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Chemolithoautotrophie (auch Chemosynthese) ist eine Form des chemotrophen Energiestoffwechsels (Chemotrophie), bei dem anorganische Verbindungen oder Ionen die Reduktionsäquivalente für den Energiegewinn liefern. Chemosynthese betreiben chlorophyllfreie Prokaryoten. SIe kommt bei Bodenbakterien und Wasserbakterien vor. Dieser Prozess wurde von SERGEJ NIKOLAJEWITSCH WINOGRADSKIJ (1856-1953) bei den Schwefel oxidierenden Bakterien, Eisen oxidierenden Bakterien (1887, 1889) und den nitrifizierenden Bakterien (1890) entdeckt.
Bei der Chemolithoautotrophie werden durch die Oxidation von anorganischen Stoffen ATP als Energiequelle und das Reduktionsmittel ${\text{NADH + H}}^{\text{+}}$ als Voraussetzungen für die Herstellung von Kohlenhydraten im CALVIN-Zyklus bereitgestellt.