Information

6.3: Bakterielle Wachstumsdynamik - Biologie

6.3: Bakterielle Wachstumsdynamik - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Lernerfolge

  • Diskutieren Sie die Wachstumsdynamik einer Bakterienkultur
  • Identifizieren Sie die Phasen der Bakterienwachstumskurve

Bakterienwachstum bezieht sich auf eine Zunahme der Bakterienzahl, nicht auf eine Zunahme der Größe der einzelnen Zellen. Bei den meisten Bakterien beinhaltet das Wachstum zuerst eine Zunahme der Zellmasse und der Anzahl der Ribosomen, dann die Verdoppelung des Bakterienchromosoms, die Synthese neuer Zellwände und Plasmamembranen, die Aufteilung der beiden Chromosomen, die Septumbildung und die Zellteilung. Dieser asexuelle Fortpflanzungsprozess wird als bezeichnet Zellteilung und führt zu zwei Tochterzellen, die genetisch identisch sind. Dies wird durch den Prozess der Zellteilung, wo sich eine einzelne Bakterienzelle in zwei teilt.

Video ansehen 1: Bakterienwachstum

Video ansehen 1: Bakterielle Zellteilung (00:15). URL: https://youtu.be/gEwzDydciWc

Die Dynamik des Bakterienwachstums folgt einem vorhersagbaren Muster, visualisiert als a Bakterienwachstumskurve. Diese Wachstumskurve wird erzeugt, indem die Zunahme der Zellzahl gegen die Zeit aufgetragen wird. Die Kurve kann dann verwendet werden, um die Generationszeit, die Zeit, die eine mikrobielle Population benötigt, um sich in der Zellzahl zu verdoppeln. In einem geschlossenen Bakterienkulturgefäß, wie einem Kolben oder Röhrchen, gibt es typischerweise vier Wachstumsphasen. Die Phasen sind Verzögerung, log/exponentiell, stationär und Tod Phasen.

Verzögerungsphase: Unmittelbar nach der Inokulation der Zellen in frisches Medium bleibt die Population vorübergehend unverändert (beachten Sie, dass die Linie hier flach ist, keine Änderung der Zellzahl). Obwohl keine offensichtliche Zellteilung stattfindet, können die Zellen an Volumen oder Masse wachsen, Enzyme, Proteine, RNA usw. synthetisieren und ihre metabolische Aktivität erhöhen. Die Zellen passen sich auch an diese Medien und Wachstumsbedingungen an und passen sich an, verschiedene Gene können eingeschaltet werden, um mit der Metabolisierung verschiedener Substrate zu beginnen. Es laufen einige Reparaturprozesse ab, die Zelle synthetisiert beschädigte Zellbestandteile in Vorbereitung auf die binäre Spaltung. Die Länge der Lag-Phase hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Größe des Inokulums; Zeit, die erforderlich ist, um sich von körperlichen Schäden oder Stößen bei der Übertragung zu erholen; Zeitbedarf für die Synthese von essentiellen Coenzymen oder Teilungsfaktoren; und Zeit, die für die Synthese neuer (induzierbarer) Enzyme erforderlich ist, die notwendig sind, um die im Medium vorhandenen Substrate zu metabolisieren, das Alter des Inokulums (Mikrobe, die in ein Kulturmedium eingebracht wird, um das Wachstum zu initiieren), eine „alte“ Kultur wird wahrscheinlich viele tote/gealterte Zellen und kann länger dauern, um sich an dieses Medium anzupassen.

Die Protokoll (Exponentiell) Phase. Die exponentielle Wachstumsphase ist ein Muster ausgeglichenen Wachstums, bei dem sich alle Zellen regelmäßig durch binäre Spaltung teilen und durch geometrische Progression wachsen. Die Zellen teilen sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Wachstumsmediums und den Inkubationsbedingungen mit konstanter Geschwindigkeit. Die exponentielle Wachstumsrate einer Bakterienkultur wird ausgedrückt als Generationszeit, auch der Verdopplungszeit der Bakterienpopulation. Diese Phase ist im Schema der gesamten Wachstumskurve meist relativ kurz. Zellen in dieser Phase sind metabolisch am aktivsten und werden für industrielle Zwecke bevorzugt, wo beispielsweise ein Produkt effizient hergestellt werden muss. Exponentiell wachsende Zellen sind typischerweise am gesündesten und daher für Studien ihrer Enzyme oder anderer Zellbestandteile am wünschenswertesten. Da die Generationszeit konstant ist, ist eine logarithmische Darstellung des Wachstums während der logarithmischen Phase eine gerade Linie.

Exponentielles Wachstum kann in einer Batch-Kultur nicht ewig fortgesetzt werden. Das Bevölkerungswachstum wird durch einen von drei Faktoren begrenzt: 1. Erschöpfung der verfügbaren Nährstoffe; 2. Akkumulation von hemmenden Metaboliten oder Endprodukten; 3. Platzmangel, in diesem Fall "biologischer Platzmangel" genannt. Schließlich verlangsamt sich die Wachstumsrate, die Zahl der mikrobiellen Todesfälle gleicht die Zahl der neuen Zellen aus und die Population stabilisiert sich. Diese Gleichgewichtsperiode wird als bezeichnet Stationäre Phase. Bakterien, die produzieren Sekundärmetaboliten, wie Antibiotika, tun dies häufig während der stationären Phase des Wachstumszyklus (Sekundärmetaboliten sind definiert als Metaboliten, die nach der aktiven Wachstumsphase produziert werden).

