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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.

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.

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 3. Auflage haben die Autoren das Buch komplett durchgearbeitet, korrigiert, aktualisiert und ergänzt.

 

Aus dem Inhalt:

1 Globale Umwelt. Klima und Mikroorganismen 1 / 1.1 Klimasystem 3 / 1.1.1 Komponenten des Klimasystems 3 / 1.1.2 Wechselwirkungen zwischen den Komponenten 7 / 1.1.3 Energiebilanz der Erde 8 / 1.1.4 Klimaänderungen und ihre Auswirkungen 9 / 1.1.5 Welche Stoffe haben welchen Effekt auf das Klima 15 / 1.1.6 Projektionen 15 / 1.2 Globale Kreisläufe mit Reservoirs und Stoffflüssen 18 / 1.2.1 Globaler Kohlenstoffkreislauf 18 / 1.2.2 Globaler Stickstoffkreislauf 21 / 1.2.3 Globaler Schwefelkreislauf 27 / 1.2.4 Globaler Phosphorkreislauf 30 / 1.2.5 Zusammenfassung globale Kreisläufe 31 / Literatur 33 // 2 Mikroorganismen, Akteure in der Umwelt 35 / 2.1 Mikroorganismen, Zuordnung zu Gruppen 36 / 2.2 Mikroorganismen, der Vorteil einer geringen Größe 40 / 2.3 Mikroorganismen, klein aber viele 41 / 2.4 Mikroorganismen, leben nicht alleine 42 / Literatur 54 // 3 Zusammenhang von mikrobieller Energiegewinnung und Stoffkreisläufen 57 / 3.1 Prinzipien der Energiegewinnung 58 / 3.1.1 Atmungsketten und ATP-Synthase 64 / 3.2 Haupttypen des mikrobiellen Stoffwechsels 68 / 3.2.1 Phototrophie 68 / 3.2.2 Chemotrophie 71 / 3.2.3 Kohlenstoffquelle: Hetero- und Autotrophie 73 / Literatur 74 // 4 Kohlenstoffkreislauf 77 / 4.1 Entstehung der Erdatmosphäre und der fossilen Rohstoffe 78 / 4.2 Stoffflüsse im Kohlenstoffkreislauf 79 / 4.3 Autotrophe CO2-Fixierung 82 / 4.3.1 Calvin-Zyklus 85 / 4.3.2 Reduktiver Citrat-Zyklus 86 / 4.3.3 Reduktiver Acetyl-CoA-Weg (Acetogenese) 88 / 4.3.4 CO2-Fixierungszyklus in Crenarchaeota 89 / 4.3.5 3-Hydroxypropionat-Bi-Zyklus 91 / 4.3.6 Vergleich der Prozesse der CO2-Fixierung 93 / 4.4 Abbau von Naturstoffen 93 / 4.4.1 Abbau von Kohlenhydraten 93 / 4.4.2 Abbau von Proteinen 102 / 4.4.3 Abbau von Fetten 102 / 4.4.4 Abbau von pflanzlichen Substanzen/Lignin und anderen Naturstoffen/Humusentstehung 104 / 4.5 Methankreislauf/methanogene Nahrungskette/Methanotrophie 117 / 4.5.1 Methanbildung 117 / 4.5.2 Methanabbau 124 / Literatur 133 // 5 Umweltchemikalien 137 / 5.1 Chemikalien in der Umwelt: Ausbreitung und Konzentration 138 / 5.1.1 Transportprozesse 140 / 5.1.2 Transferprozesse zwischen Umweltmedien oder Kompartimenten 141 / 5.1.3 Transformationsprozesse 144 / 5.2 Beurteilung von Chemikalien: Allgemeine Prinzipien und Konzepte 148 / 5.2.1 Abbaubarkeitstests 153 / 5.2.2 Toxizitäts- und Mutagenitätsprüfungen mit mikrobiellen Systemen 163 / Literatur 171 // 6 Mikrobieller Abbau von Schadstoffen 173 / 6.1 Abbau von Kohlenwasserstoffen 175 / 6.1.1 Erdöl: Zusammensetzung und Eigenschaften 175 / 6.1.2 Der Ablauf einer Verölung im Meer 177 / 6.1.3 Abbau von Alkanen, Alkenen und cyclischen Alkanen 178 / 6.1.4 Abbau von monoaromatischen Kohlenwasserstoffen 186 / 6.1.5 Abbau und Humifizierung von Mehrkern-Kohlenwasserstoffen 208 / 6.1.6 Abbau von Heterocyclen 213 / 6.1.7 Bildung von Biotensiden/Aufnahme von Mineralöl-Kohlenwasserstoffen 219 / 6.2 Abbau chlorierter Schadstoffe 225 / 6.2.1 Abbau von Chloraromaten 225 / 6.2.2 Abbau von Hexachlorcyclohexan 242 / 6.2.3 Abbau von Triazinen 247 / 6.2.4 