Mikrobielle Ökologie
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Mikrobielle Ökologie • Marine Habitate (10.Mai) • Limnische Habitate (12.Mai) • Terrestrische Habitate (15. Mai) • Mikroorganismen in Mensch & Tier (17. Mai) • Anthropogene Habitate (19. Mai) Mikroorganismen in Mensch & Tier Habitat Mensch Mund, Haut, Verdauungstrakt Abbau von organischem Material im Pansen Anaerober Abbau von Cellulose Mikroorganismen in Termiten Aufschluss von Holz mit Hilfe von Mikroorganismen 1 Habitat Mensch Wir sind jederzeit dem Kontakt mit Mikroorganismen ausgesetzt Menschliche Körper ist eine günstige Umgebung für das Wachstum von Mikroorganismen Reich an organischen Substraten Die Mehrzahl unserer normalen Mikroflora ist harmlos oder sogar hilfreich Spezielle Körperregionen bieten stabile chemische und physikalische Bedingungen Körperregionen und Organe unterscheiden sich Erhebliche und bilden selektive Umwelt Viele pathogene Mikroorganismen versuchen, sich in oder auf uns Zugang zu potentiellen Nährstoffen zu verschaffen Habitat Mensch Haut Mundhöhle Verdauungstrakt Urogenitaltrakt Körperoberflächen mit direktem Kontakt zur Umwelt. (Normalerweise keine MOs in Blut, Lymphe oder Nervensystem) 2 Infektionen erfolgen häufig an Schleimhäuten Bestehen aus mehrschichtigen Epithelzellen Bilden Grenzschicht zu externem Millieu Schleim bildet viskose Schutzschicht aus löslichen Glycoproteinen Definitionen Parasiten: Organismen, die in, auf oder an einem Wirt leben und ihn dabei schädigen. Pathogene: Mikrobielle Parasiten, die Ursache für eine Krankheit sind. Opportunistische Pathogene: Mikroorganismen, die unter normalen Umständen keine Infektion durchführen, beim Herabsetzen der Wirtsresistenz jedoch eine Krankheit auslösen können. Infektion und Krankheit sind nicht das Gleiche! 3 Mikroorganismen der Haut Grösstes Organ des Menschen; bedeckt ca 2m2 Lokal unterschiedliche chemische Zusammensetzung und Feuchtigkeitsbedingungen Grösste Teil der Hautoberfläche zu trocken für dichte mikrobielle Besiedelung Wachstum von Bakterien meist assoziiert mit Schweissdrüsen (apokrine Drüsen) in Bereichen der Achsel, Brustwarzen, Genitalbereich, Bauchnabel Die menschliche Haut Mikroorganismen kommen überwiegend in Schweissgängen und Haarfolikeln unterhalb der Hautoberfläche vor. Abgesonderte Substrate: Harnstoff, Aminosäuren, Milchsäure, Lipide 4 Bakteriengemeinschaft der Haut Man unterscheidet zwischen residenter und transienter Mikroorganismenpopulation Gattungen der residenten Gemeinschaft: Acinetobacter, Corynebacterium, Enterobacter, Klebsiella, Propionibacterium, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Staphylococcus Beeinflussung durch: Wetter, Alter, Hygene Limitierende Faktoren: niedriger pH-Wert, Trockenheit Die menschliche Mundhöhle Mundhöhle ist komplexer und heterogener Lebensraum Speichel enthält viele Nährstoffe, aber auch antimikrobielle Substanzen (zB. Lysozym) Mundhöhle stellt Verbindung nach Aussen dar Aufnahme von Mikroorganismen durch Atmung und Nahrungsaufnahme Verbunden mit oberen und unteren Atemwegen 5 Mikroorganismen der Mundhöhle Bisher sind etwa 500 Bakterienarten in der Mundhöhle identifiziert worden Beinhalted Bacateria, Archaea und Pilze Besiedelung der Zähne erfolgt unter definierter Bildung von Biofilmen Dickere bakterielle Beläge werden als Zahnplaque bezeichnet Massive Besiedelung kann zu Karies, Gingivitis oder Paradontose führen Biofilmbildung des Zahnplaques 6 Biofilmbildung des Zahnplaques Anheftung durch Streptococcus-Arten (Bildung adhäsiver Dextranpolysaccharide) Bildung von Mikrokolonien und Matrix Ansiedelung von fädigen Fusobakterien Zunahme der Komplexität und Dicke des Biofilms Bildung von anoxischen Bedingungen (verringerte O2- Diffusion und Atmungsaktivität) Wachstum von anaeroben Mikroorganismen 7 Auswirkung von Zahninfektionen Produktion von organischen Säuren führen zur Zerstörung (Decalzifizierung) des schützenden Zahnschmelz. Entstehung von tiefen Taschen, vermehrt an Zahnfleischrändern. Akkumulation von Substrat und