Biologie (Fach) / Mikrobiologie (Lektion)

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• Definition - Mikrobiologie beschäftigt sich mit Kleinstlebewesen (Bakterien, Protozoa, teils Pilze und Algen) sowie Viren (auch wenn sie keine Lebewesen schlechthin sind – siehe Virengenetik)
• Was sind Mikroorganismen? Wie werden sie taxonomisch geordnet? Kleinstlebewesen aus den Gruppen der Pro- und Eukaryoten teils Krankheitserreger aber auch Helfer bei Stoffkreisläufen der Natur bei der Verdauung von Nahrung bei Zersetzungsprozessen bei der Herstellung von Medikamenten und Nahrungsmitteln mittels biotechnologischer Prozesse heute: Unterscheidung anhand von genetischen Merkmalen früher Einteilung nach Form: Kokken, Bazillen, Vibrionen, Spirillen, Spirochäten, filamentöse Formen weitere Enteilung nach Form der Zusammenlagerung: Staphylokokken, Diplokokken, Streptokokken außerdem: Anzahl/Vorhandensein von Geißeln + Gram-Färbung
• Gram-Färbemethode: Funktion und Ablauf Unterteilung der Bakterien in gram-negative (dünne Mureinschicht) und gram-positive (dicke Mureinschicht) Färben: Dunkelblau mittels Gentianviolett Entfärben: Waschen der dunkelblauen Bakterien mit Ethanol → je nach Dicke der Mureinschicht werden die Zellen entfärbt, wenn sie dünn sind, bzw. verbleiben färbig, wenn sie dick sind Gegenfärben: gram-negative Bakterien werden mittels Karbol-Fuchsin rot/rot-orange gefärbt
• Prokaryoten: Definition, einfache Unterteilung, einzellige Lebewesen ohne Zellkern leben auch in extremen Lebensräumen wie in Salzseen, auf Gletschern oder in Geysiren Archaebakterien Bakterien (auch Cyanobakterien = Blaualgen) weitere Unterteilung nach Stoffwechselwegen, -produkten und der Notwendigkeit von Sauerstoff zur Energiegewinnung
• Entdeckung der Bakterien 1676 von A. Leeuwenhoek im Zahnbelag im 19. Jahrhundert wurde der Zusammenhang von mangelnder Hygiene und Krankheit von Ignaz Semmelweiß erkannt 1866: Louis Pasteur legt Grundstein für heutige Hygiene & entwickelt das Pasteurisieren trotz intensiver Forschung heute immer noch nicht alle Bakterien entdeckt + beschrieben
• Unterschiede von Prokaryoten in Bezug auf Eukaryoten besitzen keinen echten Zellkern → DNA frei im Zellplasma (sogenanntes Kernäquivalent/Nucleoid) Zellwand nicht aus Zellulose o. Lipiden mit eingelagerten Proteinen → stattdessen aus Murein (Polysaccharid) mit eventueller Schleimhülle manchmal Plasmide als kleine, ringförmige, autonom replizierende DNA-Moleküle; zählen nicht zum Kernäquivalent → liegen also extrachromosomal vor Bewegung mittels Geißeln, die einem anderen Bauplan folgen als die der Eukaryoten
• Vermehrung von Bakterien Parasexualität am Beispiel der Bakterien Zellteilung (Voraussetzung: Verdopplung der Erbsubstanz) → Querteilung, wodurch es sich bei den Nachkommen um Klone handelt (besitzen identes Genom) günstige Bedingungen: ca. alle 30 Minuten neue Generation → durch exponentielles Wachstum nach sechs Stunden über eine Million Bakterien (solange nicht durch eigene Stoffwechselprodukte oder fehlende Nahrung gehemmt) ungünstige Bedingungen: bilden Sporen (unterteilt in Endo- und Exosporen) als Dauerstadien aus – diese sind sehr hitze- und kälteresistent und auch teilweise gegen Gifte und Säuren gewappnet Fortpflanzung der Geschlechtszellen sogenannte Konjugation: Bakterien bilden Plasmabrücken zwischen einander aus und übertragen so Plasmide – Genaustausch, z.B. Weitergabe von Antibiotikaresistenz
