2.4

Mikroorganismen

  2.4.1

Allgemeines

  2.4.2

Protisten

  2.4.3

Bakterien, Allgemeines

2.4.3.2

Einteilung der Bakterien; 2.4.3.3 Taxonomie; 2.4.3.4 Stoffwechsel, 2.4.3.5 Antibiotikaproduktion

2.4.3.6

Wachstum und Kultivierung, 2.4.3.7 Sterilisation; 2.4.3.8 Bemerkenswerte pathogene Bakterien

2.4.4 Viren

2.5

Biotechnologie

  2.5.1

Apfelwein und seine Herstellung

  2.5.21 Käseherstellung

Glossar Dissimilation und Mikroorganismen


2.4 Mikroorganismen (Teil1)
2.4.1 Allgemeines

Die Mikrobiologie ist die Lehre von den Mikroorganismen. Darunter versteht man entweder

1
Protisten ( manchmal auch Protoctista genannt) als einzellige, eukaryontische Organismen
Algen, Pilze und Protozoen
2
Prokaryonten
Bakterien, Archäbakterien
3
nicht zelluläre Partikel
Viren

Die ersten Mikroorganismen wurden zusammen mit der Entwicklung der Mikroskope im 17. Jahrhundert entdeckt. R. Hooke und A. Leeuvenhoek haben die ersten Bakterien und Protisten beschrieben, E. Jenner beschäftigte sich mit Pocken. L. Pasteur ( Hefe, Bakterien, Viren) und R. Koch (Tuberkulose, Cholera) legten in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts den Grundstein für die moderne Mikrobiologie.

Genaueres zur Geschichte findet man in den weiterführenden Quellen.

Man kann alle Organismen in 5 Reiche einteilen:

Reich

Organismen

1
Monera
Bakterien und Cyanobakterien (= Blaualgen)
2
Protista
einzellige Eukaryonten
3
Plantae
Pflanzen
4
Fungi
Pilze
5
Animalia
Tiere


Wir wollen uns hier nur die Protisten, Bakterien und Viren genauer ansehen. Viren wurden kurz im Biokurs Klasse 11 vorgestellt und werden auch im Biokurs Klasse 13 näher behandelt.

Bezüglich ihres Zelltyps kann man die Organismen in Prokaryonten und Eukaryonten einteilen. Der Aufbau der beiden Zelltypen wurde hier vorgestellt. Nachfolgend sind Besonderheiten der Prokaryonten (Bakterien) und eukaryontischen Einzellern (Protisten) gegenübergestellt:

Prokaryonten
Einzellige Eukaryonten (Protisten)
ringförmige DNA
mehrere DNA-Fäden als Chromosomen
keine Mitose und Meiose
Mitose und Meiose
die Variabilität (Formenvielfalt) basiert hauptsächlich auf Mutation
Variabilität basiert auf Mutation und Rekombination
extreme Stoffwechselvielfalt
uniformer Stoffwechsel
einige fixieren N2
keine N-Fixierung
wenig Zellorganelle
viele Zellorganelle
Zellgröße < 1-5 mm
Zellgröße oft 10 -100 mm
 

Erklärung einiger Begriffe: (siehe Biologiekurs Klasse 13)

Mitose ungeschlechtliche Zellteilung mit Kernteilung bei Eukaryonten; Produkte: 2 genetisch identische Zellen; z. B. bei Verletzung der Haut oder Wachstum
Meiose Zellteilung in den Geschlechtsorganen der Vielzeller; Produkte: Geschlechtszellen Eizelle und Sammenzellen
Mutation sprunghafte Erbänderung; z. B. Erbkrankheiten beim Menschen
Rekombination genetisch unterschiedliche Individuen produzieren Gameten, es kommt zur Verschmelzung der Erbinformation und Neukombination des Erbgutes, genetisch andersartige Nachkommen entstehen

 

2.4.2 Protisten

Die Protisten umfassen mehr als 60 000 Arten. Man kann sie in

1

Pflanzenähnlich

Algen( Phycophyta) (autotroph)

2

Tierähnlich

Protozoen (heterotroph)

3

Pilzähnlich

Pilze (heterotroph)

einteilen.