Ansiedlung durch transiente Pathogene Infektionen können zu Gingivitis und knochen- und gewebezerstörender Paradontose führen. Zahninfektionen hängen von Alter, Hygene, Ernährung und Gesundheitszustand ab Der menschliche Verdauungstrakt 106 1011 Bakterien pro g Darminhalt Bakterien machen etwa 1/3 der ausgeschiedenen Fäkalien aus. 8 Helicobacter pylori Chemolithoautotrophes Knallgasbakterium Spaltet ausserdem Harnsäure zu Ammoniak und Bicarbonat Helicobacter pylori Infektion kann zu Magengeschwüren und chronische Gastritis führen. Isoliert von Robin Warren und Barry Marschall (Nobel Preis für Medizin 2005) 9 Atemwege Staphylococcus aureus und Streptococcus pneumoniae sind opportunistische Pathogene der Atemwege. Der menschliche Urogenitaltrakt Die Blase ist normalerweise steril, Während Harnleiter besiedelt sind (zB. E. coli und Proteus) Die Vagina unterliegt Schwankungen des pH Werts und somit wechselnden Bakteriengemeinschaften. (hier Lactobacillus acidophilus, gram+) 10 Das normale Vorhandensein von nichtpathogenen Mikroorganismen in den Atemwegen und dem Urogenitaltrakt verhindert die Besiedelung durch Pathogene. Pathogenität von Mikroorganismen Kontakt über Wunden, Atemwege, Verdauungs- oder Urogenitaltrakt Adhäsion meist selektiv an spezifischen Regionen des Körpers Durchdringen des Epithels meist notwendig für die Initiierung der Pathogenität Besiedelung und Wachstum fördert Toxizität (zB. Clostridium tetani) und weitere Invasion (zB. Streptococcus pneumoniae) 11 Warum schädigen Pathogene den menschlichen Körper? Durch die Produktion von Enzymen, die die Zellen/Gewebe zerstören oder verändern, erlangen Pathogene Zugang zu den Nährstoffen des Wirts. Weitere Virulenzfaktoren des Pathogenen dienen dem Schutz vor Abwehrmechanismen des Wirts oder der Besiedelung und Vermehrung des Pathogens. Infektionsbarrieren im Mensch 12 Wie helfen die Bakterien den Rindern bei ihrer Verdauung? Säugetieren fehlen Enzyme zum Abbau von Cellulose! Rinder sind, wie zB. Schafe, Ziegen und Kamele, Wiederkäuer und besitzen ein spezielles Verdauungsorgan, den Pansen. Im Pansen erfolgt der Abbau von Cellulose und anderer pflanzlicher Polysaccharide durch Mikroorganismen. Im Pansen (ca 100-150 l beim Rind) existieren gleichbleibende Temperaturen (39˚C), ein gleichbleibender pH (6.5), sowie anoxische Bedingungen. Der Pansen enthält 1010-1011 Bakterien pro g Panseninhalt 13 Schematische Darstellung des Verdauungstraktes Unterteilung in 4 Kammern Künstlicher Zugang zum Pansen Verdauung bei Wiederkäuern Nahrung wird aufgenommen, zerkleinert und gelangt durch die Speiseröhre in den Pansen. Vom Pansen wird die Nahrung hochgewürgt und gelangt erneut in den Netzmagen, der als Seperator zwischen festen und fementierten Futterstoffen dient. Im Blättermagen wird Flüssigkeit aus dem Futterbrei gepresst. Durch Kontraktion gelangt der Brei in den Labmagen, in dem der pH Wert gesenkt wird und die Verdauung durch eigene Enzyme erfolgt. Im Labmagen werden ebenfalls viele aus dem Pansen stammende Mikroorganismen abgebaut, die eine wichtige Eiweiss- und Vitaminquelle darstellen. 14 Mikrobieller Abbau im Pansen 15 Eukaryotische Mikroorgansimen im Pansen Obligat anaerobe Ciliaten: Abbau von Cellulose Regulierung der Bakteriendichte Obligat anaerobe Pilze (Neocallimastix): Abbau von Cellulose, Lignin und Pektin Besitzen keine Mitochondrien, jedoch Hydrogenosomen Holzabbau durch Termiten Etwa 2600 beschriebene Arten Ernähren sich fast ausschliesslich von Holz Besitzen modifizierten Enddarm, der symbiotisch lebende Protisten und Bakterien enthält 16 Prinzip der symbiotischen Verdauung in holzfressendenTermiten A. Brune Mikrobielle Symbionten im Enddarm holzfressendenTermiten Anaerobe Flagellaten Prokaryoten in der Peripherie des Enddarms Besiedlung der Darmwand A. Brune 17 Der Termitendarm als Bioreaktor A. Brune Globaler Methanausstoss verschiedener Habitate Wiederkäuer Termiten Reisfelder Meere & Seen 80-100 T/Jahr 25-150 T/Jahr 70-120 T/Jahr 1-20 T/Jahr Biogen Abiogen 300-820 T/Jahr 48-155 T/Jahr 18