Abbau von Chloraliphatischen Verbindungen 249 / 6.2.5 Organohalogene aus der Natur/aus natürlichen Quellen 263 / 6.3 Abbau und Humifizierung von Nitroaromaten 265 / 6.3.1 Umweltproblem durch Nitroaromaten 265 / 6.3.2 Möglichkeit des mikrobiellen Abbaus von Nitroaromaten 266 / 6.3.3 Eliminierung von Trinitrotoluol durch Sequestierung an Boden 270 / 6.4 Abbau von aromatischen Sulfonsäuren und Azofarbstoffen 271 / 6.4.1 Aromatische Sulfonsäuren 271 / 6.4.2 Abbau von Azofarbstoffen 276 / 6.5 Kunststoffe, Biokunststoffe 277 / 6.5.1 Abbaubarkeit von Kunststoffen 279 / 6.5.2 Biokunststoff 283 / 6.5.3 Eine Einschätzung zur ökologischen Bewertung von Kunststoffen und Biokunststoffen 286 / 6.6 Komplexbildner: Aminopolycarbonsäuren 288 / 6.7 Endokrin wirksame Verbindungen 290 / 6.7.1 Tributylzinnverbindungen 290 / 6.7.2 Alkylphenole 291 / 6.7.3 Bisphenol A 293 / 6.8 Methyl-tert-butylether 293 / 6.9 Glyphosat 296 / Literatur 298 // 7 Der mikrobielle Stickstoffkreislauf 305 / 7.1 Stickstofffixierung 307 / 7.2 Ammonifikation 311 / 7.3 Nitrifikation 311 / 7.4 ANAMMOX 315 / 7.5 Nitratreduktion 315 / 7.5.1 Denitrifikation 315 / 7.5.2 Dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium 317 / Literatur 318 // 8 Kreisläufe von Schwefel, Eisen und Mangan 321 / 8.1 Schwefelkreislauf 322 / 8.1.1 Sulfatreduktion 322 / 8.1.2 Reduktion von Elementarschwefel 326 / 8.1.3 Schwefeldisproportionierung 326 / 8.1.4 Oxidation von Sulfid und Elementarschwefel 326 / 8.1.5 Organische Schwefelverbindungen 331 / 8.2 Der Eisenkreislauf 333 / 8.2.1 Oxidation von zweiwertigem Eisen 334 / 8.2.2 Reduktion von dreiwertigem Eisen 341 / 8.3 Der Mangankreislauf 341 / 8.3.1 Oxidation von zweiwertigem Mangan 341 / 8.3.2 Reduktion von vierwertigem Mangan (Mn4+): anaerobe Atmung 342 / Literatur 342 // 9 Schwermetalle und andere toxische anorganische Ionen 345 / 9.1 Toxizität 346 / 9.2 Umweltqualitätsnormen 347 / 9.3 Natürliche und anthropogene Vorkommen 347 / 9.4 Resistenz von Mikroorganismen 350 / 9.5 Quecksilber 353 / 9.6 Arsen 356 / 9.6.1 Arsenitoxidation 357 / 9.6.2 Arsenatreduktion 357 / 9.6.3 Arsenatmethylierung 357 / 9.7 Selen 357 / 9.8 Uran 360 / Literatur 361 // 10 Mikroorganismen an unterschiedlichen Standorten: Lebensbedingungen und Anpassungsstrategien 365 / 10.1 Mikrobielle Konkurrenz und Kooperation 370 / 10.1.1 Wachstumsraten und Nährstoffkonzentrationen 370 / 10.1.2 Adaptation 374 / 10.1.3 Mischsubstrate 382 / 10.1.4 Grenzkonzentrationen 383 / 10.1.5 Mikrobielle Kooperation 384 / 10.2 Anheftung an Oberflächen und Biofilme 385 / 10.2.1 Oberflächen 385 / 10.2.2 Biofilme 385 / 10.3 Boden als mikrobielles Habitat 388 / 10.4 Aquatische Biotope 395 / 10.4.1 Süßwasser Umgebung 395 / 10.4.2 Marine Umgebungen 399 / Literatur 413 // 11 Mikrobielle Lebensgemeinschaften. Strukturelle und funktionelle Analysen mit klassischer Vorgehensweise 417 / 11.1 Summarische Methoden 418 / 11.1.1 Bestimmung von Keimzahlen und Biomassen 418 / 11.1.2 Bestimmung von Aktivitäten 423 / 11.2 Nachweis bestimmter Mikroorganismen 428 / 11.3 Mikroorganismen, aus der Natur ins Labor, die Isolierung von Reinkulturen 433 / 11.3.1 Organismen nicht kultivierbar? 433 / 11.3.2 Isolierung und Probleme 434 / 11.3.3 Anreicherungssystem 435 / 11.3.4 Analoganreicherung: Sinn oder Unsinn? 