• Stoffwechsel der Bakterien → Ernährung → Unterscheidung zwischen aeroben und anaeroben heterotroph: ernähren sich von organischen Verbindungen – Destruenten oder Konsumenten autotroph: phototroph – ernähren sich anorganisch von Licht autotroph: chemolithotroph – ernähren sich von anorganischen Verbindungen, z.B. Mineralen aerobe Bakterien: benötigen Sauerstoff zur Energiegewinnung (Zellatmung) Beispiele: Meningokokken (Gehirnhautentzündung/Blutvergiftung), Staphylokokken (Eitererreger), Pseudomonas-Bakterien (auf feuchten Tüchern; Produktion von Durchfalltoxinen) anaerobe Bakterien: benötigen keinen Sauerstoff zur Energiegewinnung obligat anaerob (Sauerstoff toxisch) oder fakultativ anaerob (können mit und ohne leben) Beispiele: Escherichia coli/E. coli → im Dickdarm des Menschen zum Aufbau der Darmflora → an Verdauung von Kohlenhydraten beteilt, Methangas wird gebildet → Blähungen Salmonellen (Lebenmittelvergiftungen)
• allgemeine Einteilung der Prokaryoten nach Stoffwechselprozessen Archae (Archaebakterien) Halophile Thermophile Acidophile Thermoacidophile Methanogene Bakterien Autotrophe Phototrophe Chemolithotrophe Heterotrophe Saprophyten Enterobakterien
• Einteilung der Prokaryoten: Archae Halophile Thermophile Acidophile Methanogene Thermoacidophile salzliebend: optimale Lebensbedingungen bei Salzkonzentration, die 9% übersteigt → leben in Salzseen, Salinen, Salzstöcken, gesalzenem Fleisch-Fisch nicht pathogen z.B. Halobacter Kalium-Ionen-Pumpen verhindern Ausströmen von Wasser aus der Zelle wärmeliebend: Temperaturen über 45°C, optimal eher 70°C leben in heißen Quellen oder Geysiren säureliebend: niedrige pH-Werte (bis zu 1) leben in Abwässern bei Metallgewinnung Methanbildung unter anaeroben Bedingungen leben in Sümpfen, stehenden Gewässern, Faultürmen von Kläranlagen und dem Magen von Wiederkäuern (→ Mikroorganismen für Verdauung von Zellulose, Stärke und Pektin zuständig) Energiegewinnung durch Chemosynthese: Nutzung von H2, um CO2 zu CH4 (Methan) zu reduzieren wärme- und säureliebend: optimale Bedingungen Temperaturen um 100°C und äußerst niedrige pH-Werte leben an heißen Tiefseequellen (»black smokers«)
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• Unterteilung der Prokaryoten: Bakterien → autotrophe Phototrophe Chemolithotrophe Energiegewinnung durch Fotosynthese → besitzen spezielles Bakterienchlorophyll Beispiele: Helibakterien, Cyanobakterien (schon in fossilen Stromatolithen → ursprünglich in anaerober Atmosphäre: Energiegewinnung durch Reduktion von H2S (Schwefelwasserstoff), später H2O → als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff (Sauerstoffkatastrophe siehe Evolution) Energiegewinnung durch Umsetzung anorganischer Stoffe nitrifizierende Bakterien (besondere ökologische Bedeutung im Stickstoffkreislauf) → Fäulnis → Ammoniak → der wird wieder in Nitrat umgewandelt → Pflanzen und Tieren wieder zugänglich Beispiele: Nitrobacter, Nitrosomonas, Knölchenbakterien/Rhizobium (dringen in Pflanzenwurzel ein, wo sie Wurzelknöllchen (Gewebewucherungen) auslösen: gebundener Stickstoff kommt der Pflanze zugute, wodurch z.B. Klee einen Selektionsvorteil hat) wasserstoffoxidierende Bakterien (= Knallgasbakterien) oxidieren H2 + O2 zu H2O (Abgasbeseitigung in Heizindustrie + Verkehr)
