Chemolithotrophie und Autotrophie

Chemolithotrophe Mikroben gewinnen Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen, und viele fixieren Kohlendioxid autotroph, eine Kombination, die Leben in Umgebungen ohne organische Materie ermöglicht.

Definition

Chemolithotrophie ist ein Stoffwechselmodus, bei dem anorganische Verbindungen als Elektronendonoren zur Energiegewinnung dienen, und Autotrophie ist die Nutzung von anorganischem Kohlenstoff, typischerweise Kohlendioxid, als primäre Kohlenstoffquelle für die Biosynthese.

Scope

Dieses Thema behandelt die Oxidation anorganischer Elektronendonoren wie Wasserstoff, reduzierter Schwefel- und Stickstoffverbindungen sowie zweiwertiges Eisen; die Energetik und Ökologie der Nitrifikation, Schwefeloxidation und verwandter Prozesse; und die autotrophen Stoffwechselwege, einschließlich des Calvin-Zyklus, durch die anorganischer Kohlenstoff in Zellmaterial umgewandelt wird. Es beleuchtet metabolische Fähigkeiten, die weitgehend auf Prokaryoten beschränkt sind.

Core questions

• Welche anorganischen Verbindungen können als mikrobielle Energiequellen dienen?
• Wie wird Energie aus anorganischen Oxidationen gewonnen?
• Wie fixieren Autotrophe Kohlendioxid zu Zellmaterial?
• Warum sind Chemolithotrophe in biogeochemischen Kreisläufen wichtig?

Key concepts

• Anorganische Elektronendonoren
• Nitrifikation und Schwefeloxidation
• Autotrophe Kohlenstofffixierung
• Der Calvin-Zyklus und alternative Fixierungswege
• Rolle in biogeochemischen Kreisläufen

Key theories

Chemolithotrophie

Winogradsky stellte fest, dass bestimmte Mikroben Energie durch die Oxidation anorganischer Verbindungen anstelle von organischem Material gewinnen, was einen vom vorgebildeten organischen Kohlenstoff unabhängigen und für den Elementkreislauf zentralen Lebensmodus demonstrierte.

Mechanisms

Chemolithotrophe oxidieren anorganische Donoren wie Wasserstoff, Ammoniak, Nitrit, Sulfid oder zweiwertiges Eisen und leiten die freigesetzten Elektronen durch Transportketten, um eine Protonenmotorische Kraft für die ATP-Synthese zu erzeugen. Da viele solcher Organismen organischen Kohlenstoff nicht nutzen können, fixieren sie Kohlendioxid über autotrophe Stoffwechselwege wie den Calvin-Zyklus, der erhebliche Energie und Reduktionskraft benötigt, die durch ihren anorganischen Stoffwechsel bereitgestellt werden.

Clinical relevance

Chemolithotrophe und autotrophe Mikroben treiben Schlüsselprozesse der Stickstoff-, Schwefel- und Eisenkreisläufe an, tragen zur Bodenfruchtbarkeit sowie zur Korrosion und Verwitterung von Materialien bei und erhalten Ökosysteme an Tiefsee-Hydrothermalquellen und anderen Orten ohne Sonnenlicht oder organischen Input aufrecht.

History

Sergei Winogradsky entdeckte die Chemolithotrophie in den 1880er Jahren durch Studien an schwefel- und stickstoffoxidierenden Bakterien. Er führte das Konzept von Mikroben ein, die von anorganischen Energiequellen leben, und begründete zusammen mit Martinus Beijerinck das Feld der mikrobiellen Ökologie.

Key figures

• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Sind alle Chemolithotrophen auch Autotrophe?

Viele sind es und fixieren Kohlendioxid für die Biosynthese, aber die beiden Merkmale sind unterschiedlich. Chemolithotrophie bezieht sich auf die Energiequelle (anorganische Verbindungen), während Autotrophie sich auf die Kohlenstoffquelle (anorganischer Kohlenstoff) bezieht. Einige Organismen kombinieren sie, andere nicht.