Wachstum von Mikroorganismen Nährmedien

Wachstum von Mikroorganismen
Nährstoffe
Makroelemente: C, O, H, N, S, K, Ca, P, Mg, Fe
Spurenelemente = Mikroelemente: Zn, Mn, Mo, Cu, Co, Ni, V, B, Cl, Na, Se, W usw.
Zusammensetzung typischer Nährmedien:
• C-Quelle: bei heterotrophen Mikroorganismen oft Pepton, Zucker, oder andere
org. Substanzen wie Alkohole, Fettsäuren usw.; dient oft gleichzeitig als
Energiequelle.
Autotrophe Mikroorganismen nutzen CO2 als C-Quelle
C Quelle.
• N-Quelle: oft Pepton, NH4+- oder NO3—Salze; manche können Luftstickstoff N2
verwerten Æ N2-Fixierer.
• Die
Di üb
übrigen
i
M
Makroelemente
k l
t und
dS
Spurenelemente
l
t werden
d als
l anorganische
i h Salze
S l
zugesetzt.
• Wuchsstoffe: Vitamine, Aminosäuren, Purine/Pyrimidine. werden oft z.B. als
Hefeextrakt oder Fleischextrakt zugegeben.
zugegeben
• H2O: Hauptbestandteil aller Medien.
Nährmedien
Vollmedium: enthält mehr Nährstoffe als erforderlich
Minimalmedium: erfüllt Mindestansprüche
Komplexmedium: enthält komplexe Bestandteile
Synthetisches Medium: ausschließlich chemisch genau definierte Stoffe.
Wachstum von Mikroorganismen
Wachstumsbedingungen
• pH-Wert:
neutrophile (pH6
(pH6-8,
8, z.B. Bacillus subtilis)
acidophile (z.B. Picrophilus torridus pHopt=0,7, Thiobacillus thiooxidans bis pH1,
Milchsäurebakterien bis ~pH4,)
alkaliphile (z.B. Natronococcus pHopt=9,5)
• Temperatur
psychrophile (~<0°C – 15°C) z.B. Photobacterium fisheri
mesophile (~15-45°C), z.B. Escherichia coli
thermophile ((~ 45
45-80°C)
80 C), z
z.B.
B Geobacillus stearothermophilus
extrem thermophile/hyperthermophile (~80-113°C), z.B. Pyrococcus furiosus
• Gelierungssystem (Gelatine, Agar).
• Belüftung
obligat aerobe (z.B. Acetobacter aceti)
obligat anaerob (reaktive O-Verbindungen toxisch; z.B. Clostridium tetani)
fakultativ anaerob (z.B. E. coli, S. aureus)
aerotolerante vertragen O2, können aber nichts damit anfangen
mikroaerophile: niedrige O2-Partialdrücke vorteilhaft, z.B. Milchsäurebakterien.
pH- u. Temperatur-Bereiche des Wachstums
Sauerstoff und mikrobielles Wachstum
(a) aerob
(b) anaerob
((c)) fakultativ anaerob
(d) mikroaerophil
(e) aerotolerant anaerob
Resazurin
R
i (Redox-Farbstoff)
(R d F b t ff)
oxidiert Æ rot
reduziert Æ farblos
Brock: Biology of Microorganisms
Wachstum von Mikroorganismen
Vermehrung durch Zweiteilung:
die meisten Prokaryonten, manche Pilze
Wachstum von Mikroorganismen
Septumbildung bei der Zellteilung: Rolle von FtsZ (GTP-bindend, Ähnlichkeit
zu euk. Tubulin)
Munk (Hrsg.): Mikrobiologie
Exponentielles Wachstum
Diauxie
Munk (Hrsg.): Mikrobiologie
Bakterien vermehren sich unterschiedlich schnell
Organismus
Temp.
Temp
(°C)
Geobacillus stearothermophilus
p
Escherichia coli
Bacillus subtilis
Pseudomonas putida
Vibrio marinus
Rhodobacter sphaeroides
Nitrobacter agilis
60
37
40
30
15
30
27
Generationszeit
(min)
11
21
26
45
81
132
1200 (20 h)
Optische Bestimmung der Zelldichte
Nephelometrie
Turbidometrie
Zählkammer
Munk (Hrsg.): Mikrobiologie
Lebendzellzahlbestimmung
Munk (Hrsg.): Mikrobiologie
Kultivierung von Bakterien im Fermenter
Pump
Substrat
(steril)
Glucose
BATCH
FED-BATCH
Produkt
Glucose
Produkt
Biomasse
Biomasse
Kontinuierliche Kultur im Chemostat
P
Pumpe
1
P
Pumpe
2
Zuflussrate = Abflussrate
Substrat
(steril)
Auffanggefäß
Ein Substrat ist wachstumslimitierend
Bakterien können die Zelldichte sensieren
Zelldichte-abhängige
Z
lldi ht bhä i R
Regulation
l ti d
der G
Genexpression
i
Æ Quorum Sensing
z.B. Vibrio fisheri
HSL = N-Acyl-Homoserinlacton
1 cm
Munk (Hrsg.):
(Hrsg ): Mikrobiologie
Bakterielle
Biolumineszenz
Hemmung und Abtötung von Mikroorganismen
Natürlicher Vorgang, dass unter bestimmten Umgebungsbedingungen
oder unter Einfluss von abiotischen oder biotischen Substanzen Zellen
gehemmt
h
t werden
d oder
d sterben.
t b
Aus anthropogener Sicht wichtig für:
•
Hygiene (zu Hause, lebensmittelverarbeitende und pharmazeutische
Betriebe, Krankenhäuser..)
