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Lexikon der Biologie: Mineralisation

Mineralisation w [von *mineral- ; Verb: mineralisieren], Mineralisierung, 1) vollständiger Abbau organischer Stoffe, hauptsächlich durch Mikroorganismen (Destruenten), zu mineralischen (anorganischen) chemischen Verbindungen. Dadurch werden der primär durch Photosynthese in Biomasse festgelegte Kohlenstoff wieder als CO2 (Kohlendioxid) frei (Kohlenstoffkreislauf) und der organisch gebundene Stickstoff, Schwefel und das Phosphat als oxidierte oder reduzierte anorganische Verbindungen abgespalten (Stickstoffkreislauf, Schwefelkreislauf), so daß sie den Pflanzen erneut als Nährstoffe (Mineralstoffe, Nährsalze) verfügbar sind. Unter aeroben Bedingungen werden alle von Organismen (biosynthetisch) aufgebauten Verbindungen wieder abgebaut (Atmung). Besonders wichtig ist die Fähigkeit von Bakterien und Pilzen, komplexe, polymere (Polymere) Verbindungen (z.B. Cellulose, Chitin, Lignin) und Ausscheidungsprodukte (Exkrete, Fäkalien) von Tieren zu zersetzen (Zersetzung), die Höhere Organismen nicht oder nur begrenzt abbauen können (celluloseabbauende Mikroorganismen). Die „Universalität“ bei der Mineralisation bezieht sich nicht auf eine Mikroorganismenart, sondern auf die Gesamtheit der Mikroorganismen. Es gibt Bakterien, die sehr viele Verbindungen abbauen können (z.B. Arten von Pseudomonas) oder die nur wenige Substrate verwerten (z.B. methanbildende Bakterien oder methanoxidierende Bakterien). Außer verschiedenen, vom Menschen künstlich hergestellten Verbindungen (abbauresistente Stoffe) zersetzt sich auch eine Reihe natürlich vorkommender organischer Substanzen nur sehr langsam (Huminstoffe). Unter Luftabschluß, bei Fehlen von Sauerstoff, werden nicht alle natürlich vorkommenden Verbindungen abgebaut. So kommt es zur Anhäufung stark reduzierter Verbindungen (Reduktion), wie von fossilen Brennstoffen (Erdöl, Kohle, Erdgas). Der Abbau polymerer Stoffe durchläuft eine anaerobe Nahrungskette, in der verschiedene physiologische Bakteriengruppen wirksam sind. In der letzten Stufe ( vgl. Abb. ) entstehen als Endprodukte entweder Kohlendioxid und Methan (Methanbildung) oder Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff, wenn Sulfat oder Schwefel vorliegen (Sulfatatmung). In geringerem Maße kann auch bei Anwesenheit von viel Nitrat eine Mineralisation durch eine Nitratatmung stattfinden. – Die Mineralisation pflanzlichen und tierischen Materials sowie von Ausscheidungsprodukten (Exkrementen) erfolgt wahrscheinlich zu ca. 90% durch Bakterien und Pilze, zu etwa 10% durch andere Organismen (Saprozoen, Saprophagen; z.B. Wimpertierchen, Fadenwürmer) und durch Verbrennungsprozesse (Feuerökologie). Bodenorganismen, Bodenentwicklung, Mineralisierer, Nährstoffhaushalt, Saprobiensystem, Selbstreinigung, Streuabbau; Stickstoffkreislauf. 2) die Biomineralisation.

G.S.



Mineralisation

Im Atmungsstoffwechsel aller heterotrophen Organismen werden viele organische Verbindungen zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut (Atmung). Einige polymere Naturstoffe, wie Cellulose oder Lignin, können dagegen fast nur von Mikroorganismen (hauptsächlich Bakterien und Pilze) zersetzt werden (celluloseabbauende Mikroorganismen). – In Habitaten ohne Sauerstoff (z.B. Faulschlamm, Faulturm von Kläranlagen, Pansen von Wiederkäuern) verläuft der Polymerenabbau stufenweise, und als Endprodukte entstehen Methan und CO2 (Kohlendioxid) oder Schwefelwasserstoff (H2S) und CO2. In dieser anaeroben Nahrungskette sind verschiedene physiologische Bakteriengruppen beteiligt (vgl. Abb.):
Als erstes (Gärungsstufe Ia) werden die Polymeren durch Exoenzyme in kleinere Bruchstücke und teilweise bis zu den monomeren Bausteinen zerlegt (z.B. durch Clostridium [Clostridien], Bacteroides, Ruminococcus). Es schließen sich verschiedene Gärungen anaerober Bakterien (Anaerobier) an (Stufe Ib), in denen einfache organische Verbindungen ausgeschieden und bereits CO2 und Wasserstoff (H2) freigesetzt werden. (Bei Anwesenheit von Sulfat entsteht auch Schwefelwasserstoff (H2S) durch Sulfatatmung oder Schwefelatmung.) In Faultürmen oder in Faulschlamm werden die niedermolekularen Gärungsendprodukte (Alkohole, Fettsäuren) zu Essigsäure, H2 und CO2 umgewandelt (Stufe II). Dabei sind die obligat symbiontischen, H2-bildenden acetogenen Bakterien beteiligt (Interspezies-Wasserstoff-Transfer). Im Pansen wirkt diese Bakteriengruppe nicht am Abbau mit, da die niederen Fettsäuren von Wiederkäuern resorbiert und dann veratmet werden. – In der letzten Stufe treten entweder hauptsächlich CO2 und Methan (IIIa und c) oder, bei Vorliegen von viel Sulfat (Meeresablagerungen), hauptsächlich CO2 und H2S (IIIb und d) als Endprodukte auf (Methanbildung, Sulfatatmung).

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