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Chemosynthese

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Biologie

Chemosynthese, auch Chemoautotrophie genannt, ist eine Form des Energiestoffwechsels ohne Licht. Chemoautotrophie bedeutet, dass sich Lebewesen aus anorganischen Stoffen selbst ernähren können. Den Prozess der Chemosynthese hat Sergej Nikolajewitsch Winogradskij entdeckt. Als Unterform der Autotrophie stellen chemoautotrophe Bakterien aus anorganischen Stoffen körpereigene, energiereiche, organische Stoffe her. Die Besonderheit ist, dass Lebewesen, die Chemosynthese betreiben, im Gegensatz zu Fotosynthese-betreibenden Lebewesen kein Sonnenlicht benötigen, um Zucker herzustellen. 


Organismen, die Licht zur Selbsternährung benötigen, nennt man photoautotroph. Lies hierzu gerne unseren Artikel zum Thema Autotrophie!



Welche Lebewesen betreiben Chemosynthese?


Lebewesen, die Chemosynthese betreiben, sind chlorophyllfreie Prokaryoten. Das sind Boden- und Wasserbakterien. Diese Bakterien können entweder Schwefel, Eisen oder Nitrit oxidieren. Das Interessante ist, dass bei der Oxidation der anorganischen Stoffe ATP und NADPH + H+ hergestellt. Diese Produkte werden im 2. Schritt im Calvin-Zyklus benötigt. 


Meist handelt es sich bei diesen Bakterien um Schwefelbakterien, Nitrifizierer, Knallgasbakterien oder Methanbakterien. Sie leben oft an extremen Orten wie der Tiefsee oder in aktiven Vulkanen.


Doch warum betreiben diese Bakterien nicht einfach Fotosynthese? Wie schon erwähnt, betreiben Boden- und Wasserbakterien Chemosynthese. Das bedeutet, dass sie an Orten leben, wo kein Licht hinkommt. Stattdessen haben sie einen anderen Weg gefunden, wodurch sie sich auch ohne Licht selbst ernähren können.


BakterienLebensraum
Sulfidoxidierende BakterienTeichschlamm
NitritbakterienBoden, Gewässer
NitratbakterienBoden, Gewässer
EisenbakterienFeS-haltige Oberflächen, Fe2+-haltige Gewässer




Zentrale Reaktionsschritte der Chemosynthese


Die Reaktionen werden in 2 Phasen eingeteilt:


  1. Energieliefernde Phase
  2. Calvin-Zyklus.


1. Energieliefernde Phase


Bei der Oxidation der anorganischen Moleküle entsteht Energie, die in ATP aus ADP + P umgewandelt wird. Außerdem werden Elektronen und Protonen frei, die zur Herstellung von NADPH + H+ aus NADP+ verwendet werden.


Auch hierbei gibt es einen Elektronentransport, bei dem Energie frei wird, die für den Aufbau von ATP genutzt wird. Die Reaktionen sind mit denen der Photosynthese zu vergleichen. Die meisten Bakterien, die chemoautotroph sind, haben Cytochrome für die Übertragung der Elektronen. Auch hierbei wird das Reduktionsmittel NADPH + H+ für den Calvin-Zyklus gebildet.


2. Calvin-Zyklus


Kohlenstoffdioxid wird fixiert und in den Calvin-Zyklus integriert. Hierbei entstehen C3-Körper, die aus dem Kreislauf geschleust und schließlich zu Glucose oder Fructose aufgebaut werden. Dabei werden die Produkte aus der ersten Phase, ATP und NADPH + H+, benötigt. Bei dem Kreislauf handelt sich um mehrere Reduktionsreaktionen.


Bruttogleichung der Chemosynthese:


6+ 12    + 12 X + 6



Vergleich von Photosynthese und Chemosynthese



FotosyntheseChemosynthese
EnergiequelleATP; LichtenergieATP; Oxidation anorganischer Verbindungen
ReduktionsmittelNADPH + H+NADPH + H+
GlucoseherstellungCalvin-ZyklusCalvin-Zyklus
VorkommenChlorophyllhaltige OrganismenChlorophyllfreie Bakterien
ReaktionsortChloroplastenCytoplasma


Schwefeloxidierende Bakterien


Schwefelwasserstoff wird mit Sauerstoff zu Schwefel oder Sulfat oxidiert. Bei der Elektronentransportkette wird Energie frei, die dafür genutzt wird, um aus ADP + P und NADP+ ATP und NADPH + H+ zu generieren. Diese Produkte werden im Calvin-Zyklus verwendet, um Glucose herzustellen.


