Man ordnet derzeit alle Bakterien in 2 Gruppen ein:

Die Verwandschaft zu den anderen Organismen zeigt folgended Tafel:

Von den Archäbakterien gibt es 3 Stämme:

Archäbakterien sind winzige einzellige, runde, stäbchenförmige und fadenförmige Bakterien, die an extremen Standorten leben. Prinzipiell besitzen sie den typischen prokaryontischen Aufbau. Der Aufbau unterscheidet sich jedoch von den Eubakterien. Z.B. sind Zellwand und Zellmembran aus anderen Stoffen als bei Bakterien und Eukaryonten aufgebaut. Die Membranlipoide sind u.a. mit Isopren verethert, was ihnen ander chemische Eigenschaften gibt.
Bei Methanothermus fervidus (Abb. 52) besteht die Zellwand aus einem Pseudomureinsacculus (=Peptidoglycan) in 2 Schichten, die extrem Hitzbeständig ist. Das Bakterium wurde aus 60-97 °C heißen Quellen in Island isoliert und reduziert CO2 zu Methan (= Methanbildner) weiterhin Schwefel zu H₂S.

Bemerkenswert sind auch die halophilen (= salzliebenden) Bakterien unter den Archäbakterien. Sie können wie Halobacterium salinarum in konzentrierter Salzlösung überleben, was normalerweise bei jeder anderen Zelle zur Plasmolyse und dem Tod führt. Die Abb. 53 zeigt eine Saline mit Kolonien von Halobacterium salinum, erkennbar an der roten Farbe. Diese rührt von speziellen photosynthetisch aktiven Pigmenten wie Bacteriorhodopsin. Einen ähnlicher Farbstoff findet man auch in Sehzellen.

Die Eubakterien unterteilt man in Bakterien und Cyanobakterien.

Die Einordung der Bakterien hat sich seit der Entdeckung der Archäbakterien stark geändert. Manche Wissenschaftler ordnen die Archäbakterien sogar einem eigenen, 6. Reich zu.

Die Eubakterien kann man aufgrund ihrer DNA- und Ribosomenstruktur in folgende Stämme unterteilen:

Nachfolgend soll jeweils eine Art eines Stamms vorgestellt werden:

Thermatogales

Thermatogales wie Fervidobacterium islandicum sind thermophile, anaerobe, stäbchenförmige Gram-negative Bakterien (65-90°C), die Gärung betreiben und an geothermisch Standorten isoliert werden können.

Grüne Nichtschwefelbakterien

Grüne Nichtschwefelbakterien wie Thermomicrobium spec. oder Chloroflexus spec. sind thermophile (75°C), stäbchen- oder fadenförmige Organismen. Sie leben aerob, hetreotroph und phototroph. Man findet sie in heißen Quellen.

Grüne Schwefelbakterien

Grüne Schwefelbakterien wie Chlorobium spec. sind Bakterien, die H₂S als Elektronenquelle bei der Photosynthese benutzen. Sie kommen im Meer und Süßwasser vor und bilden Schwefelpartikel.

Flavobakterien

Flavobakterien wie Cytophaga spec. sind obligate, aerobe Gram-negative, nichtsporenbildende, nichtbewegliche gelb gefärbte Stäbchen. Sie leben im Boden oder in den Schleimhäuten der Säugetiere und sind resistent gegen viele Antibiotika. Bekannt sind sie u.a. durch ihren Abbau von DNA, RNA, Protein, Cellulose, Chitin, Agar, etc .

Cytophaga spec.	Nostoc.spec.	Rhodopseudomonas spec.

Cyanobakterien

Cyanobakterien, wie Nostoc spec. können Photosynthese machen, enthalten die Farbstoffe Phycocyanin und Chlorophyll. Sie können N₂ fixieren und leben oft in Symbiose mit Kormophyten, Farnen in Flechten und Pilzen. Man findet sie auch oft in Gewächshäusern, Brunnen und planktonisch in allen Meeren.

Purpurbakterien

Purpurbakterien, wie Rhodopseudomanas spec. leben im Wasser und führen Photosynthese unter Oxidation von H₂S als Elektronenquelle durch.

Gram-positive Bakterien

Gram-positive Bakterien, wie Lactobacillus Bulgaricus sind Bacillen, die wie Clostridien Endosporen bilden. Im allgemeinen Sprachgebrauch steht Bacille für krankheitserregend, jedoch ist nur ein kleiner Teil der Bacillusarten pathogen. Andere Mitglieder der Gruppe sind Bacillen, Milchsäurebakterien, Mycoplasmen, Clostridien, Staphylococcen, Enterococcen. Dazu gehört auch Bacillus megatherium, ist eines der größten Bakterien mit einer Zellbreite von ca. 1,5 mm.

Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, und Streptococcus salivarius subsp. thermophilus sind durch ihre Rolle bei der Yoghurtherstellung bekannt. Beide Milchsäurebakterien verarbeiten Milchzucker zu Milchsäure (Milchsäuregärung). Dadurch wird der pH-Wert herabgesetzt und die Gerinnung des Milchproteins Casein verursacht. Industriell wurde in Europa seit 1919 Yoghurt durch Isaac Carosso, dem Gründer von Danone in Spanien hergestellt.

Spirochäten

Spirochäten wie Leptospira spec. sind lange, flexible, spiralige Bakterien mit Axialfilament, die als aerobe Wasserbewohner in Teichen und Seen leben. Einige Mitgieder sind pathogen bei Mensch und Tieren.

Deinococcus-Thermus

Zu diesm Stamm gehören Bakterien, die für die moderne Gentechnik sehr interessant sind, z.B. Thermus thermophilus. Thermus ist extrem thermophil und lebt in heißen Quellen in Temperaturen von 50 bis 85 °C. Er ist ein gram-negatives, nictsporenbildendes Stäbchen und wegen der Thermophilie und der großen Fähigkeit zur Transformation ( = Aufnahme von Erbgut) ein Modellorganismus in der Gentechnik.

2.4.3.4 Stoffwechsel

Man findet nahezu alle bekannten Stoffwechselwege schon bei Bakterien. Auch extreme Umwelt- und Nährstoffbedingungen stellen für einzelne Bakterienarten kein Problem dar.

Es gibt autotrophe, heterotrophe, aerobe, anaerobe, photosynthetische, eisenfressende, magnetische, salzliebende, wärme- und säureliebende Bakterien. Einige haben sich sowohl an arktische Bedingungen oder 100° C oder an Drücke über 300 bar angepaßt.

Das größte Bakterium dieser Erde ist so groß wie der Kopf einer Fruchtfliege: Thiomargarita namibiensis. Es gehört zu der Beggiatoales und ist mit Thioploca und Beggiatoa verwandt. Die in fädigen Kolonien am Meeresboden lebenden Riesenbakterien besitzen einen Durchmesser von bis zu 0,75 mm und vermögen Sulfid und Nitrat zu speichern. Der größte Teil der Zelle (98%) ist von einer flüssigkeitsgefüllten Vakuole ausgefüllt, die Nitrat in einer 10.000 fach höheren Konzentration enthält, als das umgebende Seewasser. Nitrat wird benötigt, um das Sulfid zu oxidieren. Dies ist anaerob keinem anderen Bakterium möglich.

Die kleinsten Zellen sind übrigens ebenfalls Bakterien: Mycoplasmen (ca. 50 nm) in der Größe von Pockenviren. Sie besitzen im Unterschied zu allen anderen Bakterien keine Zellwand und sind deshalb nicht für Zellwand-Antibiotika wie Penicillin empfindlich bzw. lassen sich auch nicht mir dem GRAM-Farbstoff anfärben. Ihre Form ist sehr variabel.
Man kennt ca. 200 Arten, die strikt parasitisch leben. Gut untersucht ist M. pneumoniae, das ein Art Lungenentzündung hervorruft. Sie befallen oft Schleimhäue, weshalb man sie im Atemwegstrakt und Urogenitalsystem findet.

.

2.4.3.5 Antibiotikaproduktion

Antibiotika sind Stoffe, die das Wachstum von Mikroorganismen hemmen. Man unterscheidet hemmende (Bacteriostatica) und tötende (bacterizide) Wirkung.

Neben Pilzen der Gruppe Aspergillus produzieren vor allem Streptomyceten (fädige, koloniebildende Bakterien, siehe Abb. 62) Antibiotika:

Streptomycin, Chloramphenicol, Tetracycline, Actinomycin und Polypeptidantibiotika.

2.4.3.6 Wachstum und Kultivierung

Die Wachstumskurve der Bakterien in einer Kultur wurde hier behandelt. Unter optimalen Bedingungen zeigen Bakterienkulturen exponentielles Wachstum.

