Bei Belichtung betreiben Purpurbakterien eine Form der Fotosynthese, die sich in einigen Aspekten von der in höheren grünen Pflanzen ablaufenden Fotosynthese unterscheidet. Die dabei an der Membran der Purpurbakterien ablaufenden Prozesse sind in Abbildung 1 dargestellt.

Beschreibe den Aufbau einer typischen Biomembran, wie in Abbildung 1 modellhaft dargestellt, nach dem Flüssig-Mosaik-Modell.

Vergleiche den in Abbildung 1 dargestellten Prozess mit den lichtabhängigen Reaktionen der Fotosynthese in Pflanzen hinsichtlich je zweier Gemeinsamkeiten und Unterschiede.

Der Stoff 2,4-Dinitrophenolat (DNP^-), eingebracht zwischen Zellwand und Membran, stört den reibungslosen Ablauf der Fotosynthese. Abbildung 2 zeigt die typische Reaktion von DNP^-. Erkläre die Auswirkungen von DNP^- auf die ATP-Produktion.

Bakterien können sich bei geeigneten Wachstumsbedingungen sehr schnell vermehren.

In einem Experiment wurde eine Population von Bakterien unter idealen Laborbedingungen gezüchtet.
Stelle die typische Wachstumskurve einer Bakterienpopulation in einem geeigneten Diagramm dar. Kennzeichne die unterschiedlichen Phasen der Populationsentwicklung.

Die Wasseroberfläche von Teichen ist oft mit einer Schicht schwimmender grüner Wasserpflanzen bedeckt. Im Gegensatz zu Grünalgen und Cyanobakterien können sich Purpurbakterien auch unter dieser Schicht ansiedeln. Erläutere das oben beschriebene Phänomen unter Bezugnahme auf Abbildung 3.

Die massenhafte Vermehrung von Cyanobakterien in stehenden Gewässern kann zu einem Absterben der Wasserorganismen in tieferen Schichten auf Grund von Sauerstoffmangel führen. In einer wissenschaftlichen Studie soll die Hypothese überprüft werden, ob der Zusatz von Purpurbakterien das massenhafte Auftreten von Cyanobakterien in betroffenen Gewässern beseitigen kann.
Plane ein Laborexperiment, um diese Hypothese zu überprüfen.

Purpurbakterien werden auch zur Sanierung von Gewässern nach z . B. vorhergehendem hohen Eintrag von Unkrautvernichtungsmitteln (Herbiziden) wie Glyphosat eingesetzt. Glyphosat blockiert die Synthese lebenswichtiger Aminosäuren über den nur in Pflanzen vorkommenden Shikimat-Stoffwechselweg. Ein wichtiges Enzym ist dabei 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphat-Synthase (EPSPS), das das Zwischenprodukt Phosphoenolpyruvat (PEP) zu einer Vorstufe für lebenswichtige Aminosäuren umsetzt.

Im Labor wurde die Enzymaktivität von EPSPS unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Folgende Tabelle zeigt die Untersuchungsergebnisse: Tab.: Untersuchungsergebnisse zum Einfluss von Glyphosat auf die durch EPSPS katalysierte Reaktion³ Leite aus der Tabelle die Wirkung von Glyphosat auf das Enzym EPSPS ab und erkläre diese Wirkung unter Mitverwendung beschrifteter modellhafter Skizzen.

Die Anzahl an Tier- und Pflanzenarten variiert zwischen einem naturbelassenen und einem mit Herbiziden belasteten Gewässer stark. Definiere den Begriff Biodiversität und erläutere den Einfluss des Einsatzes von Herbiziden auf die Biodiversität.

---

Aufbau einer typischen Biomembran: Eine Biomembran trennt zwei Reaktionsräume voneinander, und wirkt damit als selektive Barriere. Biomembranen bestehen aus einer Phospholipid-Doppelschicht. Dabei lagern sich die hydrophilen Köpfe der Phospholipide an der Grenze zum wässrigen Reaktionsraum zusammen, während die hydrophoben Schwänze der Phospholipide im Inneren der Membran liegen. An der Oberfläche der Membran liegen periphere Proteine an. Proteine, die in die Membran hineinragen, werden integrale Proteine genannt. Durch Tunnelproteine können Moleküle zwischen der Innen- und Außenseite transportiert werden. Kleine, unpolare Moleküle können auch direkt durch die Membran diffundieren. In der Membran sind Cholesterin und Zuckerreste eingelagert. Diese Zuckerreste können auch an Proteine (sogenannte Glykoproteine) gebunden vorliegen. Die Phospholipide und Proteine können sich seitlich innerhalb der Schicht bewegen, was der Membran Flexibilität verleiht und die Funktion von Membranproteinen wie Rezeptoren oder Transportproteinen unterstützt.

Vergleich der Prozesse in Abb. 1 und der lichtabhängigen Reaktion der Fotosynthese:

Auswirkungen von DNP^- auf die ATP-Produktion In Abbildung 2 lässt sich erkennen, dass DNP^- durch H⁺ zu DNPH oxidiert wird. Der Abzug von H⁺-Ionen für diese Reaktion stört den Ablauf der Fotosynthese, da dadurch weniger H⁺-Ionen durch die ATP-Synthase ins Cytoplasma zurückströmen können. Die fehlenden Ionen sorgen dafür, dass die Proteinkomplexe, die für die Fotosynthese zuständig sind, weniger effizient arbeiten können, und weniger ATP gewonnen werden kann.

