Archaea & Bakterien

Bakterien - Wachstum von Bakterienpopulationen

Wachstum von Bakterienpopulationen

Wachstum von Bakterienkulturen wird als eine Erhöhung der Zahl der Bakterien in einer Population und nicht in der Größe der einzelnen Zellen definiert. Das Wachstum einer Bakterienpopulation erfolgt auf geometrische oder exponentielle Weise: Mit jedem Teilungszyklus (Generation) entstehen aus einer Zelle 2 Zellen, dann 4 Zellen, dann 8 Zellen, dann 16, dann 32 usw. Die für die Bildung einer Generation erforderliche Zeit, die Generationszeit (G), kann aus der folgenden Formel berechnet werden:

Gleichung.

In der Formel ist B die Anzahl der zu Beginn der Beobachtung vorhandenen Bakterien, b die Anzahl der nach dem Zeitraum t vorhandenen Bakterien und n die Anzahl der Generationen. Die Beziehung zeigt, dass die mittlere Generationszeit konstant ist und dass die Geschwindigkeit, mit der die Anzahl der Bakterien zunimmt, proportional zur Anzahl der Bakterien zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Diese Beziehung gilt nur während des Zeitraums, in dem die Bevölkerung exponentiell zunimmt, was als logarithmische Wachstumsphase bezeichnet wird. Aus diesem Grund werden Diagramme, die das Wachstum von Bakterienkulturen zeigen, als Logarithmus der Anzahl der Zellen aufgetragen .

Die Generationszeit, die zwischen den Bakterien variiert, wird durch viele Umweltbedingungen und durch die Art der Bakterienspezies gesteuert. Zum Beispiel,Clostridium perfringens , eines der am schnellsten wachsenden Bakterien, hat eine optimale Generationszeit von etwa 10 Minuten;Escherichia coli kann sich alle 20 Minuten verdoppeln; und das langsam wachsendeMycobacterium tuberculosis hat eine Generationszeit im Bereich von 12 bis 16 Stunden. Einige Forscher haben vorgeschlagen, dass bestimmte Bakterienpopulationen, die tief unter der Erdoberfläche leben, extrem langsam wachsen und sich nur einmal alle paar tausend Jahre vermehren können. Die Zusammensetzung des Wachstumsmediums ist ein Hauptfaktor, der die Wachstumsrate steuert. Die Wachstumsrate steigt bis zu einem Maximum an, wenn das Medium eine bessere Energiequelle und mehr Biosynthesezwischenprodukte bereitstellt, die die Zelle sonst für sich selbst herstellen müsste.

Wenn Bakterien in einem Medium angeordnet sind , dass alle Nährstoffe bereit , die für ihr Wachstum notwendig sind, weist die Bevölkerung vier Phasen des Wachstums der einer typischen bakteriellen repräsentativ sind Kurve Wachstum . Beim Inokulieren in das neue Medium vermehren sich Bakterien nicht sofort und die Populationsgröße bleibt konstant. Während dieser Zeit genanntVerzögerungsphase , die Zellen sind metabolisch aktiv und nehmen nur an Zellgröße zu. Sie synthetisieren auch die Enzyme und Faktoren, die für die Zellteilung und das Bevölkerungswachstum unter ihren neuen Umweltbedingungen benötigt werden. Die Bevölkerung betritt dann dielogarithmische Phase , in der die Zellzahlen logarithmisch zunehmen und jede Zellgenerierung im gleichen Zeitintervall wie die vorhergehenden erfolgt, was zu einer ausgeglichenen Zunahme der Bestandteile jeder Zelle führt. Die logarithmische Phase wird fortgesetzt, bis die Nährstoffe aufgebraucht sind oder sich toxische Produkte ansammeln. Zu diesem Zeitpunkt verlangsamt sich die Zellwachstumsrate und einige Zellen können zu sterben beginnen. Unter optimalen Bedingungen kann die maximale Population einiger Bakterienarten am Ende der logarithmischen Phase eine Dichte von 10 bis 30 Milliarden Zellen pro Milliliter erreichen.