• Einteilung der Prokaryoten: Bakterien → Heterotrophe Fäulnis vs. Verwesung vs. Gärung Saprophyten aerobe Bakterien zersetzen – Endprodukte: Wasser, CO2, Nitrate, Sulfate, Phosphate anaerobe Bakterien zersetzen stickstoffreiche Substanzen – Endprodukte: Methan, Schwefelwasserstoff, Ammoniak anaerobe Bakterien zersetzen organische (kohlenstoffhaltige) Substanzen: Endprodukte – Milchsäure, Buttersäure (namensgebend – Ausnahme der Essigsäuregärung: keine Gärung, da Zucker/Alkohol unter Sauerstoffeinfluss umgewandelt wird = unvollständige Oxidation) Fäulnisbewohner ernähren sich von abgestorbenen Tieren/Pflanzen, wobei wertvolle anorganische Stoffwechselprodukte wie Mineralsalze entstehen → Destruenten
• Einteilung der Bakterien: Heterotrophe Parasitismus vs. Commensalismus vs. Symbiose Enterobakterien heterotrophe Ernährung, bei der ein Wirt geschädigt wird (nur Vorteil für das Bakterium) → Schaden durch toxische Exkretion, Krankheitsübertragung, Nahrungsentzug Unterscheidung zwischen Endoparasiten und Ektoparasiten Endoparasiten: im Wirt bzw. seinen Zellen Ektoparasiten: auf dem Wirt temporärer und stationärer Parasitismus temporär: zeitweiliger Aufenthalt in einem Wirt stationär: auf Dauer an den Wirt gebunden keine Schädigung des Wirts  beide Partner haben Vorteil aus dem Zusammenleben (z.B. Darmflora)  fakultativ anaerob Dauerbewohner der menschlichen und tierischen Darmflora pathogene Formen (Salmonellen) lösen z.B. Magen-Darm-Infektionen aus
• Milzbrand: Erreger, Entdecker, Geschichte/Einsatz Anthrax (Bacillus anthracis) Robert Koch (1879) einfach zu züchten, Sporen unempfindlich → praktisch unbegrenzte Lagerung als Pulver geruchslos + kann durch Wind über mehrere Kilometer übertragen werden Schutz durch Gasmasken, Schutzkleidung, Impfung (US für gefährdete Soldaten) biologische Waffe im Zweiten Weltkrieg (Experimente) → schottische Insel Gruinard verseucht, 1986 desinfiziert, heute noch militärisches Sperrgebiet drei Wochen nach 9/11 Briefe mit Erreger verschickt → 22 Personen erkrankt, fünf Tote
• Zusammenfassung: Bedeutung von Bakterien Nutzen für den Menschen Krankheitserreger Bakterien in Nahrungsmitteln Sterilisationsverfahren machen als Destruenten Nährsalze für Pflanzen wieder verfügbar Umweltschutz: Fett- und Ölabbau Darmbewohner von Wiederkäuern (helfen z.B. bei der Zellulose-Verdauung) »Gründüngung«: Knöllchenbakterien → Anreicherung von Stickstoff aus der Luft in Pflanzenwurzeln schädliche Wirkung durch toxische Exkrete Krankheiten wie Typhus, Cholera, Pest, Tetanus, etc. Gegenmaßnahme: Antibiotika, speziell Penicillin (von Pilzen) → verhindert den Aufbau der Bakterienwand) – Resistenzbildung möglich Verwendung von Bakterien bei der Herstellung von Sauerkraut, Essig, Joghurt, etc. Nahrungsmittelverderb durch Zersetzung der Eiweiße durch Bakterien unter Luftabschluss Lebensmittelvergiftung durch Toxine → Durchfall und Erbrechen steril = frei von Mikroorganismen Autoklavieren (Hitze + hoher Druck) Chemikalien zur Reinigung von Glasflaschen Bestrahlung mit UV-Licht Filtrieren einer Flüssigkeit durch extrem enge Poren Desinfektion der Hände/Arbeitsflächen mit Alkohol, Chlor, etc.