Protophyta (einzellige Algen)

Die einzelligen Algen werden in 7 (-10) Stämme eingeteilt (siehe hier). Hier ein Beispiel aus dem Stamm der Chlorophyta, Klasse der Gamophyceae, Ordnung der Zygnematales:

Chlorophyta (Grünalgen)

Staurastrum lebt als Plankton in Süßwasserseen. Diese einzelligen Algen haben unterschiedlich sternförmige Zellen mit entsprechend geformten Chloroplasten. Es gibt über 800 Arten rund um den Globus.

Cryptophyta (Flagellaten)

Rhodomonas ist eine meist rot gefärbte, begeißelte, einzellige Alge in Süß- und Salzwasser. Sie besitzt Phycoerythrin in den Chloroplasten.

Neben den Grünalgen, Rotalgen und Cryptophyta gibt es:

Dinoflagellaten

Dinoflagellaten haben Zellulosewände und besitzen interessante Formen. In der Nahrungskette der Ozeane spielen Sie als Phytoplankton eine wichtige Rolle. Einige sind an der Enstehung von roten Algenteppichen im Zusammenhang mit der Meereverschmutzung an Küsten beteiligt und können Neurotoxine bilden. Andere Arten haben die Fähigkeiten der Photosynthese verloren, sind Endosymbionten oder spielen in der Nahrungskette der Korallenriffe eine Rolle.

Diatomeen

Diatomeen (Gold-braune Algen, Abteilung Bacillariophyta) besitzen glasähnliche Zellwände aus Silikat und produzieren Öltröpfchen, um in der Schwebe zu bleiben. Als Phytoplankton sind sie Bestandteil der Nahrungketten in Meeren und Seen. Sie pflanzen sich meist asexuell fort. Diatomeenerde wird für Filter- und Chromartographiezwecke verwendet.

Protozooen (einzellige Tiere)

Die Protozooen sind eine sehr heterogene Gruppe mit über 35 Stämmen u. a. die

Rhizopoda (Wurzelfüßler)

wie z. B. die Amoeben (Wechseltierchen)

Bewegung mit Pseudopoden (Scheinfüßchen), und kontraktiler Vakuole; Nahrungsaufnahme durch Phagozytose; keine Meiose.

Ciliophora

Ciliata (Wimpertierchen) wie z. B. Paramecium (Pantoffeltierchen) mit vielen Geißeln (Wimpern), Makro-und Mikronukleus. Paramecien besitzen im gegensatz zu den Amöben eine feste, jedoch elastische Gestalt. Der Großkern reguliert den Zellstoffwechsel, der Kleinkern trägt die genetische Information. Die Wimpern des Mundfelds strudeln die Nahrung herbei. Sie wird durch den Zellmund in die Nahrungsvakuole aufgenommen.

Foraminifera

Foraminifera sind Einzeller mit porösen Kalkschalen durch die, Cytoplasmastränge gehen. Aus den Kalkgehäusen ist der Kalkstein entstanden. Da sie eine jahrmillionen Jahre alte Organismengruppe sind, werden die fossilen Kalkschalen zur Altersbestimmung von Sedimenten und Rekonstruktion von Klimadaten benutzt.

Apicomplexa

Apicomplexa wie z. B. Plasmodium spec. (Malariaerreger) sind sporenbildene, parasitische Einzeller mit kompliziertem Lebenszyklus in mehreren Wirten:

Zoomastigophora (= Zooflagellaten)

wie z. B. Trypanosoma gambiense (Erreger der afrikanischen Schlafkrankheit) mit ein oder mehrern Geißeln. Einige leben parasitisch mit kompliziertem Lebenszyklus.

