Einführung in die Mikrobielle Ökologie

Einführung in die
Mikrobielle Ökologie
Nevskia ramosa,
gefärbt mit
Toluidinblau (links)
oder im UV-Licht
nach Anfärbung mit
einer Artspezifischen RNASonde
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www.icbm.de/pmbio
Einführung, Ökologie, Größe, Anzahl, Biomasse
© H. Cypionka, icbm.de/pmbio
Themen
• Was ist Mikrobielle Ökologie?
• Eine Welt der Mikroben - Rolle der
Mikroorganismen in der Natur
• Methoden (Biomasse, Artzusammensetzung,
Aktivität)
• Kreisläufe: C, N, S, P
• 'Extremisten'
• Wechselwirkungen
(untereinander, mit Tieren, Pflanzen)
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Winter-Angebot
VL Mikrobielle Ökologie: Standorte und Prozesse
• Standorte: Meer, Seen, Sedimente, Mikrobenmatten,
Boden, Darm, "extreme" Standorte: "Deep
biosphere", Submarine Hydrothermalquellen,
Erzlaugung, Salinen, Alkaliseen
• Umweltmikrobiologie: Gewässer, Boden,
Abwasser, Problemstoffe
• Handouts stehen noch im Netz
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Empfohlene Bücher
- Brock. Biology of Microorganisms, Prentice Hall, 10. Aufl., 2002
- Cypionka H., Grundlagen der Mikrobiologie, Springer 2003 (19.95 Euro)
- Ehrlich H. L. (1996) Geomicrobiology, Marcel Dekker, New York
- Wolfgang Fritsche (2002) Umwelt-Mikrobiologie. Grundlagen und Anwendungen.
Spektrum Akad. Verlag
- Richard Y. Morita (1997) Bacteria in Oligotrophic Environments, Chapman & Hall
- L.A. Meyer-Reil, M. Köster (1993) Mikrobiologie des Meeresbodens. Fischer
- K. Alef (1991) Methodenhandbuch Bodenmikrobiologie. Ecomed
- Daniel M. Alongi (1998) Coastal Ecosystem Processes. CRC Press
- Paul F. Kemp et al. (1993) Handbook of Methods in Aquatic Microbial Ecology. Lewis
- John H. Paul (ed.) (2001) Methods in Microbiology. Vol. 30 Marine Microbiology.
Academic Press
- B. Dexter Dyer (2003) A Field Guide to Bacteria, ~25 €
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Informationen aus dem Internet
• www.icbm.de/pmbio
• dort unter Teaching
- diese u.a. VL als PDF-Files
- Fragen u. Antworten aus dem
Buch 'Grundlagen der Mikrobiologie'
- Skripte, z.T. Kurs-Ergebnisse
- Lehrangebot mit Inhaltsangaben
• Links to Scientific Journals on the Web
• Homepage der Forschergruppe
'BioGeoChemie des Watts'
• Aushänge, Vortragsankündigungen
• e t c.
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Kapitel
1
17
18
19
Bitte:
Verbesserungsvorschläge vor
Pfingsten..
www.grundlagen-der-mikrobiologie.de
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Legitimes Ziel: Prüfungsfragen beantworten können
→ www.grundlagen-der-mikrobiologie.de
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Was ist ÖKOLOGIE?
♦ "Ökologie ist die Wissenschaft, die sich mit den Wechselbeziehungen
befasst, die die Verbreitung und das Vorkommen der Organismen
bestimmen." (Krebs 1985, Lampert & Sommer 1994)
♦ "Die Ökologie untersucht die Wechselbeziehungen zw. Organismen und
Umwelt auf den Ebenen des Individuums (Autökologie), der Population
(Demökologie) und der Lebensgemeinschaft oder Biozönose (Synökologie)."
(DTV-Atlas zur Biologie 1992)
♦ "Ökologie ist die gesamte Wissenschaft von den Beziehungen des
Organismus zur umgebenden Außenwelt" (Ernst Haeckel 1869)
♦ "Ökologie als Studium von Struktur und Funktion der Natur", "Umweltbiologie"
(Odum 1983)
↑
Merke:
Die Bewertung der Definitionen steht hier nicht
im Deutschen für
anthropogene
Problemfälle in
der Umwelt
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Ökologie als Theater
Lampert & Sommer 1994 (modifiziert nach Hutchinson 1965)
_____________________________________________________
Analyse der Bühne,
der Schauspieler
oder des Stücks
Standortkunde
Physiologie
Ökologie
Taxonomie
Genetik
____________________________________________________
Wo bleiben Spielplan, Budget, die Geschichte des Theaters?
→
Biogeochemie
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Weshalb Mikrobielle Ökologie?
