1 Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Umwelt
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1 Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Umwelt 1.1 Kennzeichen und Merkmale lebendiger Systeme 1.2 Kennzeichen des Lebens Mikroorganismen als Lebewesen unterscheiden sich hauptsächlich durch folgende Kriterien von der unbelebten Materie: Sie sind aus organischen Molekülen, nämlich Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und Lipiden aufgebaut. Sie bestehen aus Zellen als kleinste Einheiten des Lebens. Sie führen Stoff- und Energiewechsel durch, worunter alle chemischen und energetischen Umsetzungen in der Zelle verstanden werden. Sie wachsen als Ergebnis des Stoffwechsels, indem die Masse einer Zelle oder bei Vielzellern die Masse des Gesamtorganismus zunimmt. Sie pflanzen sich fort, entweder ungeschlechtlich (asexuell) durch Zweiteilung oder geschlechtlich (sexuell) durch Verschmelzung von männlichen und weiblichen Geschlechtszellen (Gameten)zu einer Zelle, der Zygote, aus der ein neues Individuum entsteht. Sie besitzen die Fähigkeit zur Bewegung, sowohl innerhalb des Organismus zum Stofftransport als auch zur Ortsveränderung des ganzen oder eines Teiles des Lebewesens. Sie reagieren auf Reize, d. h. auf bestimmte Umwelteinflüsse wie Licht, Schall, Temperatur, Schwerkraft, Erdmagnetismus und Chemikalien. 1.2.1 Elemente des Lebens Von den 114 Elementen, die heute bekannt sind, sind nur wenige regelmäßig in großen Mengen in den Lebewesen vorhanden. Sie werden als Makro- oder Hauptelemente bezeichnet und setzen sich zusammen aus: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Calcium, Magnesium, Kalium, Eisen zuzüglich Natrium und Chlor bei Tieren. Ebenfalls regelmäßig, aber in geringen Mengen sind die Mikro- oder Spurenelemente am Aufbau der Lebewesen beteiligt. Zu den Spurenelementen gehören: Kupfer, Mangan, Zink, Molybdän und Kobalt sowie Fluor, Jod und Selen bei Tieren und Chlor und Bor bei Pflanzen. 1.2.2 Stoffliche Grundlagen des Lebens Die wichtigste chemische Verbindung der Lebewesen stellt das Wasser als Lösungs- und Transportmittel dar. Der Mensch besteht aus etwa 60 %, Bakterien aus 70-85 % und Quallen aus 96 % und mehr Wasser. Die überwiegend aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor bestehenden organischen Verbindungen der Lebewesen gehören zu den Stoffklassen der: - Proteine (Eiweiße) Nukleinsäuren (Kernsäuren) Kohlenhydrate und Lipide (Fette) Während bei den Tieren mengenmäßig die Proteine dominieren, sind es bei den Pflanzen die Kohlenhydrate. 1.2.3 Begriffsbestimmungen Alle Lebewesen (Organismen), ob Mikroorganismen, Pflanzen oder Tiere sind in vielfältigsten Beziehungen miteinander und mit ihrer jeweiligen Umwelt verbunden. Die nachfolgenden Begriffe definieren diese Beziehungen, die in Abb. 1.2 schematisch dargestellt sind. Ökologie ist die Wissenschaft von den wechselseitigen Beziehungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt. Umwelt ist charakterisiert durch alle abiotischen (geophysikalischen, geochemischen) und biotischen Faktoren (Lebewesen) mit denen ein Organismus in Beziehung steht. .... 1.3 Bedeutung der Mikroorganismen in der Natur (Stoffkreisläufe) 1.3.1 Kreislauf des Kohlenstoffs Kohlenstoff, das in der Natur wichtigste chemische Element, ist in der Natur nur zu etwa 0,2 % in der festen Erdrinde enthalten. Alle organischen Substanzen jedoch, aus denen sich die Organismen aufbauen, bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoffverbindungen. Im Kreislauf des Kohlenstoffs kommt den Mikroorganismen eine bedeutende Rolle für die Erhaltung des Lebens auf der Erde zu. Das in der Luft enthaltene Kohlendioxid (0,03 %) dient den grünen Pflanzen unter Energiezufuhr (Sonnenenergie) und Sauerstoffbildung während der Photosynthese als Kohlenstoffquelle beim Aufbau organischer Kohlenstoffverbindungen der energiereichen Biomasse. Diese wird im Baustoffwechsel zu Bestandteilen des Pflanzenkörpers, mit dem sie von Tieren aufgenommen und in Bestandteile des Tierkörpers umgebaut wird. Aus den organischen Kohlenstoffverbindungen des Tierkörpers wird der Kohlenstoff entweder durch Atmung der Mikroorganismen unter Sauerstoffzufuhr oder bei der Zersetzung (Mineralisation) der toten Organismen durch Gärungsprozesse als CO2 freigesetzt. In beiden Fällen erfolgen die Prozesse unter Energiegewinn. Die grünen Pflanzen müssten ihre C02 -Fixierung bald einstellen (in 30 Jahren wäre das gesamte CO 2 der Atmosphäre verbraucht), wenn niedere Tiere und Mikroorganismen nicht fortwährend durch Mineralisation der organischen Substanz für eine Regeneration des Kohlendioxids sorgen würden. Den Bakterien und Pilzen des Bodens kommt im Stoffhaushalt der Erde eine ebenso große Bedeutung wie den photosynthetisch-aktiven grünen Pflanzen zu. Die gegenseitige Abhängigkeit aller Lebewesen der Erde wird am Beispiel des Kohlenstoffkreislaufes in markanter Weise verdeutlicht.
