxidačních stavech, zejména jako N+v (N03~), je forma, kterou rostliny nejsnáze přijímají. Pro další využití v metabolismu však musí být enzymaticky redukována. Cyklus dusíku je zvláště závislý na bakteriální aktivitě. Jako N2 jej většina rostlin nedokáže využít. N2 fixující bakterie: (a) volně žijící v půdě, (b) v symbióze s rostlinami. Fixace probíhá redukcí N2 na amoniak prostřednictvím enzymu nitrogenázy, který komplexuje Fe a Mo. Energii získávají bakterie z hostitelských rostlin nebo z rozkladu org. látek v půdě. Nitrogenáza je velmi citlivá na kyslík, proto se jej rostliny nebo bakterie snaží z prostředí odstranit. Denitrification 1 \ Nitrogen in organic matter, such as NH2 groups in protein Chemical fixation / of nitrogen Microbial decay Nitrobacter Nitrosomonas Bakterie V místech, kde bakterie infikuje rostoucí kořenové vlásky, vznikají výrůstky. Bakterie redukují dusík na formu, kterou mohou rostliny využít, a ty naopak poskytují jednoduché organické látky pro bakteriální výživu. Na obr. bakterie Rhizobium na kořenech sojových bobů. Houby Houby arbuscular mycorrhizas, které se nacházejí na většině divokých i hospodářských plodin, hrají důležitou úlohu při získávání minerální výživy rostlinami, zvláště fosforu, a někdy chrání rostlinu před vyschnutím a patogenním útokem. Houba získává od rostliny cukry, rostlina od houby živiny sorbované z půdy. 61