Leitfaden für die Vorlesung Mikrobiologie und ... - Gudrun Nagl

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FH-MIKROBIOLOGIE UND HYGIENE DR. NAGL 1.1 Mikroorganismen im Dienste des Menschen Der Unbefangene erkennt die praktische Bedeutung der Mikroorganismen zunächst an den Schäden, die sie bei Mensch, Tier und Pflanze verursachen. Mit diesen krankheitserregenden oder pathogenen Mikroorganismen und ihren speziellen Eigenschaften beschäftigen sich die humanmedizinische und veterinärmedizinische Mikrobiologie sowie die Phytopathologie. Obwohl Mikroorganismen noch in anderen Bereichen der Natur und in der Industrie als Schädlinge auftreten, überwiegt ihre Rolle als Nützlinge bei weitem. Mikroorganismen haben sich seit langem einen festen Platz im Haushalt und in der Industrie erobert; ihre Leistungen als "Nutzpflanzen" sind nicht zu entbehren. Ihre Verwendung erstreckt sich von der Veredelung landwirtschaftlicher Primärprodukte bis zur Katalyse diffiziler chemischer Reaktionsschritte. Klassische mikrobielle Verfahren. Am Beispiel der Bier- und Weinbereitung mittels Hefen, der Brotbereitung und der Herstellung von Milchprodukten mit Hilfe von Milchsäurebakterien sowie der Herstellung von Speiseessig durch Essigsäurebakterien wird deutlich, daß Mikroorganismen zu den ältesten "Kulturpflanzen" zählen. In Japan und Indonesien werden seit alters her Sojabohnen mit Hilfe von Schimmelpilzen, Hefen und Milchsäurebakterien aufbereitet. Abgesehen von der Ethanolproduktion sind Mikroorganismen in die industrielle Produktion reiner Verbindungen erst seit sechs Jahrzehnten eingeschaltet worden. Bereits im ersten Weltkrieg wurde eine gesteuerte Hefegärung zur Herstellung von Glycerin ausgenutzt. Die in der Nahrungsmittelindustrie in großen Mengen benötigte Milchsäure und Citronensäure wird mit Hilfe von Milchsäurebakterien bzw. durch den Schimmelpilz Aspergillus niger hergestellt. Aus billigen kohlenhydratreichen Abfällen lassen sich durch Gärungen mit Clostridien und Bazillen Aceton, Butanol, 2-Propanol, Butandiol und andere Grundchemikalien herstellen. Antibiotikaproduktion. Eine neue Epoche der medizinischen Therapie und der Heilmittelindustrie hat die Auffindung der Antibiotika eingeleitet. Der Entdeckung des Penicillins und anderer Ausscheidungsprodukte von Pilzen, Actinomyceten und anderen Bakterien verdankt die Menschheit nahezu unfehlbare Mittel zur Bekämpfung bakterieller Infektionskrankheiten. Die Suche nach neuen Antibiotika ist noch immer erfolgreich. Theoretisch erscheint auch die Bekämpfung von Viruskrankheiten und virusbedingten Tumoren mit Hilfe von Antibiotika aussichtsreich. Neue mikrobielle Verfahren. Die klassischen Gärungen werden durch neue mikrobielle Produktionen und Umsetzungen ergänzt. Carotinoide und Steroide werden aus Pilzen gewonnen. Seit der Entdeckung, daß Corynebacterium glutamicum aus Zucker und Ammoniumsalz mit hoher Ausbeute Glutaminsäure produziert, sind Mutanten isoliert und Verfahren entwickelt worden, nach denen sich viele Aminosäuren, Nucleotide und Biochemikalien im großen Maßstab herstellen lassen. Mikroorganismen werden vom Chemiker zur Katalyse von Teilprozessen in lange Syntheseketten eingeschaltet; mikrobielle Umsetzungen übertreffen chemische an Spezifität und Ausbeute; Amylasen zur Stärkehydrolyse, Proteinasen zur Lederbereitung, Pectinasen zur Fruchtsaftklärung und andere industriell angewandte Enzyme werden aus Mikroorganismenkulturen gewonnen. Monopolstellung der Mikroorganismen. Es ist hervorzuheben, daß einige in besonders großen Mengen verfügbare Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Cellulose nur von Mikroorganismen verwertet und entweder zu Zellmaterial (Biomasse) oder Zwischenprodukten, die von den Zellen ausgeschieden werden, umgesetzt werden können. 01FH.DOC 4