Um Bakterien zu untersuchen, hat man synthetische Nährböden entwickelt und überimpft ein wenig natürlichen Boden oder Wasser mit den vermuteten Bakterien auf dieses Nährmedium. Ein solches Nährmedium könnte wie folgt zusammengesetzt sein:

K2HPO4	0,5 g	K und Phosphatquelle für Enzyme, ATP, DNA, NAD uusw.
NH4Cl	1 g	Stickstoffquelle für Aminosäuren usw.
MgSO4	0,2g	Schwefelquelle für Aminosäuren, Mg für Enzyme
FeSO4	0,01	Fe für Cytochrome
CaCl2	0,01	Kalzium für Enzyme
Glucose	10g	als Energiequelle
Wasser	1 l	Medium
Spurenelemente-Stammlösung	1ml	als Kofaktoren für Enzyme

Darüber hinaus benötigen viele Bakterien ein Vitamingemisch aus Biotin (H), Nicotinsäure( B3), Thiamin (B1), p-Aminobenzoesäure, Pantothensäure, Pyridoxamin (B6) und Cyanocobalamin (B12).

Daneben stellt man komplexe Nährböden aus Hefeextrakt, Pepton oder Fleischextrakt, Malzextrakt, Pflaumensaft usw. her. Zur Herstellung fester Nährböden werden den flüssigen Nährlösungen Verfestigungsmittel zugesetzt, die der wässrigen Lösung geleeartige Konsistenz verleihen. Dazu wird seit Robert Koch (1883) ein komplexes Polysaccharid aus Meeresalgen verwendet: Agar. Er wird in 1-2% zugesetzt und unterhalb 45°C fest. Es gibt nahezu kein Bakterium, was Agar abbaut.

Zu den Wachstumsbedingungen gehören ein bestimmter pH-Wert (meist pH 7 oder höher) und eine bestimmte Bebrütungstemperatur. Da die meisten Boden- und Wasserbakterien mesophil sind, also Temperaturen von 20 - 45°C benötigen, kann man bei Zimmertemperatur oder im Brutschrank bebrüten. Thermophile Bakterien benötigen Temperaturen oberhalb 45°C, denen die psychrophilen, meist marinen Bakterien gegenüberstehen, deren Optimum unter 20°C liegt.

Aerobe Bakterien können an der Oberfläche von Agarplatten, anaerobe in luftdicht, O₂-freien und mit Nährlösung gefüllten Flaschen kultiviert werden. Größere Mengen werden in sog. Fermentern angereichert.

2.4.3.7 Sterilisation

Die Abtötung von Mikroorganismen ist die Grundlageder mikrobiologischen Arbeitsmethoden, der Medizin, der Industrie und der Nahrungsmittelkonservierung.

Begriffe:
Die Befreiung eines Materials von lebenden Mikroorganismen und deren Ruhestadien bezeichnet man als Entkeimung oder Sterilisation. Davon unterschieden ist die Teilentkeimung (Pasteurisierung) und die Konservierung.

Wird eine Material oder eine Nährlösung durch einen fremden Mikroorganismus verunreinigt, spricht man von Kontamination. Unter Desinfektion versteht man die Abtötung aller pathogenen Mikroorganismen. Als Keime werden Bakterien bezeichnet, ohne sie genau zu definieren.  

Methoden:
Grundsätzlich kommen folgende Methoden zur Anwendung:

• Feuchte Hitze,
• trockene Hitze,
• Filtration,
• Strahlung,
• Chemikalien

1. Feuchte Hitze (unter Druck)

Die vegetativen Zellen von Bakterien und Pilzen werden schon bei Temperaturen um ca. 60°C innerhalb von 5-10 Minuten abgetöt, Hefe und Pilzsporen erst oberhalb 120°C (15 Min). In Kliniken werden 5 Minuten bei 134°C empfohlen, um auch besonders hitzeresistente Sporen abzutöten (Bacillus stearothermophilus). Um Temperaturen oberhalb des Siedepunktes von Wasser zu erreichen, benutzt man sogenannte Autoklaven. Dies sind Geräte ähnlich einem Dampfdrucktopf in der Küche.