Während der stationären Phase müssen sporenbildende Bakterien die Aktivität von Dutzenden von Genen, die am Sporulationsprozess beteiligt sein können, induzieren oder demaskieren, um sich auf eine Ruhephase vorzubereiten. Wenn die Inkubation fortgesetzt wird, nachdem die Population die stationäre Phase erreicht hat, a Todesphase folgt, bei dem die lebensfähige Zellpopulation abnimmt. Während der Todesphase nimmt die Anzahl lebensfähiger Zellen geometrisch (exponentiell) ab, im Wesentlichen umgekehrt zum Wachstum während der logarithmischen Phase. Diese Phase wird fortgesetzt, bis die Population auf einen winzigen Bruchteil der Zellenzahl der vorherigen Phase reduziert ist oder bis die Population vollständig ausstirbt.

Bild 1: Bakterienwachstumskurve mit 4 Phasen. Bild von Michał Komorniczak (Polen). https://upload.wikimedia.org/wikiped..._growth_en.svg


6.3: Bakterielle Wachstumsdynamik - Biologie

Alle von MDPI veröffentlichten Artikel werden sofort weltweit unter einer Open-Access-Lizenz verfügbar gemacht. Für die Wiederverwendung des gesamten oder eines Teils des von MDPI veröffentlichten Artikels, einschließlich Abbildungen und Tabellen, ist keine besondere Genehmigung erforderlich. Bei Artikeln, die unter einer Open-Access-Creative Common CC BY-Lizenz veröffentlicht wurden, darf jeder Teil des Artikels ohne Genehmigung wiederverwendet werden, sofern der Originalartikel eindeutig zitiert wird.

Feature Papers stellen die fortschrittlichste Forschung mit erheblichem Potenzial für eine große Wirkung auf diesem Gebiet dar. Feature Papers werden auf individuelle Einladung oder Empfehlung der wissenschaftlichen Herausgeber eingereicht und vor der Veröffentlichung einem Peer Review unterzogen.

Das Feature Paper kann entweder ein origineller Forschungsartikel, eine umfangreiche neue Forschungsstudie sein, die oft mehrere Techniken oder Ansätze umfasst, oder ein umfassendes Übersichtspapier mit prägnanten und präzisen Updates zu den neuesten Fortschritten auf diesem Gebiet, das die aufregendsten Fortschritte in der Wissenschaft systematisch überprüft Literatur. Diese Art von Papier gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen oder mögliche Anwendungen.

Editor’s Choice-Artikel basieren auf Empfehlungen der wissenschaftlichen Herausgeber von MDPI-Zeitschriften aus der ganzen Welt. Die Herausgeber wählen eine kleine Anzahl von kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikeln aus, die ihrer Meinung nach für Autoren besonders interessant oder in diesem Bereich wichtig sind. Ziel ist es, eine Momentaufnahme einiger der spannendsten Arbeiten zu geben, die in den verschiedenen Forschungsbereichen der Zeitschrift veröffentlicht wurden.


Bakterielles Chemostat-Design

Der Bakterienchemostat ist ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor (CSTR), der zur kontinuierlichen Produktion von mikrobieller Biomasse verwendet wird.

Chemostat-Setup

Der Chemostataufbau besteht aus einem sterilen Frischnährstoffreservoir, das mit einer Wachstumskammer oder einem Reaktor verbunden ist. Frisches Medium, das für das Zellwachstum essentielle Nährstoffe enthält, wird kontinuierlich aus dem Mediumreservoir in die Kammer gepumpt. Das Medium enthält eine bestimmte Konzentration an wachstumslimitierendem Nährstoff (CS), was eine maximale Zellkonzentration in der Wachstumskammer ermöglicht. Eine Variation der Konzentration dieses wachstumslimitierenden Nährstoffs ändert wiederum die Konzentration der Zellen im stationären Zustand (CC). Ein weiteres Mittel zum Steuern der stationären Zellkonzentration besteht darin, die Geschwindigkeit zu manipulieren, mit der das Medium in die Wachstumskammer strömt. Das Medium tropft durch den Luftspalt in die Kultur, um zu verhindern, dass Bakterien stromaufwärts wandern und den sterilen Mediumbehälter verunreinigen.

Der gut gemischte Inhalt des Gefäßes, bestehend aus ungenutzten Nährstoffen, Stoffwechselabfällen und Bakterien, wird aus dem Gefäß entfernt und durch eine Füllstandsanzeige überwacht, um ein konstantes Flüssigkeitsvolumen im Chemostat aufrechtzuerhalten. Dieser Abfluss kann entweder durch eine Pumpe oder eine Öffnung an der Seite des Reaktors gesteuert werden, die die Entfernung der überschüssigen Reaktionsflüssigkeit ermöglicht. In jedem Fall muss der Abwasserstrom in der Lage sein, überschüssige Flüssigkeit schneller zu entfernen, als der Einsatzstrom neues Medium liefern kann, um ein Überlaufen des Reaktors zu verhindern.

Temperatur und Druck müssen auch innerhalb des Chemostats kontrolliert werden, um optimale Bedingungen für das Zellwachstum aufrechtzuerhalten. Die Verwendung eines ummantelten CSTR für die Wachstumskammer ermöglicht eine einfache Temperaturkontrolle. Einige Prozesse wie die biologische Fermentation sind ziemlich exotherm, daher wird Kühlwasser verwendet, um die Temperatur auf dem optimalen Niveau zu halten. Der Reaktordruck wird durch einen Abluftstrom gesteuert, der die Entfernung von überschüssigem Gas ermöglicht.