PilzähnlicheProtisten

Neben Hefen (siehe hier) als echte Pilze aus dem Stamm der Ascomycetes gibt es die

Myxomycota

Myxomycota sind plasmodiale Schleimpilze wie z. B. Physarum Sie bestehen grundsätzlich aus einer großen Zelle mit tausenden von Kernen (Plasmodium). Sie entstehen, wenn viele begeißelte Zellen zusammenschwärmen und verschmelzen.

Acrasiomycota

Acrasiomycota (zelluläre Schleimpilze) z.B. Dictyostelium spec. bleiben die meiste Zeit ihres Lebens eine Zelle; auf ein chemisches Signal hin schwärmen sie zusammen und bilden ein Aggregat.

 

Zum Stamm der Monera gehören auch die Bakterien.

2.4.3 Bakterien

2.4.3.1 Allgemeine Bemerkungen

Bakterien sind Prokaryonten. Diesen Zelltyp haben wir schon in der Klasse 11 kennengelernt. Die Zusammenstellung oben gibt nochmals über einige Eigenschaften Auskunft.

Zellaufbau
Fast alle Prokaryonten besitzen eine Zellwand, jedoch nicht aus Zellulose und Holz. sondern aus Murein ( Peptidoglycan = Polysaccharidderivat) oder anderen Stoffen. Einige besitzen außen um die Zellwand eine Schleimkapsel. Man unterscheidet gram + (positive) und gram - (negative) Bakterien. Diese unterscheiden sich durch den Aufbau der Zellwand. Bei den gram + Bakterien liegt außen auf der Membran ein mehrschichtige Mureinschicht, in die sich der GRAM-Farbstoff einlagert.

Außer der Plasmamembran gibt es keine anderen membranumhüllten Zellorganelle. Die einzigen sind die Ribosomen, jedoch kleiner wie in Eukaryonten. Bakterien besitzen neben einem DNA-Ring als Erbinformation und noch einige kleinere DNA-Ringe, Plasmide genannt. Viele Bakterien können Sporen bilden, das sind Überdauerungsorgane im Cytoplasma, die bei ungünstigen Außenbedingungen gebildet werden und Millionen von Jahren überdauern können. Bewegung Bakterien bewegen sich durch Geißeln (= Flagellen) aus Protein.

Bezüglich ihrer Bedeutung für den Menschen sind ca. 90% nützlich für den Menschen, 10% pathogen.

Nützlichkeit:

  • N2-Fixierung aus der Atmosphäre (78%) ---->Pflanze -----> Tier
  • Destruenten in der Biosphäre, Recycling der Stoffe toter Organismen
  • Symbiose im Verdauungstrakt, liefern Vitamine
  • Verwendung in der Lebensmittelherstellung (Yoghurt, Sauerkraut, Gärung)
  • genetisch manupulierte Bakterien produzieren Insulin, Interferon und andere Stoffe
  • Agrobacterium dient als Überträger von Genen in Pflanzen

Pathogenität:
Bakterien rufen u.a. Lungenentzündung, Typhus, Geschlechtskrankheiten, Hirnhautentzündung und Fleischvergiftung beim Menschen und pflanzliche Krankheiten hervor.

Vermehrung:
Bakterien vermehren sich asexuell durch Zweiteilung. Bei E.Coli ( Abb. 50) dauert diese 20 Minuten, bei Mycobacterium tuberculosis 20 Stunden.

Verbreitung:
Man findet sie praktisch in allen Bereichen: Boden, Meer, Eis, Tiefsee, Salz, Vulkane, im Verdauungstrakt der Tiere, auf der Haut, in Köperöffnungen. Sie sind neben den Insekten die eigentlichen Herrscher dieser Erde. Sie existieren seit ca. 3,5 x 109 Jahren. Ihre Individuenzahl übersteigt jede Vorstellung:

2.4.3.2 Einteilung der Bakterien

a) nach Morphologie (Gestalt):

Man findet runde, stäbchenförmige und geschraubte Zellformen. Rundliche Bakterien bezeichnet man als Coccen. Sie können in linearen Kolonien vorkommen (Streptococcen Abb. 50) oder haufenförmig (Staphylococcen).