In Abb. 65 ist ein solcher Autoklav abgebildet. Mit ihm können medizisches Besteck, Reagenzgläser oder größere Gefäße sterilisiert werden. Die Abtötung hängt von der Temperatur und nicht vom Druck ab. Deshalb wird meist Vakuum angewendet. Die Dauer hängt von der Größe der zu sterilisierenden Geräte ab:

• Reagenzgläser (20 ml) ca. 15 Min (123°C)
• Erlenmeyerkolben (2 l ) ca. 55 Min (123°C)

Für viele Zwecke reicht eine Teilentkeimung., also nur Abtötung der Zellen. Dies wird durch Pasteurisieren erreicht. Dabei wird 5-10 Min auf 75-80°C erhitzt. Auch die Milch wird pasteurisiert. Um den Geschmack nicht zu stark zu verändern werden kürzere Einwirkzeiten angewandt:

• Kurzzeiterhitzung 20 Sekunden auf 71-75 °C
• Hocherhizung 2-5 Sekunden auf 85-87 °C

Eine Sterilisation der Milch wird durch Ultrahocherhitzung mit überhitztem Wasserdampf (Gemisch bei ca. 135-150°C) 1-2 Sekunden erreicht.

Konservierung von Obst und Beeren ist ebenfalls ein Teilentkeimungsverfahren, da bei der üblichen 20 minütigen Erhitzung der Einweckgläser nur vegetative Formen abgetötet werden, Bakteriensporen bleiben erhalten. Die Fruchtsäuren unterbinden eine Keimung der Sporen.

Um die Prionen, die für die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit oder BSE verantwortlich sind zu zerstören, ist 4,5-stündiges Autoklavieren bei 132^o C notwendig.

2. Trockene Hitze
Durch trockene Hitze werden Sporen erst bei höherer Temperatur abgetötet. Deshalb sollte das Sterilisiergut z. B. in Kliniken mindestes 60 Minuten auf 180°C oder 120 Minuten auf 160°C erhitzt werden. Erst dann denaturieren die Proteine irreversibel.

Bakterien	Einwirkzeiten 150°C	Einwirkzeiten 180°C
Bacillus antracis	60-120 Minuten	3 Minuten
Clostridium botulinum	25 Minuten	5-10 Minuten
Clostridium tetani	30 Minuten	1 Minute
Bodenbakterien	180 Minuten	15 Minuten

3. Filtration
Thermolabile Lösungen können auch durch Anwendung von Mikrofiltern entkeimt werden. Zur Verwendung kommen z. B. bei der Trinkwasserentkeimung Filter aus Kieselgur oder Kunststoff mit Porengrößen von 0,22 bis 0,45 mm. Bakterientoxine können jedoch so nicht entfernt werden.

4. Strahlung
Zur Anwendung kommen UV-, Röntgen- und Gammastrahlung.

Die sterilisierende Wirkung kommt durch Erzeugung von Mutationen und Zerstörung der DNA zustande.

UV-Licht wird meist mit einer Wellenlänge von 260 nm verwendet, was von der DNA absorbiert wird und bei längerer Anwendung zum Tod aller Bakterien führt.

Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge von 10^-8 -10^-10 m, Gammastrahlung 10^-10 - 10^-14 m.

Als Quelle für Gammastrahlung wird Cobalt 60 oder Cäsium 137 verwendet. (beides Produkte der Kernspaltung aus Reaktoren)

Beide Strahlungen wirken ionisierend auf Inhaltstoffe der Mikroorganismen. Unter anderem entstehen aus Wasser freie H- und O-Radikale und H₂O₂, Wasserstoffbrücken in Proteinen werden zerstört und Basen in den Nukleinsäuren verändert.

Die Wirkung auf Mikroorganismen läßt sich durch D₁₀-Werte erfassen (Notwendige Dosis zur Reduktion der Population auf 1/10). Die Einheit ist Gray (1 Gy= 10 000 erg absorbierte Energie/g Medium). Übliche Dosen für Sporenbildner sind 25 KGy.

 
5. Chemikalien
Thermosensible Geräte oder Bereiche werden mit Chemikalien wie Ethylenoxid (Ethenoxid), Ozon oder Formaldehyddampf sterilisiert.

Ethylenoxid wirkt nur in Gegenwart von Wasser (5-10%) und wird im Gemisch mit N₂ und CO₂ angewandt. (2-60 % Ethylenoxid)

Ozon wird z.B. zum Sterilisieren der Anlagen in der Geflügelzucht (Listeria) oder Verbesserung der Hygiene in Erdölplattformen und Desinfektion des Wassers in der fischverarbeitenden Industrie und Schwimmbädern verwendet.

2.4.3.8 Bemerkenswerte pathogene Bakterien

Pathogene Bakterien findet man bezüglich aller Organismengruppen, z.B. Tiere/Mensch, Pflanzen, Pilze.

Mensch/Tier

Abb. 52

Aufbau von Archäa

Abb. 53

Saline mit Halobacterium s.

Abb. 58

Spirillen

Abb. 59

Thermus

Abb. 68

Ozonator zur Sterilisation