♦ Biogeochemische Kreisläufe (C, N, S, Metalle) laufen nur unter
Mitwirkung der Prokaryoten
♦ Eukaryotenzellen leben nur unter Mitwirkung der
Prokaryoten (als Endo(cyto)symbionten)
♦ Die meisten Stoffwechseltypen gibt es nur unter den
Prokaryoten (z.B. Lithotrophie, viele anaerobe Typen)
♦ Unter verschiedenen Extrembedingungen leben nur
Prokaryoten
♦ In der Evolution und der Erdgeschichte gab es lange Zeit nur
Prokaryoten
♦ Auch heute werden die meisten chemischen Reaktionen
auf der Erde durch Mikroorganismen katalysiert
♦ Mikroorganismen erfüllen das 'Dogma der biologischen
Unfehlbarkeit': Sie mineralisieren einen großen Teil der
organischen Substanz
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Die Erde lebt...
Farbstreifen-Sandwatt
Ist die Erde ein Lebewesen? Gaia-Theorie?
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Stromatolith
1.3 Ga
Ga = Gigajahre oder
Milliarden Jahre
Achtung:
Engl. Billion = Milliarden
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Das Forschungsschiff
Meteor
Mittelmeersedimente.
Oben: Bakterienkolonie
Links: Sedimente mit
Sapropelschichten
Mehr dazu unter icbm.de/pmbio
... Marine Expeditions
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Was ist besonders an der
Mikrobiellen Ökologie?
Wie Sie sehen,
sehen Sie nichts.
♦ Geringe Größe, Heterogenität, → spezielle Methoden
♦ Artbegriff bei Prokaryoten 'operationell'
(→ Molekularbiologische Methoden)
♦ Hohe Aktivität, aber im Fließgleichgewicht (steady state)
nicht leicht messbar (→ spez. Methoden...)
♦ Die meisten Prokaryoten können wir (noch) nicht kultivieren
(→ spez. Methoden...)
Zum Thema 'Kultivierbarkeit' von Bakterien (und auch sonst!) - merke:
Der Negativbefund hat keine Beweiskraft.
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Größenverhältnisse
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Was hat die geringe
Größe von
Mikroorganismen für
Folgen?
Größenverhältnisse
1m
107 m
1m
10-7 m
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Größenvergleich mit dem Menschen (eine Dimension!)
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1 cm3
Welt der Mikroben: Größenvergleich mit der des Menschen (3D)
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Diffusion
Ein in Wasser gelöstes Gasteilchen bewegt sich in 1 sec im
Durchschnitt 100 µm von seinem Ursprungsort weg.
Wieviel entspräche das auf die Größe des Menschen
übertragen?
100 µm * 107 = 1 km
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Kantenlänge
Fläche
→
1 mm →
100 µm →
10 µm →
1 µm →
6 cm2
1 cm
60 cm2
600 cm2
6000 cm2
6 m2
1 cm3 voller Bakterien
hat eine Oberfläche
von ≈10 m2
Oberflächen-Volumen-Verhältnis
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Oberfläche und biologische Aktivität
Die biologische Aktivität ist bestimmt durch
Oberflächen (Membranen)
Biovolumenverhältnis Bakterien (im M.) : Mensch?
≈10-4
Oberflächenverhältnis Bakterien (F = 4 r2 π) : Haut d. M.?
>100
Die meisten chemischen Reaktionen auf der Erde sind
durch Mikroorganismen katalysiert
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1 mm
Abstand der Bakterien voneinander
1 mm
m
1m
106 Bakterien cm-3 = 103 Bakerien mm-3
bei gleichmäßiger Verteilung >0.1 mm
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Bakterien auf unserer Haut
10 000 pro cm2
= 10 000 pro (10 000 x 10 000) µm2
= 1 pro 100 x 100 µm2
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Bakterien im Wasser unter dem Mikroskop
1000 000 pro ml
= 20 000 pro 20 µl unter einem Deckglas
von 20 x 20 mm oder 400 000 000 µm2
= 2 pro Gesichtsfeld von 200 x 200 µm
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Mundschleimhautzelle
einer gesunden
Oldenburger Studentin
- Oberfläche
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Mundschleimhautzelle
einer gesunden
Oldenburger Studentin Blick in das Cytoplasma
mit Kern u. 'Mikrosomen'
Merke: Nicht immer erklärt ein Begriff den Sachverhalt
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PazifikSediment
Mundschleimhautzelle
WattSediment
gefärbt mit
SybrGreen
unter UVLicht
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Wann wurde der
Elefant entdeckt?
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Wann wurde das größte Bakterium der Welt entdeckt?