Stäbchenförmig sind Pneudomonaden wie Mycobacterium tuberculosis oder alle Bacillen und z.B. E.Coli, das Darmbakterium der Säugetiere.

Rechts ist der Endoparasit Campylobacter jejuni zu sehen, ein spiralförmiges Bakterium, das Durchfall, Bauchschmerzen und Fieber hervorruft.

 

 

Abb. 38

Anton v. Leeuvenhoek
(1632 - 1723)

Einer der Erfinder des Mikroskops

 

Abb. 39

Robert Koch (1843 - 1910)

Nobelpreis 1905

Abb. 40

Louis Pasteur (1822 - 1895)

 

 

 

Abb. 41

Grünalge

 

Staurastrum spec.

 

Abb. 42

Flagellat

Rhodomonas salina

 

Abb. 41

Dinoflagellat

Dinoflagellaten-Cyste von Spiniferites


Abb. 42

Diatomeen


Cyclotella stelligera

Abb. 43

Amöben


Entamoeba histolytica ruft Montezumas Rache hervor

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 44

Pantoffeltierchen


Paramecium (Pantoffeltierchen)

 

Abb. 45

Malariaerreger

Eine Plasmodium-Infektion ruft beim Mensch die lebensgefährliche Krankheit Malaria hervor. Diese gehört zu den am häufigsten verbreitete Krankheiten.

Malaria ist in tropischen Gegenden der Erde weit verbreitet. Weltweit erkanken jährlich nach Schätzungen der Weltgesundheits-organisation (WHO) etwa 110 Millionen Menschen und bis zu 2,7 Millionen sterben daran. Jährlich tretn in Europa ca. 12.000 Fälle auf. Gegen Malaria gibt es keine Impfung.

 

Abb. 46

Trypanosoma gambiense

Trypanosomen im Blut


Abb. 47

Physarum

Abb. 48

Dictyostelium

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 49

Zellaufbau von Bakterien

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 50

Escherichia Coli


Weiterführende Quellen:

Glossar der Mikrobiologie

http://www.bio.umass.edu/micro/index.html

Protisten

http://megasun.bch.umontreal.ca/protists/protists.html

Grundlagen der Mikrobiologie

http://kufacts.cc.ukans.edu/~micro/
http://www.bact.wisc.edu/Bact330/330Lecturetopics
http://medic.med.uth.tmc.edu/path/00001450.htm

Diatomeen

http://www.indiana.edu/~diatom/diatom.html

Pathogene Bakterien

http://vm.cfsan.fda.gov/~mow/intro.html

Nützliche Bakterien:

http://trishul.sci.gu.edu.au/courses/ss12bmi/micro_groups/

Cyanobakterien

http://www.ucmp.berkeley.edu/bacteria/cyanolh.html

Dinoflagellaten

http://fig.cox.miami.edu/~161hon3/temp6.htm

Foraminiferen

http://www.nmnh.si.edu/paleo/foram/

Plasmodium

http://www.biosci.ohio-state.edu/~parasite/plasmodium.html

Schleimpilze

http://www.ucmp.berkeley.edu/protista/slimemolds.html

Nobelpreis-Archiv

http://www.almaz.com/nobel/nobel.html

Anton v. Leeuvenhoek http://www.microscopy.fsu.edu/optics/timeline/people/leeuwenhoek.html
Trypanosomen - Lebenszyklus http://www.dpd.cdc.gov/dpdx/images/ParasiteImages/S-Z/TrypanosomiasisAfrican/AfrTryp_LifeCycle.gif
Malaria http://www.cdc.gov/malaria/
Physarum http://www.bio.utexas.edu/faculty/laclaire/bot321/handouts/PHYSARLH.jpg
Dictyostelium http://www.nature.com/nature/journal/v408/n6815/fig_tab/408917a0_F1.html