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Wachstumsfaktoren (C,N,S-Faktoren)
Einführung:
Das Wachstum von Mikroorganismen ist an das Vorhandensein von Wasser gebunden. Darin gelöst müssen
sich Nährstoffe befinden, die die Mikroorganismen als Energiequelle und zum Zellmaterialaufbau verwenden
können.
Organismen bestehen aus 11 Makroelementen, diese müssen also im Nährmedium enthalten sein. Außerdem
müssen Spurenelemente enthalten sein, die oft Bestandteile von Enzymen sind. Weiterhin benötigt man im
Nährmedium noch Ergänzungsstoffe zusätzlich zu Kohlenstoff und Energiequellen.
Energiequellen:
Bakterien können aus verschiedenen Quellen Energie (ATP) gewinnen. Zum Einen aus elektromagnetischer
Strahlung, sprich Licht. Dies sind beispielsweise Cyanobakterien, sowie anoxygene Bakterien, die keinen
Sauerstoff produzieren. Solche Bakterien bezeichnet man als phototroph. Weiterhin können Mikroorganismen
aus chemischer Reaktion in Abwesenheit von Licht Energie gewinnen. Dies können sauerstoffabhängige oder unabhängige Bakterien mit anderen Elektronenakzeptoren als Sauerstoff, oder auch Gärer sein. Diese
Bakterien nennt man dann chemotroph.
Elektronendonatoren:
Elekronenquellen sind bei der Photosynthese und bei der Zellatmung, also im Energiestoffwechsel notwendig.
Sie dienen hier als Reduktionsmittel. Werden organische Quellen hierfür genutzt so nennt man die Organismen
organotroph, beziehen sie die Elektronen aus anorganischen Quellen (z.B. H 2S, NH3) so sind sie litotroph.
Kohlenstoffquellen:
Man unterscheidet nach der Herkunft des Zellkohlenstoffs, dieser stammt entweder ausschließlich aus
Kohlenstoffdioxid (selten CO), dann sind die Mikroorganismen autotroph, oder aus organischen Verbindungen,
wobei man dann den Begriff heterotroph verwendet.
Benötigen die Mikroorganismen, die zum Wachstum angeregt werden sollen, CO2 so kann man sie durch
Zugabe von Natriumbicarbonat ins Medium plus Inkubation unter einer CO 2-angereicherten Atmosphäre damit
versorgen. Oder man belüftet das Medium indem man es mit CO2-angereicherter Luft durchströmt. Dabei muss
allerdings stets der Zusammenhang zwischen pH-Wert, Bicarbonatkonzentration und CO2-Partialdruck
+
beachten, denn CO2 wird mit H2O zu H + HCO3 , was den pH-Wert verändert. Auch heterotrophe Organismen
benötigen CO2 (z.B.: in der Gluconeogenese). Der Entzug von CO2 hemmt deswegen das Wachstum vieler
Mikroorganismen.
Jedoch sind für die meisten Mikroorganismen organische Verbindungen die Quelle des Kohlenstoffs. In der
Natur sind das meist pflanzliche oder tierische Polymere. Diese müssen vor der Aufnahme in die Zelle von
extrazellulären Enzymen gespalten werden. Die Produkte (z.B.: Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren etc.) werden
dann in der Zelle zu CO2 oxidiert werden. Organische Kohlenstoffquellen sind zusätzlich auch
Elektronenquellen. Kohlenstoff dient also auch als Energiequelle. Bei der Teilung oder dem Wachstum wird
Kohlenstoff sowohl als Energiequelle als auch für die Bausteinsynthese verwendet.
Stickstoff- und Schwefelquelle:
Beide Elemente liegen in der Zelle fast nur in reduzierter Form als Sulfhydryl- bzw. Aminogruppe vor. Im Labor
verwendet man am Häufigsten Ammoniumsalz als Stickstoffquelle. Manche Bakterien benötigen Aminosäuren,
in welchen die Elemente schon reduziert vorliegen. Strikt anaerobe Prokaryonten brauchen
Schwefelwasserstoff oder Cystein als Schwefelquelle.