Bei aeroben Kulturen wird gereinigte Luft durch den Inhalt des Gefßes durch eine Sprühvorrichtung geblasen. Dadurch wird sichergestellt, dass sich genügend Sauerstoff im Reaktionsmedium lösen kann. Für anaerobe Prozesse ist im Allgemeinen kein Lufteinlass erforderlich, jedoch muss ein Gasauslass vorhanden sein, um einen Druckaufbau innerhalb des Reaktors zu verhindern.

Um zu verhindern, dass die Reaktionsmischung zu sauer wird (die Zellatmung führt dazu, dass das Medium sauer wird) oder zu basisch, was das Zellwachstum behindern könnte, wird ein pH-Regler benötigt, um das pH-Gleichgewicht in das System zu bringen.

Der Rührer sorgt dafür, dass der Inhalt des Gefäßes gut durchmischt wird. Eine zu hohe Rührgeschwindigkeit kann die Zellen in der Kultur schädigen, ist sie jedoch zu niedrig, können sich Gradienten im System aufbauen. Signifikante Gradienten jeglicher Art (Temperatur, pH, Konzentration usw.) können sich nachteilig auf die Zellproduktion auswirken und den Reaktor daran hindern, einen stationären Betrieb zu erreichen.

Ein weiteres Problem bei der Reaktorkonstruktion ist die Verschmutzung. Fouling wird im Allgemeinen als die Ablagerung und Ansammlung von unerwünschten Materialien auf den eingetauchten Oberflächen oder Oberflächen in Kontakt mit der Fluidströmung definiert. Wenn das abgelagerte Material biologischer Natur ist, spricht man von Biofouling. Das Fouling oder Biofouling in einem solchen System kann zu einer Verringerung der Effizienz von Wärmetauschern oder zu einer verringerten Querschnittsfläche in Rohren führen. Verschmutzung der Wärmetauscheroberflächen führt dazu, dass das System nicht optimal funktioniert, außerhalb des Zieltemperaturbereichs liegt oder überschüssige Energie verbraucht, um die optimale Temperatur aufrechtzuerhalten. Verschmutzungen in Rohrleitungen führen zu einem erhöhten Druckabfall, was zu Komplikationen in der Leitung führen kann. Um diese Effekte zu minimieren, sind industrielle Chemostatreaktoren im Allgemeinen zylindrisch, mit einem Volumen von bis zu 1300 Kubikmetern und werden oft aus Edelstahl hergestellt. Die zylindrische Form und die glatte Edelstahloberfläche ermöglichen eine einfache Reinigung.

Konstruktionsgleichungen

Für Chemostate gelten die Auslegungsgleichungen für kontinuierliche Rührkesselreaktoren (CSTRs). Sowohl die Zellen in Kultur als auch das Medium (Substrat) müssen bilanziert werden.

Die Massenbilanz der Mikroorganismen in einem CSTR mit konstantem Volumen ist:

[Rate der Akkumulation von Zellen, g/s] = [Rate der Zellen, die eintreten, g/s] &ndash [Rate der Zellen, die austreten, g/s] + [Nettorate der Erzeugung von lebenden Zellen, g/s]

Die Massenbilanz auf dem Substrat in einem CSTR mit konstantem Volumen ist:

[Rate der Substratanhäufung, g/s] = [Rate des Substrateintritts, g/s] &ndash [Rate des Substrataustritts, g/s] + [Nettoverbrauch des Substrats, g/s]

Unter der Annahme, dass keine Zellen aus dem Feedstrom in den Reaktor gelangen, kann die Zellmassenbilanz wie folgt nachgearbeitet werden:

[(Ratenakkumulationszellen) =V frac> label<1>]

Ebenso kann die Substratmassenbilanz wie folgt überarbeitet werden:

Das Zusammensetzen der Gleichungen ef<1>- ef <3> ergibt die Konstruktionsgleichung für Zellen in einem Chemostat:

In ähnlicher Weise ergeben die Gleichungen ef<4>- ef<6>zusammen die Konstruktionsgleichung für das Substrat in einem Chemostat:

Zu den Annahmen bezüglich des CSTR gehören perfekte Durchmischung, konstante Dichte des Reaktorinhalts, isotherme Bedingungen und eine einzige, irreversible Reaktion.

Für die Wachstumsrate neuer Zellen gibt es viele Gesetze.

Die Monod-Gleichung ist das am häufigsten verwendete Modell für die Wachstumsraten-Reaktionskurve von Bakterien.

Die spezifische Zellwachstumsrate &mu kann ausgedrückt werden als

  • &mumax = eine maximale spezifische Wachstumsreaktionsrate
  • KS = die Monod-Konstante
  • CS = Substratkonzentration

Tessier-Gleichung und Moser-Gleichung

Zwei zusätzliche Gleichungen werden üblicherweise verwendet, um die Zellwachstumsrate zu beschreiben. Sie sind die Tessier- und Moser-Gleichungen. Diese Wachstumsgesetze würden verwendet, wenn sich herausstellt, dass sie besser zu experimentellen Daten passen, insbesondere zu Beginn oder am Ende der Fermentation.

wobei (&lambda) und (k) empirische Konstanten sind, die durch gemessene Daten bestimmt werden.

Die Sterberate von Zellen (r_d) berücksichtigt den natürlichen Tod (k_d) und den Tod durch toxische Nebenprodukte (k_t), wobei (C_t) die Konzentration des toxischen -Produkt.

Todesphase In der Todesphase des Bakterienzellwachstums kommt es zu einer Abnahme der Lebendzellkonzentration. Dieser Rückgang könnte auf ein giftiges Nebenprodukt, raue Umgebungen oder einen Mangel an Nährstoffen zurückzuführen sein.

