Umweltmikrobiologie:
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Berlin [u.a.]
Springer Spektrum
2015
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Titel: Umweltmikrobiologie
Autor: Reineke, Walter
Jahr: 2015
Inhalt
Vorwort zur zweiten Auflage xi
Vorwort zur ersten Auflage xm
t Globale Umwelt. Klima und Mikroorganismen 1
1.1 Klimasystem 1
1.1.1 Komponenten des Klimasystems 1
1.1.2 Wechselwirkungen zwischen den Komponenten 6
1.1.3 Energiebilanz der Erde 6
1.1.4 Klimaänderungen und ihre Auswirkungen 8
1.1.5 Welche Stoffe haben welchen Effekt auf das Klima 12
1.1.6 Projektionen 12
1.2 Globale Kreisläufe mit Reservoirs und Stoffflüssen 14
1.2.1 Globaler Kohlenstoffkreislauf 14
1.2.2 Globaler Stickstoffkreislauf 16
1.2.3 Globaler Schwefelkreislauf 21
1.2.4 Globaler Phosphorkreislauf 23
1.2.5 Zusammenfassung globale Kreisläufe 24
2 Mikroorganismen, Akteure in der Umwelt 27
2.1 Mikroorganismen, Zuordnung zu Gruppen 27
2.2 Mikroorganismen, der Vorteil einer geringen Größe 28
2.3 Mikroorganismen, klein aber viele 32
2.4 Mikroorganismen, leben nicht alleine 33
3 Zusammenhang von mikrobieller Energiegewinnung und
Stoffkreisläufen 45
3.1 Prinzipien der Energiegewinnung 45
3.1.1 Atmungsketten und ATP-Synthase 48
3.2 Haupttypen des mikrobiellen Stoffwechsels 52
3.2.1 Phototrophie 52
3.2.2 Chemotrophie 54
3.2.3 Kohlenstoffquelle: Hetero- und Autotrophie 57
4 Kohlenstoffkreislauf 59
4.1 Entstehung der Erdatmosphäre und der fossilen Rohstoffe 59
4.2 Stoffflüsse im Kohlenstoffkreislauf 60
4.
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6.
6.
Inhalt
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. 133
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. 167
. 172
. 177
, 177
. 188
. 197
. 198
. 208
. 208
. 209
. 211
. 212
. 212
. 214
. 217
. 220
VI
Autotrophe C02-Fixierung
Calvin-Zyklus
Reduktiver Citrat-Zyklus
Reduktiver Acetyl-CoA-Weg (Acetogenese)
C02-Fixierungszyklus in Crenarchaeota
3-Flydroxypropionat-Bi-Zyklus
Vergleich der Prozesse der C02-Fixierung
Abbau von Naturstoffen
Abbau von Kohlenhydraten
Abbau von Proteinen
Abbau von Fetten
Abbau von pflanzlichen Substanzen/Lignin und anderen
Naturstoffen/Humusentstehung
Methankreislauf/methanogene Nahrungskette/Methanotrophie
Methanbildung
Methanabbau
Umweltchemikalien
Chemikalien in der Umwelt: Ausbreitung und Konzentration
Transportprozesse
Transferprozesse zwischen Umweltmedien oder Kompartimenten
Transformationsprozesse
Beurteilung von Chemikalien: Allgemeine Prinzipien und Konzepte
Abbaubarkeitstests
Toxizitäts- und Mutagenitätsprüfungen mit mikrobiellen Systemen .