436 / 11.3.5 Impfmaterial für eine Anreicherungskultur 436 / Literatur 440 // 12 Mikrobielle Lebensgemeinschaften. Strukturelle und funktionelle Analysen mit molekularbiologischer Vorgehensweise 443 / 12.1 Grundlegende molekulargenetische Methoden zur Klassifizierung und Identifizierung von Reinkulturen 445 / 12.2 Molekulargenetische Methoden zur Charakterisierung von Lebensgemeinschaften 456 / 12.3 Metagenomik 470 / 12.3.1 Gemeinschaft eines sauren Minenwassers 470 / 12.3.2 Gemeinschaft der Sargasso See 473 / 12.3.3 Die Global Ocean Sampling Expedition 475 / 12.3.4 Sequenzdaten und Funktionalität - eine kritische Sicht 480 / Literatur 481 // 13 Schäden an anorganischen Materialien durch mikrobielle Aktivitäten, Biokorrosion 485 / 13.1 Eisenkorrosion 486 / 13.2 Betonkorrosion 489 / 13.3 Gebäudekorrosion/Schädigung von Stein 490 / Literatur 490 // 14 Biologische Abwasserreinigung 491 / 14.1 Entstehung und Zusammensetzung von Abwässern 492 / 14.2 Abwasserreinigung in mechanisch-biologischen Kläranlagen mit aerober Stufe 495 / 14.3 Biologische Phosphateliminierung 502 / 14.4 Stickstoffeliminierung bei der Abwasserreinigung 506 / 14.5 Anaerobe Schlammbehandlung, direkte anaerobe Abwasserreinigung und Biogasgewinnung 510 / 14.6 Reinigung von Industrieabwässern 514 / 14.7 Naturnahe Abwasserbehandlungsverfahren 515 / Literatur 516 // 15 Biologische Abluftreinigung 517 / 15.1 Probleme mit Abluftströmen 518 / 15.2 Mikrobielle Abluftreinigung, allgemeine Grundlagen 521 / 15.3 Abluftreinigungssysteme: Biofilter 526 / 15.4 Abluftreinigungssysteme: Biowäscher 529 / 15.5 Abluftreinigungssysteme: Tropfkörper-Wäscher 535 / 15.6 Abluftreinigungssysteme: Membranreaktoren 537 / 15.7 Auswahlkriterien für Verfahrenswahl 537 / Literatur 540 // 16 Biologische Bodensanierung 545 / 16.1 Altlasten-Problematik 546 / 16.2 Verfahren der biologischen Bodensanierung 547 / 16.2.1 Exs/tu-Verfahren 551 / 16.2.2 In situ-Bodensanierung 557 / Weiterführende Literatur 565 // 17 Biologische Abfallbehandlung 567 / 17.1 Abfall-Problematik 568 / 17.2 Verfahren der biologischen Abfallverwertung 571 / 17.2.1 Der Kompostierungsprozess 571 / 17.2.2 Kompostierungsverfahren 573 / 17.2.3 Anaerobe Abfallbehandlung durch Vergärung 574 / Literatur 575 // 18 Biotechnologie und Umweltschutz 577 / 18.1 Biologische Schädlingsbekämpfung 578 / 18.1.1 Bioinsektizide 578 / 18.1.2 Biofungizide und -herbizide 586 / 18.2 Design neuer Chemikalien 587 / 18.2.1 Struktur-Wirkungs-Beziehung/Vorhersage der Abbaubarkeit 588 / 18.2.2 Abbaubare Alternativen zu heutigen Chemikalien 592 / 18.3 Produktintegrierter Umweltschutz durch Biotechnologie 595 / 18.3.1 Verfahrensvergleich: Biotechnische und chemisch-technische Prozesse 598 / 18.3.2 Umweltentlastungseffekte durch Produktsubstitution 602 / 18.3.3 Zusammenfassung PIUS 602 / 18.4 Bio kraft Stoffe 604 / 18.4.1 Bioethanol 605 / 18.4.2 Biodiesel 606 / 18.4.3 Biomass-to-Liquid-Kraftstoff 607 / 18.5 Strom aus Mikroorganismen 607 / 18.5.1 Wasserstoff-Produktion in Bioreaktoren für konventionelle Brennstoffzellen 608 / 18.5.2 Mikrobielle Herstellung von Brennstoff im Anodenraum der Brennstoffzelle 608 / 18.5.3 Direkter Elektronentransport von der Zelle zur Elektrode 609 / 18.5.4 Mediatoren zum Elektronentransport 610 / Literatur 612 // 19 Denkanstöße 617 / 19.1 Nachhaltigkeit, der Begriff 618 / 19.2 Nachhaltigkeit, Umweltmikrobiologie ein Beitrag 618 / 19.3 Umwelt und Umweltmikrobiologie, Nachdenken 619 / Literatur 630 // Serviceteil / Stichwortverzeichnis 635