Photosynthese, Sauerstoffbedarf und Wachstum von Bakterien
Wie Cyanobakterien Photosynthese ohne Chloroplasten betreiben, wie man Bakterien nach ihrem Sauerstoffbedarf einteilt und welche Phasen eine Bakterienkultur durchläuft.
Das Wichtigste in Kürze
- Photoautotrophe Bakterien gewinnen Energie aus Licht und bauen Zellsubstanz aus \(\ce{CO2}\) auf. Wichtigste Vertreter sind die Cyanobakterien.
- Cyanobakterien besitzen Zellwand und Thylakoide als Einstülpungen der Cytoplasmamembran, aber keine Chloroplasten und Mitochondrien.
- Cyanobakterien nutzen Chlorophyll a und Phycobiline in Phycobilisomen auf den Thylakoiden, kein Bakteriochlorophyll.
- Aerobier brauchen \(\ce{O2}\), obligate Anaerobier wachsen nur ohne ihn. In normaler Luft wachsen nur Aerobier und fakultative Anaerobier.
- Eine statische Kultur durchläuft lag-, log-, stationäre und Absterbephase. In der log-Phase steigt log \(N\) linear, Teilung sowie DNA- und RNA-Synthese sind hoch, und die Nährstoffe sind nicht erschöpft.
Worum es geht
Bakterien unterscheiden sich darin, woher sie Energie beziehen, ob sie Sauerstoff brauchen und wie schnell sie sich vermehren. Diese Merkmale helfen beim Einordnen von Keimen. Sie erklären auch, warum man Kulturen in der Mikrobiologie und bei der Antibiotikaprüfung unter definierten Bedingungen anzüchtet.
Photoautotrophe Bakterien
Einige Eubakterien können Photosynthese betreiben. Sie leben photoautotroph. Den Ablauf der Photosynthese selbst behandelt der Überblick zur Photosynthese.
Photoautotrophe Organismen gewinnen ihre Energie aus Licht. Ihre organische Zellsubstanz bauen sie aus \(\ce{CO2}\) als Kohlenstoffquelle auf.
Die wichtigsten Vertreter sind die Cyanobakterien. Als Prokaryoten besitzen sie eine Zellwand, aber keine Organellen wie Chloroplasten und Mitochondrien. Ihr Chlorophyll sitzt in Thylakoiden. Diese entstehen als Einstülpungen der Cytoplasmamembran und liegen als Membransystem im Cytoplasma.
Als Pigment tragen Cyanobakterien Chlorophyll a. Bakteriochlorophyll findet man bei anderen phototrophen Bakterien, etwa den Purpurbakterien, nicht bei Cyanobakterien. Chlorophyll b, typisch für grüne Pflanzen, fehlt ihnen in der Regel. Zusätzlich sammeln Phycobiline Licht. Sie sind in Phycobilisomen gebündelt, die außen auf den Thylakoidmembranen sitzen und nicht in Vakuolen liegen.
Man kann sich ein Cyanobakterium wie einen frei lebenden Chloroplasten vorstellen. Nach der Endosymbiontentheorie stammen Chloroplasten tatsächlich von Cyanobakterien ab. Der Unterschied liegt im Ort: Beim Bakterium liegen die Thylakoide direkt im Cytoplasma, in der Pflanzenzelle in einem eigenen Organell.
Wird im Examen gerne gefragt: Cyanobakterien haben Zellwand und Thylakoide aus der Cytoplasmamembran, Chloroplasten und Mitochondrien fehlen. Achte auf die Pigmente: Chlorophyll a plus Phycobiline auf den Thylakoiden, kein Bakteriochlorophyll.
Sauerstoffbedarf
Aerobe Bakterien wachsen nur, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Sie gewinnen Energie durch Atmung mit \(\ce{O2}\) als Elektronenakzeptor. Obligat anaerobe Bakterien wachsen dagegen nur ohne Sauerstoff, denn \(\ce{O2}\) schädigt sie. Bekannte Beispiele sind die Clostridien.
Fakultativ anaerobe Bakterien kommen mit beiden Bedingungen zurecht. Mit Sauerstoff atmen sie, ohne ihn weichen sie etwa auf Gärung aus. Ein typischer Vertreter ist Escherichia coli.
Daraus folgt eine einfache Regel. Wächst eine Kultur in normaler Luft, handelt es sich um Aerobier oder fakultative Anaerobier. Obligate Anaerobier scheiden aus. Im Schüttelagar sieht man den Unterschied direkt: Aerobier wachsen nur an der sauerstoffreichen Oberfläche, obligate Anaerobier nur im Grund, fakultative Anaerobier im ganzen Röhrchen.
Wachstumskurve
In einer statischen Kultur impft man Bakterien einmal in ein Nährmedium. Danach kommen keine Nährstoffe hinzu, und Stoffwechselprodukte bleiben im Medium. Bakterien teilen sich durch Zweiteilung. Nach \(n\) Generationen gilt daher \(N = N_0 \cdot 2^n\). Trägt man den Logarithmus der Lebendzellzahl \(N\) gegen die Zeit auf, wird exponentielles Wachstum zur Geraden.
| Phase | Kurvenverlauf (log Lebendzellzahl) | Was in der Kultur passiert |
|---|---|---|
| lag-Phase | flacher Anstieg | Zellen passen sich an, bilden Enzyme, teilen sich kaum |
| log-Phase (exponentiell) | steiler, linearer Anstieg | hohe Teilungsrate, Nährstoffe reichlich |
| stationäre Phase | waagerechtes Plateau | Nährstoffe erschöpft, Teilung und Absterben gleichen sich aus |
| Absterbephase | Abfall | mehr Zellen sterben, als neu entstehen |
In der log-Phase sind die Bakterien am aktivsten. Sie zeigen eine hohe Zellteilungsaktivität sowie hohe DNA- und RNA-Syntheseraten. Die Nährstoffe sind noch nicht erschöpft. Erst ihr Verbrauch und die Anreicherung von Stoffwechselprodukten führen ins Plateau.
Um ein markiertes Intervall einer solchen Kurve zuzuordnen, prüfst du nur die Steigung und die Lage im Zeitverlauf.
Flach am Anfang ist lag, steile Gerade ist log, waagerecht ist stationär, fallend ist Absterbephase. Die Reihenfolge ist immer dieselbe.
Quiz
Aussage 1
Ein Bakterium, das auf einer Agarplatte an normaler Luft wächst, kann fakultativ anaerob sein.
In Normalatmosphäre wachsen Aerobier und fakultative Anaerobier. Nur obligate Anaerobier scheiden aus, weil Sauerstoff sie schädigt.
Aussage 2
Cyanobakterien tragen ihr Photosynthesepigment Bakteriochlorophyll in Chloroplasten.
Cyanobakterien besitzen keine Chloroplasten. Sie enthalten Chlorophyll a in Thylakoiden, die als Einstülpungen der Cytoplasmamembran entstehen. Bakteriochlorophyll kommt bei anderen phototrophen Bakterien vor.
Aussage 3
Kennzeichnend für die log-Phase ist, dass die Nährstoffe im Medium erschöpft sind.
In der log-Phase sind die Nährstoffe noch reichlich vorhanden, Teilung und DNA- und RNA-Synthese sind hoch. Die Erschöpfung der Nährstoffe führt erst in die stationäre Phase.
Aussage 4
In der stationären Phase einer statischen Kultur bleibt die Lebendzellzahl annähernd konstant.
Die Kurve bildet ein waagerechtes Plateau, weil sich Neubildung und Absterben von Zellen ausgleichen.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.