Mikrobieller Abbau von Schadstoffen
Abbau von Kohlenwasserstoffen
Erdöl: Zusammensetzung und Eigenschaften
Der Ablauf einer VerÖlung im Meer
Abbau von Alkanen, Alkenen und cyclischen Alkanen
Abbau von monoaromatischen Kohlenwasserstoffen
Abbau und Flumifizierung von Mehrkern-Kohlenwasserstoffen
Abbau von Heterocyclen
Bildung von Biotensiden/Aufnahme von Mineralöl-Kohlenwasserstoffen
Abbau chlorierter Schadstoffe
Abbau von Chloraromaten
Abbau von Hexachlorcyclohexan
Abbau von Triazinen
Abbau von Chloraliphatischen Verbindungen
Abbau und Humifizierung von Nitroaromaten
Umweltproblem durch Nitroaromaten
Möglichkeit des mikrobiellen Abbaus von Nitroaromaten
Eliminierung von Trinitrotoluol durch Sequestierung an Boden
Abbau von aromatischen Sulfonsäuren und Azofarbstoffen
Aromatische Sulfonsäuren
Abbau von Azofarbstoffen
Kunststoffe, Biokunststoffe
Abbaubarkeit von Kunststoffen
Inhalt
VII
6.5.2 Biokunststoff 221
6.5.3 Einschätzung zur ökologischen Bewertung von Kunststoffen und Biokunststoffen 224
6.6 Komplexbildner: Aminopolycarbonsäuren 226
6.7 Endokrin wirksame Verbindungen 228
6.7.1 Tributylzinnverbindungen 228
6.7.2 Alkylphenole 229
6.7.3 Bisphenol A 230
6.8 Methyl-te/t-butylether 230
7 Mikrobieller Stickstoff kreislauf 239
7.1 Stickstofffixierung 239
7.2 Ammonifikation 240
7.3 Nitrifikation 243
7.4 ANAMMOX 245
7.5 Nitratreduktion 246
7.5.1 Denitrifikation 246
7.5.2 Dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium 247
8 Kreisläufe von Schwefel, Eisen und Mangan 251
8.1 Schwefelkreislauf 251
8.1.1 Sulfatreduktion 251
8.1.2 Reduktion von Elementarschwefel 254
8.1.3 Schwefeldisproportionierung 254
8.1.4 Oxidation von Sulfid und Elementarschwefel 255
8.1.5 Organische Schwefelverbindungen 255
8.2 Eisenkreislauf 261
8.2.1 Oxidation von zweiwertigem Eisen 262
8.2.2 Reduktion von dreiwertigem Eisen 267
8.3 Mangankreislauf 268
8.3.1 Oxidation von zweiwertigem Mangan 268
8.3.2 Reduktion von vierwertigem Mangan (Mn4+): anaerobe Atmung 268
9 Schwermetalle und andere toxische anorganische Ionen 271
9.1 Toxizität 271
9.2 Umweltqualitätsnormen 272
9.3 Natürliche und anthropogene Vorkommen 272
9.4 Resistenz von Mikroorganismen 273
9.5 Quecksilber 277
9.6 Arsen 279
9.6.1 Arsenitoxidation 280
9.6.2 Arsenatreduktion 280
9.6.3 Arsenatmethylierung 281
9.7 Selen 281
9.8 Uran 282
10 Mikroorganismen an unterschiedlichen Standorten:
Lebensbedingungen und Anpassungsstrategien 287
10.1 Mikrowelle Konkurrenz und Kooperation 287
10.1.1 Wachstumsraten und Nährstoffkonzentrationen 289
VIII Inhalt
10.1.2 Adaptation 291
10.1.3 Mischsubstrate 300
10.1.4 Grenzkonzentrationen 300
10.1.5 Mikrowelle Kooperation 301
10.2 Anheftung an Oberflächen und Biofilme 301
10.2.1 Oberflächen 301
10.2.2 Biofilme 303
10.3 Boden als mikrobielles Habitat 304
10.4 Aquatische Biotope 311
10.4.1 Süßwasser Umgebung 311
10.4.2 Marine Umgebungen 313
11 Lebensgemeinschaften. Strukturelle und funktionelle Analysen
mit klassischer Vorgehensweise 331
11.1 Summarische Methoden 331
11.1.1 Bestimmung von Keimzahlen und Biomassen 331
11.1.2 Bestimmung von Aktivitäten 335
11.2 Nachweis bestimmter Mikroorganismen 339
11.3 Mikroorganismen, aus der Natur ins Labor, die Isolierung von Reinkulturen 342
11.3.1 Organismen nicht kultivierbar? 342
11.3.2 Isolierung und Probleme 342
11.3.3 Anreicherungssystem 343
11.3.4 Analoganreicherung: Sinn oder Unsinn? 344
11.3.5 Impfmaterial für eine Anreicherungskultur 348
12 Mikrobielle Lebensgemeinschaften. Strukturelle und funktionelle
Analysen mit molekularbiologischer Vorgehensweise 349
12.1 Grundlegende molekulargenetische Methoden zur Klassifizierung und Identifizierung
von Reinkulturen 350
12.2 Molekulargenetische Methoden zur Charakterisierung von Lebensgemeinschaften 360
12.3 Metagenomik 372
12.3.1 Gemeinschaft eines sauren Minenwassers 373