Um die verbrauchte/produzierte Menge an Substrat und Produkt in den folgenden Gleichungen zu modellieren, werden Ausbeutekoeffizienten verwendet. JaSC Andypc sind die Ausbeutekoeffizienten für Substrat-zu-Zellen bzw. Produkt-zu-Zellen. Ausbeutekoeffizienten haben die Einheiten g Variable/g Zellen. Gleichung ef <14> stellt die Abreicherungsrate des Substrats dar:

Gleichung ef <15> stellt die Geschwindigkeit der Produktbildung dar:


Modellierung der Wachstumsdynamik mehrerer Escherichia coli-Stämme im Schweinedarm nach intramuskulärer Ampicillin-Behandlung

Hintergrund: In dieser Studie wurde untersucht, wie das Dosierungsschema für intramuskulär verabreichtes Ampicillin, die Zusammensetzung der Escherichia-coli-Stämme im Hinblick auf die Ampicillin-Empfindlichkeit und die Ausscheidung von Bakterien aus dem Darm das Resistenzniveau von Escherichia-coli-Stämmen im Darm von Mastschweinen beeinflussten. Es untersuchte auch die Dynamik der Zusammensetzung von Bakterienstämmen während und nach der Behandlung. Die Wachstumsreaktionen von Stämmen auf Ampicillinkonzentrationen wurden unter Verwendung von in vitro-Wachstumskurven bestimmt. Unter Verwendung dieser Ergebnisse als Eingabedaten wurden Wachstumsvorhersagen unter Verwendung eines mathematischen Modells erstellt, um das kompetitive Wachstum von E. coli-Stämmen in einem Schweinedarm unter bestimmten Plasmakonzentrationsprofilen von Ampicillin zu simulieren.

Ergebnisse: In-vitro-Wachstumsergebnisse zeigten, dass die resistenten Stämme keine Fitnesskosten für ihre Resistenz trugen und dass die anfälligsten Stämme stärker von steigenden Antibiotikakonzentrationen betroffen waren als die übrigen Stämme. Die Modellierung ergab, dass eine kurze Behandlungsdauer zu geringeren Resistenzniveaus führte und dass die Dosierungshäufigkeit das Wachstum resistenter Stämme nicht wesentlich beeinflusste. Es wurde festgestellt, dass die Resistenzniveaus empfindlich auf die Anzahl konkurrierender Stämme reagierten, und dieser Effekt wurde durch eine längere Behandlungsdauer verstärkt. Eine hohe Ausscheidung von Bakterien aus dem Darm begünstigte resistente Stämme gegenüber empfindlichen Stämmen, führte aber gleichzeitig zu einer schnelleren Rückkehr auf das Niveau vor der Behandlung nach Beendigung der Behandlung. Wenn die Dauer der hohen Ausscheidung auf die Behandlungszeit begrenzt wurde (d. h. die Behandlung sollte zu einer Heilung des Durchfalls führen), benötigten resistente Stämme länger, um das vorherige Niveau zu erreichen.

Abschluss: Bei E. coli wurden keine Fitnesskosten mit einer Ampicillinresistenz in Verbindung gebracht. Neben Dosierungsfaktoren beeinflussten epidemiologische Faktoren (wie Anzahl konkurrierender Stämme und Bakterienausscheidung) die Resistenzentwicklung und müssen im Hinblick auf optimale Behandlungsstrategien weiter betrachtet werden. Der in der Studie verwendete Modellierungsansatz ist generisch und könnte zur Vorhersage der Wirkung einer Behandlung mit anderen Arzneimitteln und anderer Verabreichungswege zur Wirkung auf die Resistenzentwicklung im Darm von Schweinen verwendet werden.

Schlüsselwörter: Ampicillin Antibiotikaresistenz Dosierungsstrategien Pharmakodynamik Schwein.


Danksagung

Wir möchten C. Pan für die Unterstützung beim FACS-Experiment danken. Wir danken C. Guan und H. Feng von den Labors C. Zhang und H. Xing für ihre Unterstützung bei der Behandlung von NGS-Rohdaten und der phylogenetischen Analyse. Wir danken auch J. Zhang für die kritische Diskussion über den dynamischen Prozess, Q. Hu für die kritische Diskussion der Strukturbiologie und J. Liu für Kommentare zum Manuskript. Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (NSFC21676156, an CZ), dem Tsinghua University Initiative Scientific Research Program (20161080108, an CZ), der National Natural Science Foundation of China (NSFC21627812, an X.-HX), a Postdoc-Innovationsförderplan der China Postdoctoral Science Foundation (an TW) und ein Postdoktorandenstipendium des Tsinghua-Peking Joint Center for Life Sciences (an TW).


Fähigkeiten zur Förderung des Pflanzenwachstums und mikroskalige Bakteriendynamik in der Rhizosphäre von Lupinen, analysiert durch die Fähigkeit zur Nutzung von Phytaten

In der Rhizosphäre ist der Phosphor (P)-Spiegel aufgrund der Aufnahme von P in die Wurzeln niedrig. Rhizobakterien leben von Kohlenstoff (C), der von Wurzeln ausgeschieden wird, und können zur Pflanzenernährung beitragen, indem sie P aus organischen Verbindungen wie Phytaten freisetzen. Wir isolierten über 300 Phytat-(Na-Inositol-Hexa-Phosphat-Na-IHP)-verwendende Bakterienstämme aus der Rhizohülle und der Rhizoplane von Lupinus albus (L.). Fast alle Isolate wurden basierend auf der 16S rDNA-Sequenzanalyse als Burkholderia klassifiziert. Mit Na-IHP als einzige C- und P-Quelle kultivierte Rhizosheath-Isolate zeigten bei derselben extrazellulären Phytase-Aktivität eine geringere P-Aufnahme als Rhizoplane-Stämme, was darauf hindeutet, dass Bakterien aus dem Rhizosheath Phytat als C-Quelle nutzten. Viele Isolate verwendeten auch unlösliches Phytat (Al-IHP und/oder Fe-IHP). In Co-Kultur mit Lotus japonicus-Sämlingen förderten einige Isolate das Pflanzenwachstum signifikant.