•
•
•
Hemmung/Abtötung pathogener Keime
Haltbarmachung von Lebens- und Futtermitteln
Industrielle Fermentationsprozesse
Geschichte der Mikrobiologie
Hitzebehandlung und Antiseptik waren wichtig für die
Begründung der Bakteriologie
1847, Ignaz Semmelweis, Verwendung von Chlorwasser (Antiseptik)
Louis Pasteur (1822-1895), Französischer Chemiker, Arbeiten zur Gärung
(Milchsäuregärung, alkohol. Gärung).
Abtötung mit Hitze Æ Pasteurisierung.
Pasteurisierung
Schwanenhalskolben (1861)
Erhitzen tötet Mikroorganismen, aber es können noch Keime überleben
1876, John Tyndall: fraktionierte Sterilisation
Ferdinand Cohn:Cohn: Entdeckung der Sporen als hitzeresistente
Dauerformen
- Beschreibung von Bacillus subtilis (Heubacillus)
Geschichte der Mikrobiologie
Louis Pasteur (1822-1895), Französischer Chemiker,
Arbeiten zur Gärung (Milchsäuregärung, alkohol.
Gärung).
Abtötung mit Hitze Æ Pasteurisierung.
Schwanenhalskolben (1861)
Einfluss der Temperatur auf das Überleben von Mikroorganismen
Dezimale
Reduktionszeit
D ist die Zeit, nach
der bei gegebener
Temperatur nur 10%
der ursprünglichen
Population überleben
B k Biology
Brock:
Bi l
off Microorganisms
Mi
i
Hier: mesophiles Bakterium
T = 70°C Æ D = 3 min; T = 60°C Æ D = 12 min; T = 50°C Æ D = 42 min
Sterilisation mit
dem Autoklaven
Brock: Biology of Microorganisms
Sterilfiltration
Brock: Biology of Microorganisms
Sterilisationsmethoden
Fraktionierte
a t o e te Ste
Sterilis.
s 2-4x 70-100°C,
0 00 C, da
dazwischen
sc e beb
bebrüten
üte
Lösungen,
ösu ge , Nährmedien
ä
ed e
Munk (Hrsg.): Mikrobiologie
Desinfektionsverfahren
Munk (Hrsg.): Mikrobiologie
Konservierungsverfahren
Physikalische Konservierungsverfahren
Hitze (Pasteurisierung; Konservendosen i.d.R. autoklaviert)
Tiefe Temperaturen (-20°C)
Entkeimungsfiltration
f
(
(z.B.
S
Säfte,
f Wasser, Therapeutische Lösungen))
Trocknung (z.B. Haferflocken, Dörrfleisch, Dörrobst)
Strahlenbehandlung (ionisierende Strahlung)
Chemische Konservierungsverfahren
Säuerung, oft in Kombination mit Pasteurisierung
(Essigsäure Milchsäure,
(Essigsäure,
Milchsäure Weinsäure
Weinsäure, Zitronensäure
Zitronensäure, Sorbinsäure
Sorbinsäure,
Benzoesäure, Ameisensäure)
hitzeresistente Sporen keimen bei pH<4 nicht aus
Räuchern (wasserentziehend; antimikrobielle Substanzen wie Phenole, Kresole,
Ald h d E
Aldehyde,
Essigsäure,
i ä
A
Ameisensäure
i
ä
kö
können eindringen)
i di
)
Salzen (in 14-25% NaCl; Wasserentzug)
Zucker (~50% Saccharose wachstumshemmend; Kandierung von Früchten)
Alkohol und Säure (Æ Wein enthält 2
2-3,5
3,5 M Ethanol, auch Schwefelung mit
schwefeliger Säure oder Kaliumdisulfit K2S2O5 stabilisierend)
Hopfenextraktstoffe (Æ stabilisiert Bier neben Alkohol- und Säuregehalt)
„Extremisten“
leben unter
extremen
Bedingungen
Hemmung und Abtötung von Mikroorganismen
Brock: Biology of Microorganisms
Antibiotika
Brock: Biology of Microorganisms
Repräsentative Strukturen:
Antibiotika
Ciprofloxacin
p
((ein Q
Quinolon,,
fluoriertes Derivat der
Nalidixinsäure)
Anteil versch. Antibiotika (weltweit)
Erythromycin
(Macrolid-Antibiotikum)
ß-Lactam-Antibiotika: Penicilline und Cephalosporine
β-Lactamring
β
Lactamring
Thialozidinring
β-Lactamase
N-Acylrest
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6-Aminopenicillinsäure
Tetracycline
β-Lactamring
β
Lactamring
Thialozidinring
β-Lactamase
N-Acylrest
6-Aminopenicillinsäure
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Antibiotika
Brock: Biology of Microorganisms
Inaktivierung von Antibiotika
durch Enzyme
Streptomycin
Inaktivierende Enzyme werden oft
auf Resistenzplasmiden kodiert
Chloramphenicol
Penicillin
Phosphorylierung
Adenylierung
Acetylierung
β-Lactamase
Brock: Biology of Microorganisms
Wirkungsweise
g
antifungischer
Chemotherapeutika
antibakterielle Antibiotika
sind i.d.R. unwirksam
Brock: Biology of Microorganisms
Test auf Empfindlichkeit gegenüber Antibiotika
Brock: Biology of Microorganisms

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