FH-MIKROBIOLOGIE UND HYGIENE DR. NAGL Mikrobielle Biomasse besteht aus Kohlenhydraten, Lipiden und Nucleinsäuren. Diese Inhaltsstoffe können nach Aufschluss der Zellen gewonnen werden und in den verschiedensten Produkten Anwendung finden. Das Hauptinteresse gilt dem Proteinanteil der Biomasse. Aus diesem Grund werden diese Produkte fälschlicherweise mit Einzellerprotein (SCP) bezeichnet, obwohl damit nicht nur der Proteinanteil, sondern der ganze Zellinhalt gemeint ist. Mikroorganismen haben daher bei der "Veredelung" der unkonventionellen Rohstoffe Erdöl, Erdgas und Kohle eine Monopolstellung. Die Erschließung dieser Rohstoffe durch biologische Verfahren hat gerade erst begonnen. Moderne genetische Techniken. Die Aufklärung der Mechanismen der Genübertragung bei Bakterien und der Beteiligung von extrachromosomalen Elementen haben Möglichkeiten zur Übertragung von Fremd-DNA in Bakterien eröffnet. Die genetische Manipulation macht es möglich, kleine Stücke der Träger genetischer Information, beispielsweise des Menschen, in Bakterien einzuführen und in ihnen die entsprechenden Proteine synthetisieren zu lassen. Es ist durchaus möglich, Hormone, Antigene, Antikörper und andere Proteine mit Hilfe von Bakterien herzustellen. Es wird auch versucht, die Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren, auf Pflanzen zu übertragen oder auf biochemischen Defekten beruhende Krankheiten zu heilen. Unmittelbare Anwendbarkeit grundlagenwissenschaftlicher Erkenntnisse. Es würde zu weit führen, hier alle Verfahren und Produkte der industriellen Mikrobiologie aufzuzählen und über die Möglichkeiten weiterer Anwendungen zu spekulieren. Die Beziehungen zwischen Grundlagenforschung und Praxis sind in der Mikrobiologie wie in allen Naturwissenschaften sehr eng. 1.2 Bedeutung der Mikroorganismen in der Natur Stoffkreisläufe Entsprechend ihrer Bedeutung und Funktion im Haushalt der Natur ordnet man die Lebewesen in drei Gruppen ein: Produzenten, Konsumenten und Destruenten. - Produzenten sind die grünen Pflanzen, die unter Verwertung von Sonnenenergie und Kohlendioxid organische Substanz (Biomasse) produzieren. - Konsumenten sind die Tiere, die einen Teil der Biomasse zum Aufbau körpereigener, organischer Substanz verbrauchen. - Destruenten sind die Mikroorganismen, insbesondere Pilze und Bakterien, die die organische Substanz - Tiere und Pflanzen - zu anorganischen (mineralischen) Verbindungen abbauen. Dieser Vorgang, bei dem die Bioelemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel in Form anorganischer Verbindungen entstehen, nennt man Mineralisation. Die anorganischen Verbindungen stehen den Produzenten erneut zum Aufbau der Biomasse zur Verfügung. Die Bioelemente gehen demzufolge in Kreislaufprozesse ein: Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phosphor- und Schwefel-Kreislauf. Nützliche Mikroorganismen Dies sind Mikroorganismen mit bekannten Eigenschaften und Stoffwechselleistungen. Man benutzt sie beispielsweise um Milch zu säuern (Joghurt, Dickmilch, Sauerrahm ....). In der Käserei bauen sie Inhaltsstoffe der rohen Käse ab. Es entsteht das genußfähige, typische 01FH.DOC 5
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