Mikrobiální biogeochemie Mikrobiální biogeochemie Téměř všechny geochemické procesy v exogenní části jsou ovlivněny biologickou aktivitou Producenti Využívají světlo nebo další zdroje energie pro vytváření složitých organických molekul Reducenti Získávají energii přepracováním organických molekul 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 fotosyntézafixace anorganického uhlíku bez slunečního světla využívají sluneční světlo a organický uhlík - vzácné Řasy Jeden z nejdůležitějších mikroorganismů – fotosyntetizující. A nejjednodušší rovnice fotosyntéza n CO2 + n H2O → (CH2O)n (cukr; fotosyntéza však vyžaduje také další látky – P, N …) B Foggův vzorec pro vodní organismy 5,7 CO2 + 3,4 H2O + NH3 → C5,7H9,7O2,3N + 6,25 O2 C Redfieldova reakce 106 CO2 + 122 H2O + 16 NO3 – + HPO4 2– + 18 H+ → C106H263O110N16P + 138 O2 nebo jinak → (CH2O)106(NH3)16H3PO4 + 138 O2 Fotosyntéza Stechiometrické poměry Důležité stechiometrické poměry N a P se „pohybují“ v těchto poměrech ve většině hydrosféry ∆O2(+) / ∆CO2(–) = 138/106 = 1,3 ∆N(+) / ∆P(+) = 16/1 = 16 ∆CO2(+) / ∆N(+) = 106/16 = 6,6 ∆CO2(+) / ∆P(+) = 106/1 = 106 ∆O2(+) / ∆N(–) = 138/16 = 8,6 ∆O2(+) / ∆P(–) = 138/1 = 138 Fotosyntéza spotřebovává protony, dýchání uvolňuje protony ∆N(+) / ∆H+(+) = 16/18 = 0,9 ∆CO2(+) / ∆H+(+) = 106/16 = 5,9 Jak mizí O2, rostou CO2, NO3 – a PO4 3– (dýchání převažuje nad fotosyntézou). Při fotosyntéze je tomu naopak. Zelené řasy Podporovány živinami z hnojiv a komunálního odpadu. Houby Důležité heterotrofy – jen v přítomnosti O2, rychle rozkládají celulózu za vzniku huminových kyselin. ↑ chutné ← lišejníky (houba + řasa) ← ← houba Protozoa Jednobuněčné organismy Nejdůležitější plankton (zooplankton, fytoplankton). Přispívají významně k cyklu C fotosyntézou a tvorbou schránek CaCO3. Obrázky velmi kompaktních a soudržných kokolitosfér Emiliania huxleyi, pořízené rastrovacím 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 pε, kontrola pohybu kovů v hydrosféře). Nebezpečné, způsobují nemoci ve znečištěné hydrosféře. Jednoduchý životní cyklus (od hodin po roky). 1. „Zvykají si“ (lag fáze) 2. Exponenciální růst (log fáze) 3. Stacionární fáze 4. Odumření Buňky velké od 0,5 μm do několika μm. Jejich poměr objemu a povrchu je 100–1000krát větší než u eukariotických buněk → malé množství biomasy má velký vliv. Bakterie 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. Bakterie Bakteriální růst a aktivita závisí na teplotě, substrátu a pH. Bakteriální metabolismus závisí na vnějších podmínkách podobně jako aktivita enzymů. Bakterie Mikrobiální redox pochody Aerobní dýchání Využívají kyslík k oxidaci organických látek O2 → H2O Anaerobní dýchání Po spotřebování kyslíku bakterie oxidují dále organické látky. Redox „žebřík“ (redox ladder) V suboxickém (málo O2) nebo anoxickém (bez O2) 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 NO2 – (obě formy rozpustné) MnO2 → Mn2+ (nerozpustné formy → rozpustné formy ) Fe2O3 → Fe2+ (nerozpustné formy → rozpustné formy) SO4 2– → H2S (obě rozpustné formy) CH2O → CH3OH (jen některé mikroorganismy) CO2 nebo CH2O → CH4 (fermentace) Bakterie Obecná posloupnost mikrobiálně asistovaných reakcí. Bakterie V systému, kde působí „redox žebřík“, se vyvine stupňovitý profil pε, 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 – O2 nebo NO3 –, suboxické – MnO2 nebo Fe(OH)3, redukční – SO4 2– nebo CO2. Bakterie Různé chemické látky v „redox žebříku“ mají různou rozpustnost. Proto dochází k různým chemickým změnám na rozhraních pε. 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 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 difúzní gradient koncentrací směrem do hloubky (vpravo). Jako příklad je možné uvést profil NH4 + a SO4 2– (nahoře). Bakterie Redukované Mn2+ a Fe2+ difundují ze sedimentu směrem k „nadložní“ oxidující vodě, a oxidant NO3 – difunduje do pórové vody. Prvky, které vytvářejí ve své oxidované formě nerozpustné sloučeniny se srážejí jako rozlišené oxidické vrstvy v sedimentu v místech, kde je pε příliš vysoké na to, aby se v prostředí udržely ve stabilním redukovaném stavu. Bakterie PON směrem do hloubky klesá, bakterie spotřebovávají org. látky a uvolňují amoniak. Směrem do hloubky jsou spotřebovávány sírany jako oxidant za uvolnění sirovodíku. Ten reaguje s rozpuštěným železem Fe(II) za vzniku pyritu FeS2. Geochemie pórových vod a složení pevných látek je těsně provázána. V systému, v jehož určitém místě je redox určován určitým redox párem „žebříku“, se k němu mohou připojit další redox páry a mohou měnit svůj stav (například