Wachstumskurve von Bakterien:

Ansiedlung von Purpurbakterien unter einer Schicht von Grünalgen: Abbildung 3 zeigt die prozentuale Absorptionsrate von Grünalgen, Cyanobakterien und Purpurbakterien in Relation zur Wellenlänge des Lichts in nm. Grünalgen und Cyanobakterien besitzen ein Absorptionsmaximum bei etwa 470 nm. Cyanobakterien besitzen ein zweites Maximum bei etwa 600 nm, und ein drittes Maximum bei etwa 660 nm. Grünalgen haben ihr zweites Maximum ebenfalls bei etwa 660 nm. Dabei ist die maximale Absorptionsrate von Grünalgen und Cyanobakterien an ihrem ersten Maximum am höchsten. Die Absorptionsmaxima von Purpurbakterien befinden sich bei etwa 430 nm und 990 nm. Im Bereich bis etwa 500 nm können Purpurbakterien ebenfalls Licht absorbieren, allerdings nicht mehr als dies bei Grünalgen der Fall ist. Der Vorteil der Purpurbakterien liegt in ihrer Fähigkeit auch Licht mit sehr kleinen bzw. großen Wellenlängen zu absorbieren. Dieses Licht wird nicht durch Grünalgen oder Cyanobakterien absorbiert, und dringt daher durch die Schicht von Wasserpflanzen und Algen an der Oberfläche.

Experiment zum Einfluss von Purpurbakterien auf das Wachstum von Cyanobakterien: Um zu überprüfen, ob der Zusatz von Purpurbakterien das massenhafte Auftreten von Cyanobakterien beseitigen kann, kann das folgende Experiment geplant werden: Es werden zwei identische, aber voneinander getrennte Gewässerumgebungen eingerichtet, die einem natürlichen Gewässer möglichst nahekommen. In einem Bereich werden nur Cyanobakterien angesiedelt. In dem anderen Bereich werden Cyanobakterien und Purpurbakterien angesiedelt. Zu mehreren Zeitpunkten werden jeweils Proben der Gewässer genommen, und die Dichte der Cyanobakterienpopulation bestimmt. Es kann damit eine Aussage darüber getroffen werden, inwiefern Purpurbakterien das Wachstum von Cyanobakterien in einem Gewässer beeinflussen. Hinweis: Es sind auch andere Variationen dieses Versuches denkbar. Ein wissenschaftlicher Versuch sollte zudem immer in mindestens drei, voneinander unabhängigen Studien durchgeführt werden.

Wirkung von Glyphosat auf EPSPS: In der Tabelle ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms EPSPS bei verschiedenen PEP-Konzentrationen in mmol/L mit oder ohne Glyphosat dargestellt. In der Untersuchung wurde die PEP-Konzentration immer um 5 mmol/L gesteigert, und die Enzymaktivität gemessen. In beiden Konditionen (mit und ohne Glyphosat) ist zu erkennen, dass mit zunehmender Menge an PEP die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Enzymaktivität steigt. Dieses Ergebnis ist zu erwarten, da PEP das Substrat von EPSPS ist, und die Aktivität eines Enzyms von der Substratkonzentration abhängt. In der Kondition ohne Glyphosat steigt die Aktivität zu Beginn stark an. Eine Substratsättigung ist ab einer Konzentration von etwa 30 mmol/L PEP erreicht. Ab diesem Punkt kann das Enzym nicht mehr Substrat umsetzten, auch wenn mehr vorhanden ist. Mit Glyphosat ist ebenfalls ein Anstieg der Enzymaktivität zu erkennen, allerdings stiegt die EPSPS-Aktivität langsamer. Vermutlich konkurriert Glyphosat mit PEP um die Bindestelle des Enzyms (kompetitive Hemmung). Der Inhibitor blockiert das aktive Zentrum vorübergehend. Dadurch wird die enzymatische Reaktion gehemmt. Durch eine Erhöhung der Substratkonzentration kann die Hemmung überwunden werden.

Definition Biodiversität: Die Biodiversität beschreibt die Vielfalt an Arten und Lebensräumen in einem bestimmten Gebiet. Einfluss von Herbiziden auf die Biodiversität: Herbizide wie Glyphosat töten nicht nur gezielt unerwünschte Pflanzen ab, sondern wirken sich auch auf andere in dem Lebensraum vorkommende Pflanzen aus. Dadurch stören sie indirekt Lebensräume und Nahrungsnetze, da auch Pflanzen verschwinden, die anderen Arten als Lebens- oder Nahrungsgrundlage dienen. Herbizide fördern Monokulturen, da sie häufig so entwickelt werden, dass nur manche Nutzpflanzen gegen sie resistent sind. Diese Prozesse können dazu führen, dass Arten aus einem Lebensraum verschwinden, und die Biodiversität sinkt.