Auf die logarithmische Phase des Bakterienwachstums folgt die stationäre Phase , in der die Größe einer Bakterienpopulation konstant bleibt, obwohl sich einige Zellen weiter teilen und andere zu sterben beginnen. Auf die stationäre Phase folgt die Todesphase, in der der Tod von Zellen in der Population die Bildung neuer Zellen übersteigt. Die Zeitspanne vor Beginn der Todesphase hängt von der Art und dem Medium ab. Bakterien sterben nicht unbedingt ab, selbst wenn sie keinen Nährstoff mehr haben, und sie können über lange Zeiträume lebensfähig bleiben.

Ökologie von Bakterien

Verbreitung in der Natur

Prokaryotes are ubiquitous on Earth’s surface. They are found in every accessible environment, from polar ice to bubbling hot springs, from mountaintops to the ocean floor, and from plant and animal bodies to forest soils. Some bacteria can grow in soil or water at temperatures near freezing (0 °C [32 °F]), whereas others thrive in water at temperatures near boiling (100 °C [212 °F]). Each bacterium is adapted to live in a particular environmental niche, be it oceanic surfaces, mud sediments, soil, or the surfaces of another organism. The level of bacteria in the air is low but significant, especially when dust has been suspended. In uncontaminated natural bodies of water, bacterial counts can be in the thousands per millilitre; in fertile soil, bacterial counts can be in the millions per gram; and in feces, bacterial counts can exceed billions per gram.

Prokaryotes are important members of their habitats. Although they are small in size, their sheer numbers mean that their metabolism plays an enormous role—sometimes beneficial, sometimes harmful—in the conversion of elements in their external environment. Probably every naturally occurring substance, and many synthetic ones, can be degraded (metabolized) by some species of bacteria. The largest stomach of the cow, the rumen, is a fermentation chamber in which bacteria digest the cellulose in grasses and feeds, converting them to fatty acids and amino acids, which are the fundamental nutrients used by the cow and the basis for the cow’s production of milk. Organic wastes in sewage or compost piles are converted by bacteria either into suitable nutrients for plant metabolism or into gaseous methane (CH4) and carbon dioxide. The remains of all organic materials, including plants and animals, are eventually converted to soil and gases through the activities of bacteria and other microorganisms and are thereby made available for further growth.

Many bacteria live in streams and other sources of Wasser und ihre Anwesenheit bei geringen Bevölkerungsdichten in einer Wasserprobe weist nicht unbedingt darauf hin, dass das Wasser nicht für den Verbrauch geeignet ist . Wasser, das Bakterien wie E. coli enthält , die normale Bewohner des Darmtrakts von Menschen und Tieren sind, weist jedoch darauf hin, dass Abwasser oder Fäkalien diese Wasserquelle kürzlich verschmutzt haben. Solche coliformen Bakterien können selbst Krankheitserreger (krankheitsverursachende Organismen) sein, und ihre Anwesenheit signalisiert, dass auch andere, weniger leicht nachweisbare bakterielle und virale Krankheitserreger vorhanden sein können. Verfahren in Wasseraufbereitungsanlagen - Absetzen, filtration, and chlorination—are designed to remove these and any other microorganisms and infectious agents that may be present in water that is intended for human consumption. Also, sewage treatment is necessary to prevent the release of pathogenic bacteria and viruses from wastewater into water supplies. Sewage treatment plants also initiate the decay of organic materials (proteins, fats, and carbohydrates) in the wastewater. The breakdown of organic material by microorganisms in the water consumes oxygen (biochemical oxygen demand), causing a decrease in the oxygen level, which can be very harmful to aquatic life in streams and lakes that receive the wastewater. One objective of sewage treatment is to oxidize as much organic material as possible before its discharge into the water system, thereby reducing the biochemical oxygen demand of the wastewater. Sewage digestion tanks and aeration devices specifically exploit the metabolic capacity of bacteria for this purpose. (For more information about the treatment of wastewater, see environmental works: Water-pollution control.)