• Protisten: zugehörig, Lebensraum, Ernährung, Unterteilung Protozoa, Algen und teilweise Pilze (ein- bis wenigzellige Eukaryoten) wichtige Planktonorganismen: auf wässriges Milieu angewiesen → in (der Nähe) von Salz-/Süßwasser, in Körperflüssigkeit, Parasitismus in den Zellen vielzelliger Organismen (Krankheitserreger) autotroph (Algen) vs. heterotroph (Protozoa) Algen (pflanzenähnliche Formen) Grünalgen (Chlorophyta) Kieselalgen (Diatomeen) Dinoflagellaten (Dinoflagellata) Protozoa (tierähnliche Formen) Wurzelfüßer (Rhizopoda) Wimperntierchen (Ciliata) Sonnentierchen (Heliozoa) und Strahlentierchen (Radiolaria) Sporentierchen (Sporozoa) Schalentierchen (Formainifera) Geißeltierchen (Flagellata) pilzähnliche Formen Schleimpilze (Myxomycota) Algenpilze (Oomycota) Pilze Symbionten Parasiten Saprophyten
• Protisten-Unterteilung: Algen allgemein Grünalgen (Chlorophyta) – Lebensraum, Beispiel Kieselalgen (Diatomeen) – Lebensraum, Verwendungszwecke Dinoflagellaten (Dinoflagellata) – Anatomie, Lebensraum, Lebensart autotroph, hauptsächlich durch Fotosynthese (besitzen Chlorophyll) andere Farbstoffe: Phycobiline (rot/blau), Carotine (gelb), Xanthophylle (braun) Grundbestandteil des Planktons (Phytoplankton) = Basis der Nahrungskette Süß-/Salzwasser, feuchte Erde, Symbiose mit anderen Lebewesen (Grünalgen + Pilze = Flechten) Chlamydomonas Süß-/Salzwasser Filtrierung von Abwässern, Getränken oder Ölen, medizinisch als Quellmittel oder in Tierfutter Zelluloseeinlagerungen in Zellwänden, charakteristische Formen, Fortbewegung durch Geißel Ozeane → Symbiose mit Protozoen, Quellen, Korallen, Seeanemonen, Mollusken starke Toxine mancher Arten werden von Filtriern (z.B. Muscheln) aufgenommen werden und eine Gefahr für den Menschen darstellen
• Protisten-Unterteilung: Protozoa allgemein Wurzelfüßer (Rhizopoda) – Beispiel Amöbe: Anatomie, Lebensraum und -art, Pathogene Wimperntierchen (Ciliata) – Lebensraum, Beispiel, Anatomie Sonnentierchen (Heliozoa) und Strahlentierchen (Radiolaria) – Lebensraum und -art, Anatomie tierähnliche Einzeller mit heterotropher Ernährungweise: parasitische, symbiontische, commensalistische und frei lebende ändert ständig Zellgestalt (Nahrungsaufnahme durch Umfließen der Nahrung), Fortbewegung mit Scheinfüßchen (Pseudopodien), Verdauung in Nahrungsbläschen frei lebend im Süß-/Salzwasser parasitär z.B. Entamoeba hystolitica (Erreger der Amöbenruhr) Süß-/Salzwasser, teilweise Boden Pantoffeltierchen Beweung und Nahrungsaufnahme durch wellenartig schlagende Wimpern, bei Austrocknung des Lebensraum Einkapselung in Zysten, aus denen sich wieder ein Pantoffeltierchen entwickeln kann, Kerndimorphismus: Großkern (Stoffwechselprozesse) vs. Kleinkerne (Konjugation)  Heliozoa im Süßwasser, Radiolaria im Salzwasser (Bestandteile des Planktons = Zooplankton (siehe Phytoplankton) Bewegung und Nahrungsaufnahme durch Axopodien (strahlenartig angeordnete, von Plasmaschicht umgeben Pseudopodien → Mikroorganismen bleiben kleben und werden phagozytiert)
• Protisten-Unterteilung: Protozoa Schalentierchen (Formainifera) – Lebensraum Sporentierchen (Sporozoa) – Lebensraum und -art, Beispiel Geißeltierchen (Flagellata) – Lebensraum und -art, Beispiele rezent und fossil (90%) → in Ozeanen und als wichtiger Bestandteil von Sedimentgesteinen parasitisch in tierischen Organismen → gefährlicher Krankheitserreger geschlechtliche und ungeschlechtliche Entwicklungsstadien (mit Wirtswechsel) Plasmodium (Malaria-Erreger) – übertragen von Anopheles-Mücke frei lebend oder im Darm von Tieren Trichonympha → symbiontisch in Termiten; ernähren sich von der Zellulose des gefressenen Holzes Trypanosomen (Schlafkrankheits-Erreger) → parasitisch in Tse-Tse-Fliege