Ökologie von Bakterien

Prokaryoten sind auf der Erdoberfläche allgegenwärtig. Sie kommen in jeder zugänglichen Umgebung vor, vom Polareis bis zu sprudelnden heißen Quellen, von Berggipfeln bis zum Meeresboden und von Pflanzen- und Tierkörpern bis hin zu Waldböden. Einige Bakterien können in Erde oder Wasser bei Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt (0 °C [32 °F]) wachsen, während andere in Wasser bei Temperaturen nahe dem Siedepunkt (100 °C [212 °F]) gedeihen. Jedes Bakterium ist angepasst, um in einer bestimmten Umweltnische zu leben, seien es ozeanische Oberflächen, Schlammsedimente, Böden oder die Oberflächen eines anderen Organismus. Der Bakteriengehalt in der Luft ist gering, aber signifikant, insbesondere wenn Staub aufgewirbelt wurde. In nicht kontaminierten natürlichen Gewässern kann die Keimzahl im fruchtbaren Boden Tausende pro Milliliter betragen, die Keimzahl kann mehrere Millionen pro Gramm betragen und im Kot können die Bakterienzahlen mehrere Milliarden pro Gramm betragen.

Prokaryoten sind wichtige Mitglieder ihrer Lebensräume. Obwohl sie klein sind, spielt ihr Stoffwechsel aufgrund ihrer schieren Zahl eine enorme Rolle – manchmal nützlich, manchmal schädlich – bei der Umwandlung von Elementen in ihrer äußeren Umgebung. Wahrscheinlich kann jede natürlich vorkommende Substanz und viele synthetische von einigen Bakterienarten abgebaut (metabolisiert) werden. Der größte Magen der Kuh, der Pansen, ist eine Fermentationskammer, in der Bakterien die Zellulose von Gräsern und Futtermitteln verdauen und in Fettsäuren und Aminosäuren umwandeln, die die grundlegenden Nährstoffe der Kuh und die Grundlage für die Produktion der Kuh sind aus Milch. Organische Abfälle in Klär- oder Komposthaufen werden von Bakterien entweder in geeignete Nährstoffe für den Pflanzenstoffwechsel oder in gasförmiges Methan (CH4) und Kohlendioxid. Die Überreste aller organischen Materialien, einschließlich Pflanzen und Tiere, werden schließlich durch die Aktivität von Bakterien und anderen Mikroorganismen in Boden und Gase umgewandelt und stehen so für weiteres Wachstum zur Verfügung.

Viele Bakterien leben in Bächen und anderen Wasserquellen, und ihre Anwesenheit bei geringer Populationsdichte in einer Wasserprobe weist nicht unbedingt darauf hin, dass das Wasser für den Verzehr ungeeignet ist. Wasser, das Bakterien enthält, wie z E coli, bei denen es sich um normale Bewohner des Darmtrakts von Mensch und Tier handelt, weist darauf hin, dass diese Wasserquelle in letzter Zeit durch Abwasser oder Fäkalien verschmutzt wurde. Solche coliformen Bakterien können selbst Krankheitserreger (krankheitserregende Organismen) sein, und ihre Anwesenheit signalisiert, dass auch andere, weniger leicht nachweisbare bakterielle und virale Krankheitserreger vorhanden sein können. Die in Wasseraufbereitungsanlagen verwendeten Verfahren – Absetzen, Filtrieren und Chlorieren – sind darauf ausgelegt, diese und alle anderen Mikroorganismen und Infektionserreger zu entfernen, die in Wasser vorhanden sein können, das für den menschlichen Gebrauch bestimmt ist. Außerdem ist eine Abwasserbehandlung erforderlich, um die Freisetzung von pathogenen Bakterien und Viren aus dem Abwasser in die Wasserversorgung zu verhindern. Kläranlagen initiieren auch den Abbau organischer Stoffe (Proteine, Fette und Kohlenhydrate) im Abwasser. Der Abbau von organischem Material durch Mikroorganismen im Wasser verbraucht Sauerstoff (biochemischer Sauerstoffbedarf), was zu einer Abnahme des Sauerstoffgehalts führt, was für Wasserlebewesen in Bächen und Seen, die das Abwasser aufnehmen, sehr schädlich sein kann. Ein Ziel der Abwasserreinigung ist es, möglichst viel organisches Material vor der Einleitung in das Wassersystem zu oxidieren und dadurch den biochemischen Sauerstoffbedarf des Abwassers zu reduzieren. Klärbecken und Belebungsgeräte nutzen dazu gezielt die Stoffwechselkapazität von Bakterien. (Weitere Informationen zur Abwasserbehandlung finden Sie unter sehen Umweltarbeiten: Wasserverschmutzungskontrolle.)

