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
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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)
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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!
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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
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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
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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
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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
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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.
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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)
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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+)
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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)
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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
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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
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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.
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Mikrobieller Abbau im Pansen
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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
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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
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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
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