12.3.2 Gemeinschaft der Sargasso See 375
12.3.3 Die Global Ocean Sampling Expedition 377
12.3.4 Sequenzdaten und Funktionalität - eine kritische Sicht 381
13 Schäden an anorganischen Materialien durch mikrobielle
Aktivitäten, Biokorrosion 385
13.1 Eisenkorrosion 385
13.2 Betonkorrosion 385
13.3 Gebäudekorrosion/Schädigung von Stein 38^
14 Biologische Abwasserreinigung 389
14.1 Entstehung und Zusammensetzung von Abwässern 389
14.2 Abwasserreinigung in mechanisch-biologischen Kläranlagen mit aerober Stufe 392
14.3 Biologische Phosphateliminierung 39^
14.4 Stickstoffeliminierung bei der Abwasserreinigung 48
14.5 Anaerobe Schlammbehandlung, direkte anaerobe Abwasserreinigung und
Biogasgewinnung ^
Inhalt
IX
14.6 Reinigung von Industrieabwässern 407
14.7 Naturnahe Abwasserbehandlungsverfahren 408
15 Biologische Abluftreinigung 411
16 Biologische Bodensanierung 415
16.1 Altlasten-Problematik 415
16.2 Verfahren der biologischen Bodensanierung 416
16.2.1 Ex s/fw-Verfahren 419
16.2.2 In s/'fü-Bodensanierung 425
17 Biologische Abfallbehandlung 433
17.1 Abfall-Problematik 433
17.2 Verfahren der biologischen Abfallverwertung 434
17.2.1 Kompostierungsprozess 435
17.2.2 Kompostierungsverfahren 436
17.2.3 Anaerobe Abfallbehandlung durch Vergärung 437
18 Biotechnologie und Umweltschutz 439
18.1 Biologische Schädlingsbekämpfung 439
18.1.1 Bioinsektizide 439
18.1.2 Biofungizide und -herbizide 446
18.2 Design neuer Chemikalien 446
18.2.1 Struktur-Wirkungs-Beziehung/Vorhersage der Abbaubarkeit 446
18.2.2 Abbaubare Alternativen zu heutigen Chemikalien 448
18.3 Produktintegrierter Umweltschutz durch Biotechnologie 453
18.3.1 Verfahrensvergleich: Biotechnische und chemisch-technische Prozesse 455
18.3.2 Umweltentlastungseffekte durch Produktsubstitution 460
18.3.3 Zusammenfassung PIUS 461
18.4 Biokraftstoffe 462
18.4.1 Bioethanol 462
18.4.2 Biodiesel 465
18.4.3 Biomass-to-Liquid-Kraftstoff 465
18.5 Strom aus Mikroorganismen 466
18.5.1 Wasserstoff-Produktion in Bioreaktoren für konventionelle Brennstoffzellen 466
18.5.2 Mikrowelle Herstellung von Brennstoff im Anodenraum der Brennstoffzelle 467
18.5.3 Direkter Elektronentransport von der Zelle zur Elektrode 467
18.5.4 Mediatoren zum Elektronentransport 467
19 Denkanstöße 471
19.1 Nachhaltigkeit, der Begriff 471
19.2 Nachhaltigkeit, Umweltmikrobiologie ein Beitrag 471
19.3 Umwelt und Umweltmikrobiologie, Nachdenken 472
Index
483
Grundsätzlich sind die Lebensräume Boden, Wasser und Luft zu erhalten, zu schützen und Schäden von ihnen fern zu halten. In diesem Fachbuch werden die globalen und lokalen Umweltprobleme sowie die Beteiligung von Mikroorganismen an der Entstehung und Beseitigung dieser Probleme angesprochen. Insbesondere werden methodische, teils molekulargenetischen Aspekte zur Untersuchung mikrobieller Lebensgemeinschaften berücksichtigt. Besonders hervorgehoben werden die physiologischen Anpassungen der Mikroorganismen an unterschiedliche Lebensräume.
Insgesamt wird die herausragende Rolle der Mikroorganismen in verschiedenen Stoffkreisläufen dargestellt. Neben biochemischen Grundlagen zum Abbau von Umweltschadstoffen wird der Einsatz von Mikroorganismen in umweltbiotechnologischen Verfahren zur Reinigung von Luft, Wasser oder Boden sowie in umweltschonenden Produktionsverfahren diskutiert. Das Werk fußt auf der „Umwelt-Mikrobiologie“ von Wolfgang Fritsche (Gustav Fischer Verlag, 1998) und setzt dessen Tradition fort. Gedacht ist das Buch für Biologen mit Interesse an umweltmikrobiologischen Fragen, aber auch für Studierende der Verfahrens- oder Umweltverfahrenstechnik, der Geoökologie oder Geologie sowie Studierende anderer umweltwissenschaftlicher Fachrichtungen. Für die 2. Auflage haben die Autoren das Buch überarbeitet und aktualisiert. |
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