Bodenbakterien sind äußerst aktiv bei der Bewirkung biochemischer Veränderungen, indem sie die verschiedenen Substanzen, Humus und Mineralien, die den Boden charakterisieren, umwandeln. Lebenswichtige Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel werden von Bakterien aus anorganischen gasförmigen Verbindungen in für Pflanzen und Tiere nutzbare Formen umgewandelt. Bakterien wandeln auch die Endprodukte des pflanzlichen und tierischen Stoffwechsels in Formen um, die von Bakterien und anderen Mikroorganismen verwendet werden können. Der Stickstoffkreislauf kann die Rolle von Bakterien beim Bewirken verschiedener chemischer Veränderungen veranschaulichen. Stickstoff kommt in der Natur in mehreren Oxidationsstufen vor, als Nitrat, Nitrit, Distickstoffgas, verschiedene Stickoxide, Ammoniak und organische Amine (Ammoniakverbindungen, die einen oder mehrere substituierte Kohlenwasserstoffe enthalten). Stickstofffixierung ist die Umwandlung von Distickstoffgas aus der Atmosphäre in eine für lebende Organismen nutzbare Form. Einige stickstofffixierende Bakterien, wie z Azotobacter, Clostridium pasteurianum, und Klebsiella pneumoniae, sind freilebend, während Arten von Rhizobium leben in enger Verbindung mit Hülsenfrüchten. Rhizobium Organismen im Boden erkennen und dringen in die Wurzelhaare ihres spezifischen Pflanzenwirts ein, dringen in das Pflanzengewebe ein und bilden einen Wurzelknollen. Durch diesen Prozess verlieren die Bakterien viele ihrer freilebenden Eigenschaften. Sie werden von dem von der Pflanze gelieferten Kohlenstoff abhängig und wandeln im Austausch gegen Kohlenstoff Stickstoffgas in Ammoniak um, das von der Pflanze für ihre Proteinsynthese und ihr Wachstum verwendet wird. Darüber hinaus können viele Bakterien Nitrat in Amine umwandeln, um Zellmaterialien zu synthetisieren, oder in Ammoniak, wenn Nitrat als Elektronenakzeptor verwendet wird. Denitrifizierende Bakterien wandeln Nitrat in Distickstoffgas um. Die Umwandlung von Ammoniak oder organischen Aminen in Nitrat erfolgt durch die kombinierten Aktivitäten der aeroben Organismen Nitrosomonas und Nitrobacter, die Ammoniak als Elektronendonor verwenden.

Im Kohlenstoffkreislauf wird Kohlendioxid von Pflanzen und autotrophen Prokaryoten in Zellmaterialien umgewandelt und organischer Kohlenstoff wird von heterotrophen Lebensformen in die Atmosphäre zurückgeführt. Das wichtigste Abbauprodukt der mikrobiellen Zersetzung ist Kohlendioxid, das von atmenden aeroben Organismen gebildet wird.

Methan, ein weiteres gasförmiges Endprodukt des Kohlenstoffstoffwechsels, ist ein relativ kleiner Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs, aber von Bedeutung in lokalen Situationen und als erneuerbare Energiequelle für den menschlichen Gebrauch. Die Methanproduktion erfolgt durch die hochspezialisierten und obligatorisch anaeroben methanogenen Prokaryoten, die allesamt Archaeen sind. Methanogene verwenden Kohlendioxid als terminalen Elektronenakzeptor und erhalten Elektronen aus Wasserstoffgas (H2). Einige andere Substanzen können von diesen Organismen in Methan umgewandelt werden, darunter Methanol, Ameisensäure, Essigsäure und Methylamine. Trotz des extrem engen Spektrums an Stoffen, die von Methanogenen verwendet werden können, ist die Methanproduktion bei der anaeroben Zersetzung vieler organischer Materialien, darunter Cellulose, Stärke, Proteine, Aminosäuren, Fette, Alkohole und die meisten anderen Substrate, sehr verbreitet. Die Methanbildung aus diesen Stoffen erfordert, dass andere anaerobe Bakterien diese Stoffe entweder zu Acetat oder zu Kohlendioxid und Wasserstoffgas abbauen, die dann von den Methanogenen genutzt werden. Die Methanogene unterstützen das Wachstum der anderen anaeroben Bakterien in der Mischung, indem sie Wasserstoffgas entfernen, das während ihrer metabolischen Aktivitäten zur Methanproduktion gebildet wird. Der Verbrauch des Wasserstoffgases regt den Stoffwechsel anderer Bakterien an.

Obwohl Methanogene eine so eingeschränkte Stoffwechselkapazität haben und recht sauerstoffempfindlich sind, sind sie auf der Erde weit verbreitet. Große Mengen Methan werden in anaeroben Umgebungen wie Sümpfen und Sümpfen produziert, aber auch im Boden und von Wiederkäuern werden erhebliche Mengen Methan produziert. Mindestens 80 Prozent des Methans in der Atmosphäre wurden durch die Wirkung von Methanogenen produziert, der Rest wird aus Kohlevorkommen oder Erdgasquellen freigesetzt.


EVOLUTION IN AKTION

Warum ist das Wollmammut ausgestorben?

Figur 4: Die drei Bilder umfassen: (a) 1916 Wandbild einer Mammutherde aus dem American Museum of Natural History, (b) das einzige ausgestopfte Mammut der Welt befindet sich im Museum of Zoology in St. Petersburg, Russland, und (c) ein einen Monat altes Baby-Mammut namens Lyuba, das 2007 in Sibirien entdeckt wurde Wie geht es dir)

Wollige Mammuts begannen vor etwa 10.000 Jahren auszusterben, kurz nachdem Paläontologen glaubten, dass Menschen, die sie jagen konnten, damit begannen, Nordamerika und Nord-Eurasien zu kolonisieren (Abbildung 4). Eine Mammut-Population überlebte auf der Wrangel-Insel im Ostsibirischen Meer und war bis 1700 v. Chr. von menschlichem Kontakt isoliert. Wir wissen viel über diese Tiere aus Kadavern, die im Eis Sibiriens und anderer nördlicher Regionen gefroren gefunden wurden.