U+VIO2 2+ na U+IV, který je nerozpustný). Bakterie Změny redox potenciálu jsou způsobované bakteriálním společenstvím, které využívá různých oxidačních a redukčních procesů k rozkladu organických látek a tím k získání metabolické energie. Obecněji je možné říci, že mikroorganismy využívají změn redox potenciálu jako součást svých metabolických cyklů. Různé redox reakce (jedna redukční a jedna oxidační) jsou kombinovány tak, že dochází ke změně pε prostředí. Bakterie Půda se po zatopení stává anoxickou. Kompletní „zavodnění“ vede k vyplnění pórů a způsobuje omezený přístup vzduchu a tedy i kyslíku. Vysoký obsah organických látek (vysoký BOD) posouvá pórovou vodu na „redox žebříku“ směrem dolů (k redukčním podmínkám). Bakterie Vývoj situace v podzemní vodě v blízkosti zdroje znečištění s vysokou hodnotou BOD, jako jsou průsaky komunálních odpadů nebo oblasti úniku nestabilních (reaktivních) organických kontaminantů. Přímo v oblasti vysoké BOD je pε nejnižší (nejvyšší aktivita elektronů). Působení nízkého pε je patrné do takové vzdálenosti od zdroje, dokud míšení s více oxidovanou vodou (obsahující méně DOC) neobnoví „normálnější“ podmínky. Bakterie Stejně jako pε je i pH důležitým parametrem systému, který určuje podmínky v přírodní nebo znečistěné vodě. Oxidační dýchání uvolňuje H+ a tedy snižuje pH prostředí. Další cesty mikrobiální oxidace organických látek také uvolňují protony, ale v jiném poměru vůči „CH2O“ než je tomu u Redfieldovy reakce. Celkový vliv každého kroku je uveden v idealizované podobě na obrázku vlevo pro vodu s výchozím pH = 7. Při redukci Mn a Fe dochází ke zvýšení pH. Bakterie Důlní a povrchové vody, které vytékají z rudných dolů jsou často kyselé v důsledku oxidace pyritu 4 FeS2(s) + 14 O2(g) + 4 H2O(l) → 4 Fe2+(aq) + 8 SO4 2–(aq) + 8 H+(aq) Abiotická oxidace pyritu je pomalá. Thiobacillus ferrooxidans katalyzuje oxidaci pyritu vlastní oxidací železa a sirných látek (důlní odpady, odkaliště, doly, výchozy rudní mineralizace). Bakterie Gallionella je mikrob, který získává energii z oxidace železa 4 Fe2+(aq) + O2(g) + 4 H+ → 4 Fe3+(aq) + 2 H2O(l) Vznik Fe oxidů způsobený tímto mikroorganismem je pravděpodobně zodpovědný za odstraňování Fe(III) z odpadů 4 Fe3+(aq) + 12 H2O(l) → 4 Fe(OH)3(s) + 12 H+(aq) Bakterie Sraženiny Fe(OH)3(s) v kyselých důlních vodách jim dávají rezavou barvu. Nízké pH způsobuje jejich značně korozivní charakter. Remediace musí odstranit obojí. Důlní vody – Roudný. Bakterie Průsaky odkaliště – Zlaté Hory. Bakterie Umělý mokřad jako pasivní úprava kyselých důlních vod. 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. Bakterie V celé řadě případů vznikají přirozené mokřady, které zajišťují přirozené efektivní čištění důlních vod a průsaků. Přirozený mokřad (Zlaté Hory) – s oxidy Fe. Po redukci oxidů Fe a jejich vazbě do sedimentu. 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 C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie Bakterie Mikrobiální přeměna organických látek Škrob je polysacharid (polymerizovaný cukr), který patří ke snadno štěpitelným. 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 (C6H12O6)n, zatímco nedokáží zpracovávat celulózu (další forma (C6H12O6)n). Bakterie 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 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 CH3(CH2)nCH3 + 3/2 O2 → → CH3(CH2)nCOOH + H2O Nejhůře odbouratelný je „čtyřkový“ uhlík CH3 │ R–C–CH3 │ CH3 Příklady mikrobiálně asistovaných oxidací jsou uvedeny vpravo. 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. Bakterie Příklady mikrobiálně asistovaných přeměn organických látek dealkylace epoxidace štěpení cyklů aromatická hydroxylace Bakterie Příklady mikrobiálně asistovaných přeměn organických látek dekarboxylace redukční dehalogenace nitroredukce dehydrohalogenacearomatická hydroxylace postupná dehalogenace Bakterie „záchyt“ N v biologicky využitelné podobě regenerace „živinových“ prvků z rozkládající se organické hmoty (mnohonásobné cyklování živin v ekosystému) uvolňování anorganických živin z minerálů Bakterie hrají důležitou roli v mnoha chemických transformacích zemských rezervoárů Bakterie Bakterie hrají podstatnou úlohu v cyklování (oběhu) organické hmoty v různých subrezervoárech zdravého ekosystému prostřednictvím dříve uvedených reakcí. Bakterie Většina biomolekul obsahuje dusík v oxidačním stavu N–III (aminy, aminokyseliny). Dusík ve vyšších oxidačních stavech, zejména jako N+V (NO3 –), 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. 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.