Soil bacteria are extremely active in effecting biochemical changes by transforming the various substances, humus and minerals, that characterize soil. Elements that are central to life, such as carbon, nitrogen, and sulfur, are converted by bacteria from inorganic gaseous compounds into forms that can be used by plants and animals. Bacteria also convert the end products of plant and animal metabolism into forms that can be used by bacteria and other microorganisms. The nitrogen cycle can illustrate the role of bacteria in effecting various chemical changes. Nitrogen exists in nature in several oxidation states, as nitrate, nitrite, dinitrogen gas, several nitrogen oxides, ammonia, and organic amines (ammonia compounds containing one or more substituted hydrocarbons). Nitrogen fixation is the conversion of dinitrogen gas from the atmosphere into a form that can be used by living organisms. Some nitrogen-fixing bacteria, such as Azotobacter, Clostridium pasteurianum, and Klebsiella pneumoniae, are free-living, whereas species of Rhizobium live in an intimate association with leguminous plants. Rhizobium organisms in the soil recognize and invade the root hairs of their specific plant host, enter the plant tissues, and form a root nodule. This process causes the bacteria to lose many of their free-living characteristics. They become dependent upon the carbon supplied by the plant, and, in exchange for carbon, they convert nitrogen gas to ammonia, which is used by the plant for its protein synthesis and growth. In addition, many bacteria can convert nitrate to amines for purposes of synthesizing cellular materials or to ammonia when nitrate is used as electron acceptor. Denitrifying bacteria convert nitrate to dinitrogen gas. The conversion of ammonia or organic amines to nitrate is accomplished by the combined activities of the aerobic organisms Nitrosomonas and Nitrobacter, which use ammonia as an electron donor.

In the carbon cycle, carbon dioxide is converted into cellular materials by plants and autotrophic prokaryotes, and organic carbon is returned to the atmosphere by heterotrophic life-forms. The major breakdown product of microbial decomposition is carbon dioxide, which is formed by respiring aerobic organisms.

Methane, another gaseous end product of carbon metabolism, is a relatively minor component of the global carbon cycle but of importance in local situations and as a renewable energy source for human use. Methane production is carried out by the highly specialized and obligately anaerobic methanogenic prokaryotes, all of which are archaea. Methanogens use carbon dioxide as their terminal electron acceptor and receive electrons from hydrogen gas (H2). A few other substances can be converted to methane by these organisms, including methanol, formic acid, acetic acid, and methylamines. Despite the extremely narrow range of substances that can be used by methanogens, methane production is very common during the anaerobic decomposition of many organic materials, including cellulose, starch, proteins, amino acids, fats, alcohols, and most other substrates. Methane formation from these materials requires that other anaerobic bacteria degrade these substances either to acetate or to carbon dioxide and hydrogen gas, which are then used by the methanogens. The methanogens support the growth of the other anaerobic bacteria in the mixture by removing hydrogen gas formed during their metabolic activities for methane production. Consumption of the hydrogen gas stimulates the metabolism of other bacteria.

Trotz der Tatsache, dass Methanogene eine derart eingeschränkte Stoffwechselfähigkeit haben und sehr sauerstoffempfindlich sind, sind sie auf der Erde weit verbreitet. In anaeroben Umgebungen wie Sümpfen und Sümpfen werden große Mengen Methan produziert , aber auch im Boden und von Wiederkäuern werden erhebliche Mengen produziert . Mindestens 80 Prozent des Methans in der Atmosphäre wurden durch Einwirkung von Methanogenen erzeugt, der Rest wird aus Kohlevorkommen oder Erdgasbohrungen freigesetzt .