Es wird allgemein angenommen, dass der Klimawandel und die menschliche Jagd zu ihrem Aussterben geführt haben. Eine Studie aus dem Jahr 2008 schätzte, dass der Klimawandel die Reichweite des Mammuts von 3.000.000 Quadratmeilen vor 42.000 Jahren auf 310.000 Quadratmeilen vor 6.000 Jahren reduziert hat. 2 Durch archäologische Beweise von Tötungsstätten ist auch gut dokumentiert, dass Menschen diese Tiere gejagt haben. Eine Studie aus dem Jahr 2012 kam zu dem Schluss, dass kein einzelner Faktor ausschließlich für das Aussterben dieser großartigen Kreaturen verantwortlich war. 3 Neben dem Klimawandel und der Verkleinerung des Lebensraums zeigten Wissenschaftler einen weiteren wichtigen Faktor für das Aussterben des Mammuts in der Wanderung menschlicher Jäger über die Beringstraße nach Nordamerika während der letzten Eiszeit vor 20.000 Jahren.

Die Aufrechterhaltung stabiler Populationen war und ist sehr komplex, wobei viele interagierende Faktoren das Ergebnis bestimmen. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass auch der Mensch ein Teil der Natur ist. Einst haben wir nur mit primitiver Jagdtechnologie zum Niedergang einer Art beigetragen.


Modellierung von mikrobiellem Wachstum und Dynamik

Die Modellierung ist zu einem wichtigen Werkzeug geworden, um unser Verständnis des mikrobiellen Wachstums im Kontext der angewandten Mikrobiologie und in Bezug auf Prozesse wie sichere Lebensmittelproduktion, Abwasserbehandlung, biologische Sanierung oder mikrobenvermittelten Bergbau zu erweitern. Verschiedene Modellierungstechniken, wie primäre, sekundäre und tertiäre mathematische Modelle, phänomenologische Modelle, mechanistische oder kinetische Modelle, reaktive Transportmodelle, Bayessche Netzmodelle, künstliche neuronale Netze, sowie agenten-, individual- und partikelbasierte Modelle wurden verwendet, um mikrobielles Wachstum und mikrobielle Aktivität in vielen Anwendungsgebieten zu modellieren. In diesem Mini-Review fassen wir die Grundkonzepte dieser Modelle anhand von Beispielen und Anwendungen aus der Lebensmittelsicherheit und Abwasserbehandlungssystemen zusammen. Darüber hinaus überprüfen wir die jüngsten Entwicklungen in anderen Anwendungsbereichen und konzentrieren uns dabei auf Modelle, die explizit räumliche Beziehungen einbeziehen. Anhand dieser Beispiele zeigen wir die konzeptionellen Gemeinsamkeiten über Anwendungsfelder hinweg auf und fördern den kombinierten Einsatz unterschiedlicher Modellierungstechniken in hybriden Modellen sowie deren fachübergreifenden Austausch. Musterorientierte Modellierung hat beispielsweise ihren Ursprung in der Ökologie, kann aber verwendet werden, um mikrobielle Wachstumsmodelle zu parametrisieren, wenn experimentelle Daten knapp sind. Modelle könnten auch als virtuelle Labore verwendet werden, um das experimentelle Design analog zum virtuellen Ökologen-Ansatz zu optimieren. Zukünftige mikrobielle Wachstumsmodelle werden wahrscheinlich komplexer werden, um von der umfangreichen Toolbox zu profitieren, die jetzt für mikrobielle Wachstumsmodellierer zur Verfügung steht.

Dies ist eine Vorschau von Abonnementinhalten, auf die Sie über Ihre Institution zugreifen können.


6.3: Bakterielle Wachstumsdynamik - Biologie

Die Bakterienwachstumskurve

Im Labor verdoppelt sich unter günstigen Bedingungen eine wachsende Bakterienpopulation in regelmäßigen Abständen. Das Wachstum erfolgt durch geometrische Progression: 1, 2, 4, 8 usw. oder 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 . 2 n (wobei n = die Anzahl der Generationen). Das nennt man exponentielles Wachstum. In Wirklichkeit ist exponentielles Wachstum nur ein Teil des bakteriellen Lebenszyklus und nicht repräsentativ für das normale Wachstumsmuster von Bakterien in der Natur.

Wenn ein frisches Medium mit einer bestimmten Anzahl von Zellen beimpft wird und das Populationswachstum über einen bestimmten Zeitraum überwacht wird, ergibt das Auftragen der Daten a typische Bakterienwachstumskurve (Abbildung 3 unten).


Abbildung 3. Die typische Bakterienwachstumskurve. Wenn Bakterien in einem geschlossenen System (auch Batch-Kultur genannt) wie einem Reagenzglas gezüchtet werden, zeigt die Zellpopulation fast immer diese Wachstumsdynamik: Zellen passen sich zunächst an das neue Medium an (Lag-Phase), bis sie sich regelmäßig teilen können durch der Prozess der binären Spaltung (exponentielle Phase). Wenn ihr Wachstum eingeschränkt wird, hören die Zellen auf, sich zu teilen (stationäre Phase), bis sie schließlich ihre Lebensfähigkeit verlieren (Todesphase). Beachten Sie die Parameter der x- und y-Achse. Das Wachstum wird als Änderung der Anzahl lebensfähiger Zellen gegenüber der Zeit ausgedrückt. Generationszeiten werden während der exponentiellen Wachstumsphase berechnet. Die Zeitangaben sind in Stunden für Bakterien mit kurzen Generationszeiten.

Vier charakteristische Phasen des Wachstumszyklus werden erkannt.