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Wechselbeziehungen zwischen Populationen
(oder Organismen)
Neutralismus
A
0
B
0
Kommensalismus
0
+
Amensalismus
-
0
Mutualismus
Symbiose (räumlich)*)
Syntrophie (funktional)
+
+
Parasitismus,
Räuber-BeuteBeziehung
+
-
Konkurrenz
-
-
Population: Vertreter einer Art an einem Standort
Lebensgemeinschaft: Alle Populationen an einem Standort
Wechselbeziehungen
*) Im
Englischen
wird 'Symbiose' oft
nur für räumliche
Nähe ohne
fördernde Wirkung
gebraucht
Positiv
denken!
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Fotos
Jörg Overmann
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Fotos
Jörg Overmann
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Milliarden-Quiz
≈1080
Wieviele Atome enthält das Weltall?
107 bis 109
Wieviele Bakterien enthält ein Liter Meerwasser?
Wieviele Bakterien gibt es im Meer (361 Mio km2, 4 km tief)?
>1028
Wieviele Zellen hat ein Mensch (die meisten im Gehirn)?
≈1013
Wieviele Bakterien hat ein Mensch (die meisten im Darm)?
≈1014
Merke: 1 ml Wasser → 1 Mio. Bakterien
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Zusammenfassung
• Mikroorganismen - vor allem die Prokaryoten sind verflixt klein.
• Dafür gibt es sehr viele.
• Gewaltig groß ist ihre Oberfläche und Aktivität,
• und zwar auch, wenn man sie selbst und die Aktivität
meist nicht sieht.
• Durch ihre Leistungen in den biogeochemischen
Kreisläufen treten sie in Wechselwirkung mit allen
Lebewesen
• Weshalb sieht man nicht wenigstens die Aktivität?
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Bestimmung der
bakteriellen Biomasse
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Prokaryoten auf der Erde
Anzahl Zellen
Offener Ozean
Marine Sedimente
Erdboden
Sub-terrestrisch
Summe
Biomasse der Prokaryoten:
1.2 * 1029
3.5 * 1030
2.6 * 1029
0.5 – 2.5 * 1030
4 - 6 * 1030
350 - 550 * 1015 g C
(60 - 100 % der Eukaryoten)
Geschätzte Produktion: 1.7 1030 Zellen a-1 (weshalb so wenig?)
Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ (1998) Prokaryotes: The unseen majority. Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 6578-6583
P.S. Lernen Sie nicht zu viele Zahlen auswendig - lieber grob abschätzen
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Bestimmung der Biomasse der Bakterien
♦ Anzahl
♦ Gesamtzellzahl (direct count)
Mikroskop
+ Zählkammer (Präparat mit definierter Höhe und Zählfeldern)
Oberseite
Unterseite
→ Bakterien als solche gegenüber 'Dreck' sichtbar machen
→ Bakterien an Partikeln doppelt zählen
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Sichtbarmachen von Bakterien mit Farbstoffen, die
sich in DNA einlagern und dann unter UV-Licht
fluoreszieren
DAPI (4',6Diamidino-2phenylindol)
Acridinorange
Merke: Fluoreszenz als
hochsensitives Nachweisverfahren
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icbm.de/pmbio ...
Teaching ...
Fortgeschrittenen-Praktikum ...
Methodenskript
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Bestimmung der Biomasse der Bakterien
♦ Anzahl
♦ Gesamtzellzahl (direct count)
♦ Lebendzellzahl
Problem: Es wachsen
nur 0.001 bis 1 % der
Zellen an
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Mikrotiter-Platte mit 96
Vertiefungen
Statistische Auswertung:
MPN-Verfahren
('Most Probable Number')
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Bestimmung der Biomasse der Bakterien
♦ Anzahl
♦ Gesamtzellzahl (direct count)
♦ Lebendzellzahl (nur ein geringer Teil wächst auf einem Medium)
♦ Indirekte Methoden
♦ Adenosintriphosphat (ATP : C ≈ 1 : 250 als Massenverhältnis)
(tatsächlich 1:140 bis 1:2000)
♦ Muraminsäure (i. d. Zellwand vor allem bei Gram-positiven B.)
♦ Lipopolysaccharide (vor allem bei Gram-negativen B.)
♦ Phospholipide (in Membranen, aufwändig zu anaylsieren)
♦ DNA (1-2 Moleküle pro Zelle, aufwändig zu extrahieren)
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Zusammenfassung
• Mikroorganismen lassen sich nicht leicht zählen
• Man macht sie durch DNA-Farbstoffe im UV-Licht
sichtbar.
• Kultivieren können wir nur einen geringen Bruchteil
der natürlichen Gemeinschaften
• Indirekte Methoden analysieren typische Moleküle,
die in vielen Prokaryoten vorkommen
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