Wachstum und Vermehrung von Bakterien

Wachstumskurve in statischer Kultur

Wenn Mikroorganismen in ein geschlossenes flüssiges Medium eingebracht werden (ohne Zufuhr frischer Nährstoffe und Entfernung von Toxinen), ist ihre Entwicklung durch die Ressourcen begrenzt. In der Grafik mit der Zeit auf der Abszisse und dem Logarithmus der Zellzahl auf der Ordinate lassen sich vier Phasen deutlich unterscheiden:

1. Lag-Phase (2–5 Stunden). Anpassungsphase nach der Beimpfung. Die Zellen teilen sich noch nicht, aber ihr Metabolismus läuft auf Hochtouren — es findet eine intensive Synthese neuer Enzyme zum Abbau der Substrate des jeweiligen Mediums statt.
2. Exponentielle (logarithmische) Phase. Zeit der maximalen und konstanten Teilungsrate. Alle Zellen haben in dieser Periode eine Standardgröße und eine stabile Proteinmenge.
3. Stationäre Phase. Das Wachstum kommt zum Stillstand. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein: Die Zahl der neu gebildeten Zellen entspricht der Zahl der abgestorbenen. Dies geschieht aufgrund von Nährstofferschöpfung, sinkendem Sauerstoffgehalt, hoher Populationsdichte und Toxinanreicherung.
4. Absterbephase. Mikroorganismen sterben massenhaft unter dem Einfluss saurer eigener Stoffwechselprodukte oder infolge von Autolyse (enzymatischer Selbstabbau). Dieses Stadium kann von zehn Stunden bis zu mehreren Wochen dauern.

Besonderheiten des Wachstums auf Nährböden

Die Lebensäußerungen hängen vom physikalischen Zustand des Substrats ab:

• Flüssige Nährböden. Meistens verursachen Bakterien eine diffuse Trübung der Flüssigkeit, bilden eine Oberflächenhaut oder setzen sich als Bodensatz ab. Eine Ausnahme bilden Leptospiren (Leptospira), deren Wachstum die Transparenz des Mediums optisch nicht verändert.
• Feste Nährböden. Hier bilden sich isolierte Kolonien — die Nachkommenschaft einer elterlichen Zelle (Klone). Die Oberfläche der Kolonien kann glatt und glänzend (S-Formen, von engl. smooth) oder rau und matt (R-Formen, von engl. rough) sein. Größe, Farbe und Konsistenz solcher Ansammlungen werden als kulturelle Eigenschaften bezeichnet und dienen als Schlüssel zur Identifikation der Mikroben.

Klassifikation bakterieller Pigmente

Einige Mikroorganismen sind in der Lage, Pigmente zu synthetisieren, die sie vor UV-Strahlung schützen, toxische Sauerstoffradikale neutralisieren und als Antibiotika zur Verdrängung von Konkurrenten wirken können. Pigmente werden nach chemischer Zusammensetzung und Löslichkeit klassifiziert:

• Carotinoide: fettlösliche rote, orange oder gelbe Pigmente. Typisch für die Gattungen Mycobacterium und Micrococcus.
• Pyrrolpigmente: löslich in Alkohol. Zum Beispiel das rote Prodigiosin, das von Serratia marcescens gebildet wird.
• Phenazin-Pigmente: wasserlöslich, wodurch sie das Nährmedium selbst färben. Ein typisches Beispiel ist das blau-grüne Pyocyanin, das von Pseudomonas aeruginosa (Pseudomonas aeruginosa) sezerniert wird.
• Melanine: unlösliche schwarze oder braune Pigmente, die bei Bakterien der Gattung Porphyromonas vorkommen.

Alternative Vermehrungs- und Ruheformen

Die binäre Teilung ist nicht der einzige Fortpflanzungsweg der Prokaryoten. Im Laufe der Evolution sind auch andere Mechanismen entstanden:

• Aktinomyzeten vermehren sich durch Fragmentierung von Fäden (Hyphen).
• Bei Mykoplasmen ist ein ausgeprägter Polymorphismus zu beobachten: Sie können sich durch Querteilung, Knospung oder Fragmentierung unter Bildung von Elementarkörperchen vermehren.
• Chlamydien haben einen komplexen biphasischen Zyklus. Ein kleines, extrazelluläres Elementarkörperchen, das sich nicht teilen kann, infiziert eine Zelle, wandelt sich in ihrem Inneren in ein großes Retikularkörperchen um, das sich aktiv binär teilt und eine neue Generation von Elementarkörperchen bildet.
• Spirochäten (z. B. der Erreger der Syphilis Treponema pallidum) rollen sich bei ungünstigen Bedingungen zu Zysten ein, die dann in kleine Körnchen zerfallen — die Grundlage für neue Zellen.

Nicht kultivierbare Stadien (VBNC) Wenn die Umweltbedingungen kritisch werden, können sporenbildende Bakterien in einen speziellen Ruhezustand übergehen. Sie hören auf, auf Standardmedien zu wachsen (die Zellteilung stoppt), behalten jedoch ihre metabolische Aktivität bei. Diagnostizieren lassen sie sich nur molekulargenetisch. Bei Kontakt mit Protozoen, Bodenbewohnern oder Phytohormonen kommt es zur Reversion — die Zellen erwachen aus dem Ruhezustand und stellen ihre Fähigkeit zur Vermehrung sowie zur Auslösung von Infektionen wieder her.

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Abhängigkeit der Dauer der Lag-Phase vom Alter des Impfmaterials
• Besonderheiten der Sporenbildung bei der Familie Streptomycetaceae
• Mechanismen der Zellautolyse in der Absterbephase
• Anwendung von Redox-Indikatorfarbstoffen
• Wechselbeziehung zwischen S- und R-Formen von Kolonien (Bakteriendissoziation)

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Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.