1. Verzögerungsphase. Unmittelbar nach der Inokulation der Zellen in frisches Medium bleibt die Population vorübergehend unverändert. Obwohl keine offensichtliche Zellteilung stattfindet, können die Zellen an Volumen oder Masse wachsen, Enzyme, Proteine, RNA usw. synthetisieren und ihre metabolische Aktivität erhöhen.

Die Länge der Lag-Phase hängt offensichtlich von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Größe der Inokulumzeit, die erforderlich ist, um sich von einer physischen Schädigung oder einem Schock zu erholen, der Transferzeit, die für die Synthese von essentiellen Coenzymen oder Teilungsfaktoren erforderlich ist, und der Zeit, die für die Synthese neuer (induzierbare) Enzyme, die notwendig sind, um die im Medium vorhandenen Substrate zu metabolisieren.

2. Exponentielle (log) Phase. Die exponentielle Wachstumsphase ist ein Muster ausgeglichenen Wachstums, bei dem sich alle Zellen regelmäßig durch binäre Spaltung teilen und durch geometrische Progression wachsen. Die Zellen teilen sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Wachstumsmediums und den Inkubationsbedingungen mit konstanter Geschwindigkeit. Die exponentielle Wachstumsrate einer Bakterienkultur wird ausgedrückt als Generationszeit, auch der Verdopplungszeit der Bakterienpopulation. Die Generationszeit (G) ist definiert als die Zeit (t) pro Generation (n = Anzahl der Generationen). Daher ist G=t/n die Gleichung, aus der die Berechnungen der Generationszeit (unten) abgeleitet werden.

3. Stationäre Phase. Exponentielles Wachstum kann nicht ewig in a . fortgesetzt werden Batch-Kultur (z. B. ein geschlossenes System wie ein Reagenzglas oder eine Flasche). Das Bevölkerungswachstum wird durch einen von drei Faktoren begrenzt: 1. Erschöpfung der verfügbaren Nährstoffe 2. Akkumulation von hemmenden Metaboliten oder Endprodukten 3. Platzmangel, in diesem Fall „biologischer Platzmangel“ genannt.

Wenn während der stationären Phase lebensfähige Zellen gezählt werden, kann nicht festgestellt werden, ob einige Zellen absterben und sich eine gleiche Anzahl von Zellen teilt, oder ob die Zellpopulation einfach aufgehört hat zu wachsen und sich zu teilen. Die stationäre Phase ist wie die Lag-Phase nicht unbedingt eine Ruhephase. Bakterien, die produzieren Sekundärmetaboliten, wie Antibiotika, tun dies während der stationären Phase des Wachstumszyklus (Sekundärmetaboliten sind definiert als Metaboliten, die nach der aktiven Wachstumsphase produziert werden). Während der stationären Phase müssen sporenbildende Bakterien die Aktivität von Dutzenden von Genen, die am Sporulationsprozess beteiligt sein können, induzieren oder demaskieren.

4. Todesphase. Wird die Inkubation fortgesetzt, nachdem die Population die stationäre Phase erreicht hat, folgt eine Todesphase, in der die lebensfähige Zellpopulation abnimmt. (Beachten Sie, dass bei der Zählung durch turbidimetrische Messungen oder mikroskopische Zählungen die Todesphase nicht beobachtet werden kann.). Während der Todesphase nimmt die Anzahl lebensfähiger Zellen geometrisch (exponentiell) ab, im Wesentlichen umgekehrt zum Wachstum während der logarithmischen Phase.

Wachstumsrate und Generationszeit

Wie oben erwähnt, definieren Bakterienwachstumsraten während der Phase des exponentiellen Wachstums unter Standardernährungsbedingungen (Kulturmedium, Temperatur, pH usw.) die Generationszeit des Bakteriums. Die Generationszeiten für Bakterien variieren von etwa 12 Minuten bis 24 Stunden oder mehr. Die Generationszeit für E coli im Labor beträgt sie 15-20 Minuten, aber im Darmtrakt wird die Generationszeit der Coliformen auf 12-24 Stunden geschätzt. For most known bacteria that can be cultured, generation times range from about 15 minutes to 1 hour. Symbionts such as Rhizobium tend to have longer generation times. Many lithotrophs, such as the nitrifying bacteria, also have long generation times. Some bacteria that are pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis und Treponema pallidum, have especially long generation times, and this is thought to be an advantage in their virulence. Generation times for a few bacteria are are shown in Table 2.

Table 2. Generation times for some common bacteria under optimal conditions of growth.

Bakterium Mittel Generation Time (minutes)
Escherichia coli Glucose-salts 17
Bacillus megaterium Sucrose-salts 25
Streptococcus lactis Milch 26
Streptococcus lactis Lactose broth 48
Staphylococcus aureus Heart infusion broth 27-30
Lactobacillus acidophilus Milch 66-87
Rhizobium japonicum Mannitol-salts-yeast extract 344-461
Mycobacterium tuberculosis Synthetik 792-932
Treponema pallidum Rabbit testes 1980

Calculation of Generation Time

When growing exponentially by binary fission, the increase in a bacterial population is by geometric progression. If we start with one cell, when it divides, there are 2 cells in the first generation, 4 cells in the second generation, 8 cells in the third generation, and so on. Die generation time is the time interval required for the cells (or population) to divide.

G (generation time) = (time, in minutes or hours)/n(number of generations)

t = time interval in hours or minutes

B = number of bacteria at the beginning of a time interval

b = number of bacteria at the end of the time interval

n = number of generations (number of times the cell population doubles during the time interval)

b = B x 2 n (This equation is an expression of growth by binary fission)


Example: What is the generation time of a bacterial population that increases from 10,000 cells to 10,000,000 cells in four hours of growth?


Schau das Video: Immunforsvaret forklaret I - Bakterieinfektion (Kann 2022).