Bruttogleichung bei schwefeloxidierenden Bakterien:


6 + 12    + 12 S + 6


Ein Beispiel wäre die Symbiose zwischen dem Röhrenwurm (Riftia pachyptila) und Schwefelbakterien. Die Röhrenwürmer leben nahe den "schwarzen Rauchern", aus denen heißes Wasser und Schwefelwasserstoff herausschießt. Röhrenwürmer haben einen Blutkreislauf, allerdings keinen Mund oder ein Verdauungssystem. Daher benötigen sie die Bakterien, die im Inneren der Röhrenwürmer leben und für Röhrenwürmer anorganische Stoffe in organische verstoffwechseln.


Chemosynthese, Schwarzer Raucher, StudySmarterAbbildung 1: Schwarzer Raucher;
Quelle: biologie-seite.de


Nitrifizierende Bakterien


Nitrifikation ist Teil des Stickstoffkreislaufs. Destruenten des Stickstoffkreislaufs setzen aus Pflanzen- und Futterreste und Kot Ammonium beziehungsweise Ammoniak frei. Ammonium beziehungsweise Ammoniak werden von nitrifizierenden Bakterien in zwei Schritten zu Nitrat oxidiert. Bei diesem Prozess ist Sauerstoff aus der Umwelt notwendig.


Für die 2 Schritte der Nitrifikation sind 2 Bakteriengruppen notwendig: Nitrosomonas (Nitritbakterien) und Nitrobacter (Nitratbakterien). Beide Bakteriengruppen sind voneinander abhängig, da Nitrosomonas das Substrat für Nitrobacter liefern.


Nitrosomonas:

+ 2    + 2


Nitrobacter: 

2  +   



Eisen- und Manganbakterien


Eisenbakterien kommen vor allem in Sumpfen, Tümpeln, eisenhaltigen Gewässern in bräunlichen Massen beziehungsweise unter sauren Bedingungen vor und oxidieren zweiwertiges Eisen zu dreiwertigem Eisen.


4  + 4  +   4 + 2


Bei Manganbakterien läuft ungefähr die gleiche Reaktion ab, nur dass zweiwertiges Mangan zu vierwertigem Mangan umgewandelt wird. Sie kommen in sauren, aquatischen Bodenhabitaten sowie mangan- und eisenhaltigen Gewässern vor.


Knallgasbakterien


Knallgasbakterien kommen im Boden und im Wasser vor. Sie oxidieren Wasserstoff und gewinnen daraus Energie. Sie assimilieren Kohlenstoffdioxid ebenfalls im Calvin-Zyklus. Den Namen haben die Bakterien daher, dass sie molekularen Wasserstoff zu Wasser oxidieren (Knallgasreaktion).


Bruttogleichung der Knallgasbakterien:



 + 1/2   



Bedeutung für das Ökosystem


  • natürliche Abwasserreinigung
  • Ermöglichung eines vielfältigen Lebens in der Tiefsee (Schwefelbakterien)
  • Abbau von giftigen Stoffen
  • Stickstoffkreislauf
  • Anreicherung von Mineralstoffen im Boden (Schwefel-, Nitrit- und Nitratbakterien)
  • Manganausfällung aus Trinkwasser (Manganbakterien).


Manche Wissenschaftler vermutet, dass Schwefelbakterien oder nitrifizierende Bakterien möglicherweise die ersten Lebewesen auf der Erde waren.