• Protisten-Einteilung: pilzähnliche Formen Schleimpilze (Myxomycota) – Anatomie + Lebensart Algenpilze (Oomycota) – Lebensraum und -art, Anatomie aktiv kriechende Fortbewegung, Plasmodium (amöboide Plasmamasse ohne Zellwand) benötigen Feuchtigkeit → bei Trockenheit Bildung von sogenannten Sklerotien als Übergangsstadien bei Nahrungsknappheit Bildung von Sporenträgern → Verbretung der Sporen durch Wasser & Wind Destruenten im Süßwasser Zellwände aus Zellulose, Geflecht fein verzweigter Pilzfäden (Hyphen)
• Protisten-Einteilung: Pilze allgemein – Vorkommen, systematische Stellung »Kosmopoliten« → über ganze Welt verbreitet, sehr anpassungsfähig – verschiedenste Standorte (terrestrisch bis aquatisch) systematisch zwischen Tieren und Pflanzen Abgrenzung von Einzellern: echter Zellkern (Eukaryoten) Abgrenzung von Pflanzen: keine Chloroplasten (kein Chlorophyll → keine Fotosynthese), heterotrophe Lebensweise (wichtige Destruenten) Abgrenzung von Tieren: Zellwand aus Chitin (nicht primär sessile Lebensweise → siehe Polypen oder Schwämme) den Tieren nahe: heterotrophe Ernährung, Speicherung von Kohlehydraten als Glykogen
• Protisten-Einteilung: Pilze Aufbau Vermehrung Zellen fädig aufgebaut (= Hyphen) gesamtes Fädengeflecht = Mycel → für Bildung des Pilzkörpers verantwortlich Zellwände aus Chitin vegetativ durch Ausbreitung der Mycelien oder Bildung von Sporen sexuell durch die Verschmelzung der Zelkerne zweier Mycelzellen (→ bei höheren Pilzen entwickelt sich daraus der Fruchtkörper (Schwammerl) mit der Funktion der Bildung u. Verbreitung von Sporen)
• Protisten-Einteilung: Pilze Ernährungsweise → Symbionten – Lebensart, Beispiele → Parasiten – Lebensart, Beispiele → Saprophyten – Lebensart, Beispiele Lebensgemeinschaften/Symbiosen mit anderen Organismen zu beidseitigem Nutzen Pflanzen und Pilze (z.B. Fichte + Eierschwammerl/Steinpilz) = Mykorrhiza (Pilzwurzel) → Pilze: bereiten Stickstoffe/Phosphate aus dem Boden auf, Pflanzen: liefern Kohlenhydrate Algen und Pilze = Flechten → Pilze übernehmen Feindabwehr (Bildung von Toxinen) Angriff lebender Zellen des Wirtsorganismus als Krankheitserreger z.B. auf Pflanzen/Getreide »Mehltau« → Pilze auf der menschlichen Haut – Fuß- & Nagelpilz oder: parasitäre Pilze bauen Lignin (Holz) ab → Reduktion der Biomasse (ergo unentbehrlich für Stoffkreislauf) Ernährung von abgestorbener organischer Substanz (Saprotrophe bzw. Saprobionten) z.B. Schimmelpilze wie Aspergillus- und Penicillium-Arten auf Lebensmitteln, in Wohnräumen → eventuell Asthma, Hautreizungen, allergische Reaktionen
• Protisten-Einteilung: Pilze Bedeutung für den Menschen Biotechnologie – z.B. Herstellung von Käse, alkoholische Gärung Giftpilze Produktion von Lebensmitteln: Speisepilze Medikamente: Antibiotika (Bakterienhemmstoffe, hauptsächlich von Pilzen gebildet → offiziell entdeckt von Alexander Fleming (1920) Hemmung der Proteinbiosynthese der Bakterien → stoppt Vermehrung/tötet sie ab rezeptpflichtig Nebenwirkungen der Antibiotika-Einnahme: greifen auch z.B. nützliche Bakterien der Darmflora an (Verdauungsstörungen – Wirkung der Anti-Baby-Pille kann beeinträchtigt werden)

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