Verwendung des Kohlenstoffs:
Die Energie- bzw Elektronengewinnung, d.h. die ATP- bzw NADH-Gewinnung, bei Kohlenstoff ist wichtig bei der
Glykolyse, der Decarboxylierung, der Gärung, dem Citratzyklus und der Endoxidation.
Der Kohlenstoff, der in Zellbausteine eingebaut wird, stammt aus unterschiedlichen Zwischenverbindungen aus
drei zentralen Stoffwechselwegen, der Glykolyse bzw. der Gluconeogenese, dem Citratzyklus und dem
Pentosephosphatweg.
Aufnahme des Stickstoffs
NH3 ist die bevorzugte Stickstoffquelle von Bakterien, allerdings liegt dieser nur unter anaeroben Bedingungen
vor. Nitrifizierer (chemolithothrophe Bakterien) oxidieren NH 3 mit Sauerstoff zu NO3 . Harnstoff und Harnsäure
sind als Ausscheidungsprodukte ebenfalls eine Stickstoffquelle für Bakterien. Der in Jauche vorkommende
Bacillus pasteurii z.B. spaltet hydrolytisch Harnstoff zu NH3 und Kohlensäure (also CO2 und H2O). Nur Bakterien
können elementaren Stickstoff über das Enzym Nitrogenase zu NH3 reduzieren.
Verwendung des Stickstoffs
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NO3 wird über NO2 zu NH3 reduziert (assimilatorische Nitratreduktion). Liegt der Stickstoff in reduzierter Form
vor, wird NH3 auf Trägermoleküle übertragen, z.B. auf 2-Oxoglutarat wodurch N in Glutamat fixiert ist. Die
bedeutendsten Trägermoleküle sind Glutamat und Glutamin.
Glutamat stellt die α-Aminogruppe der Aminosäuren bereit. Der N aus Glutamin wird für Aminozucker
(Zellwand) oder die Nukleotidbasen verwendet. Werden Aminosäuren als Stickstoffquelle verwendet, können
diese entweder direkt von dem Bakterium verwendet werden oder sie werden abgebaut, wodurch NH 3
bereitsteht.
Verwendung des Schwefels
Die bevorzugte S-Oxidationsstufe ist ebenfalls die, die am weitesten reduziert ist (H 2S). Wie beim Stickstoff liegt
2Schwefel allerdings nur unter Ausschluss von Luft als H2S vor, ansonsten als SO4 .
2-
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SO4 wird zu HSO3 reduziert und HSO3 wiederrum zu HS . HS wird in Cystein fixiert, welches Ausgangsstoff für
die meisten Schwefelverbindungen ist, wie z.B. die Eisen-Schwefel-Proteine in der Atmungskette oder
Molekülen mit Thiolresten (z.B. Coenzym A). Wie beim Stickstoff bevorzugen Bakterien die S-Verbindungen, die
2weit hinten in der Reaktionskette stehen; also ist Cystein günstiger als HS , dieses ist jedoch günstiger als SO4 .
Selektion auf einem Nährmedium durch die Wachstumsparameter C,N und S
Durch die oben aufgeführte Bedeutung von C, N und S für ein Bakterium kann man durch anbieten bestimmter
Quellen dieser Atome bestimmte Bakterien selektieren. Ist die einzige Kohlenstoffquelle zum Beispiel CO 2 und
die Kultur bekommt genug Licht, so werden sich photothrophe Bakterien vermehren. Mit elementarem
Stickstoff als N-Quelle selektiert man N2-fixierende Bakterien. NH3 kann unter aeroben Bedingungen im
Dunklen Nitrifizierer selektieren, wenn keine organische Energiequelle vorhanden ist. Andererseits gibt es so
spezialisierte Mikroorganismen (insbesondere Parasiten und Symbionten), die hohe Anforderungen haben und
nur auf ganz bestimmten Nährmedien wachsen. Durch die geeignete Wahl der Wachstumsparameter können
bestimmte Stoffwechseltypen selektiert werden. Am geeignetsten ist es die minimalen Bedürfnisse zu erfüllen,
da so Konkurrenz weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
Literatur
• Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie, Thieme Verlag, 8. Auflage
• Cypionka: Grundlagen der Mikrobiologie, Springer Verlag,
• Starka: Physiologie und Biochemie der Mikroorganismen, Gustav Fischer Verlag