Chemosynthese - Das Wichtigste


  • Die Chemosynthese ist eine Form der Energiegewinnung ohne Licht.
  • Lebewesen können aus anorganischen Stoffen organische Stoffe herstellen und sich damit selbst ernähren.
  • Chlorophyllfreie Prokaryoten können Chemosynthese betreiben.
  • Sie stellen im 1. Teil ATP und NADPH +H+ für den Calvin-Zyklus her. 
  • Reaktionsort ist das Cytoplasma.
  • Chemotrophe Prokaryoten sind beispielsweise Schwefeloxidierende Bakterien, Nitrifizierende Bakterien, Eisen- und Manganbakterien sowie Knallgasbakterien.
  • Bei allen Reaktionen entsteht Wasser als Nebenprodukt.
  • Diese Bakterien haben wichtige Funktionen für das Ökosystem, zum Beispiel natürliche Abwasserreinigung, Stickstoffkreislauf, Manganausfällung im Trinkwasser.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Chemosynthese

Chemosynthese ist eine Form des Energiestoffwechsels, bei der kein Licht benötigt wird. Chlorophyllfreie Prokaryoten können aus anorganischen Stoffe Organische herstellen und somit sich selbst ernähren.

Die Chemosynthese findet im Cytoplasma von chlorophyllfreien Prokaryoten statt.

Schwefeloxidierende Bakterien, Nitrifizierende Bakterien, Eisen- und Manganbakterien, Knallgasbakterien und Methanbildner sind chemoautotroph. Also alle Organismen, die aus anorganischen Stoffen organische Stoffe zur eigenen Ernährung herstellen können.

Die Chemosynthese ist komplett unabhängig von der Fotosynthese, da diese Mechanismen in unterschiedlichen Lebewesen stattfinden. Allerdings ähneln sich einige Reaktionsschritte. Der 2. Teil beider Prozesse ist gleich, da bei beiden der Calvin-Zyklus abläuft.

Finales Chemosynthese Quiz

Frage

Gib eine kurze Definition von der Chemosynthese wieder.

Antwort anzeigen

Antwort

Chemosynthese ist eine Form des Energiestoffwechsels ohne Licht, wobei chlorophyllfreie Prokaryoten anorganische Stoffe in organische umwandeln, um Energie zur Selbsternährung zu erzeugen.

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Frage

Welche Lebewesen betreiben Chemosynthese?

Antwort anzeigen

Antwort

Chlorophyllfreie Prokaryoten können Chemosynthese betreiben.

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Frage

Welche Gemeinsamkeiten haben die Chemosynthese und die Fotosynthese?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Herstellung von ATP und NAPDH +H+
  • Calvin-Zyklus


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Frage

Welche Unterschiede bestehen zwischen der Chemosynthese und der Fotosynthese?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die Chemosynthese benötigt keine Lichtenergie, die Fotosynthese hingegen schon. Bei der Chemosynthese finden stattdessen Oxidationen von anorganischen Stoffen statt.
  • Die Chemosynthese kommt in cholorphyllfreien Lebewesen und die Fotosynthese in chlorophyllhaltigen Organismen vor.
  • Reaktionsort der Chemosynthese ist das Cytoplasma. Bei der Fotosynthese finden die Prozesse in den Chloroplasten statt.




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Frage

​Was sind "Schwarze Raucher"?

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Antwort

Schwarze Raucher sind Öffnungen am Meeresgrund in der Tiefsee, aus denen heißes Wasser und Schwefelwasserstoff herausschießt.

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Frage

Was ist das Substrat der nitrifizierenden Bakterien?

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Antwort

Ammoniak bzw. Ammonium

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Frage

Durch welche Bakteriengruppen oxidieren nitrifizierende Bakterien ihr Substrat zu Nitrat?

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Antwort

Nitrosomonas katalysieren den ersten Reaktionssschritt. Danach oxidieren Nitrobacter Stickstoffdioxid zu Nitrat.

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Frage

Wo kommen Eisenbakterien bzw. Manganbakterien vor?

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Antwort

Eisenbakterien kommen in Sumpfen, Tümpeln und eisenhaltigem Gewässer vor.

Manganbakterien kommen in sauren, aquatischen Bodenhabitaten und mangan- und eisenhaltigem Wasser vor.

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Frage

Gib 3 Funktionen, die das Ökosystem betreffen, chemotropher Bakterien an.

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Antwort

  • natürliche Abwasserreinigung
  • Abbau von giftigen Stoffen
  • Anreicherung von Mineralstoffen im Boden
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60%

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