Teil I. Cytologie und Taxonomie: Einheit und Mannigfaltigkeit 29

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1 Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 Häufig gebrauchte Abkürzungen 7 1. Einleitung: Entwicklung und Bedeutung der Mikrobiologie.... IS 1.1. Mikrobiologie als Wissenschaftsdisziplin Historische Entwicklung Bedeutung der Mikrobiologie 22 Teil I. Cytologie und Taxonomie: Einheit und Mannigfaltigkeit Wesen der Mikroorganismen Pro- und Eukaryoten Kleine Zelldimensionen große Leistungen Anpassungsfähigkeit Mannigfaltigkeit biochemischer Leistungen Struktur und Funktion der prokaryotiscben Zelk Aufbau und Zusammensetzung Kern und Plasmide Cytoplasma und Ribosomen Zellmembran Zellwand Kapseln und Schleime Geißeln, Fimbrien und Pili Reservestoffe Struktur und Funktion der eukaryotischen Mikrobenzelle Wesen der Pilze Bau der Pilzzelle Zellkern Cytoplasma, intrazelluläre Membranen und Mitochondrien Zellmembran Zellwand Hauptgruppen der Bakterien Taxonomie und Phylogenie Eubakterien Phototrophe anaerobe Bakterien: Grüne und Purpurbakterien. 73

2 Inhaltsverzeichnis Cyanobakterien Rhizobakterien: Agrobakterien, Azospirillen, Rhizobien Chemolithotrophe Bakterien: Nitrifikanten, Thiobacillen und Eisen oxidierende Bakterien Pseudomonaden und Enterobakterien Sulfat reduzierende Bakterien Myxobakterien Gram-positive Coccen und Stäbchen Coryneforme Bakterien und Actinomyceten Spirochaeten Chlamydien, Rickettsien und Mycoplasmen Extrem thermophile Eubakterien Archaebakterien Hauptgruppen der Pilze und Hefen Myxomycota (Schleimpilze) Eumycota (Echte Pilze) Oomycetes und Chytidriomycetes Zygomycetes (Jochpilze) Ascomycetes (Schlauchpilze) Basidiom) cetes (Ständerpilze) Deuteromycetes (Fungi imperfecti) Viren: Struktur, Vermehrung und Hauptgruppen Wesen der Viren Bacteriophagen Pflanzenviren Insektenviren Viren des Menschen 130 Teil n. Physiologie und Biochemie: Stoffwechselaktivitäten Grundprozesse des mikrobiellen Stoffwechsels [ Katabolismus, Anabolismus und Wachstum Energieumwandlung Haupttypen des Stoffwechsels 139 Atmungsprozesse 144 Atmung 144 Embden-Meyerhof-Parnas-Weg (Fructose-l,6-bisphosphat-Weg) 146 Oxidative Pyruvat-Decarboxylierung 149 Tricarbonsäure-Cyclus 151 Atmungskette 153 Entner-Doudoroff-Weg(2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat- Weg) 158 Pentosephosphat-Cyclus 158 Unvollständige Oxidation der Essigsäurebakterien 162

3 10 Inhaltsverzeichnis 9.3. Nitratatmung (Denitrifikation) Sulfatreduktion 165 Gärungen 168 Alkohol-Gärung 169 Milchsäure-Gärung 170 Propionsäure-Gärung 174 Gemischte Säure-Gärung und 2,3-Butandiol-Gärung 176 Buttersäure- und Butanol-Aceton-Gärung 180 Cbemolitbotrophie und Pbototrophie 182 Chemolithotrophie 182 Oxidation von Schwefelverbindungen 182 Eisen-II-Oxidation 184 Nitrifikation 185 Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Oxidation 187 CO 2 -Assirrülation über den Calvin-Cyclus 188 Bakterielle Photosynthese 191 Anoxigene Photosynthese 191 Oxigene Photosynthese Acetogenese, Methanogeuese und MetbylotropUe Acetogenese und Methanogenese Anaerobe Acetogenese Methanogenese Methylotrophie Ribulosemonophosphat-Cyclus Serin-Weg Xyhilosemonophosphat-Cyclus Stickstoff-Fixierung Stickstoffbindung der freilebenden Bakterien Biochemie der Stickstoffbindung Schutz der Nitrogenase vor Sauerstoff Symbiontische Stickstoffbindung der Rhizobien Abbau von Natur- und FremdstotTen Abbau der Polysaccharide Cellulose Xylan Pectin und Agar Chitin Stärke Lipide Aliphatischc Kohlenwasserstoffe Lignin Aromatische Kohlenwasserstoffe Abbau und Cometabolismus ausgewählter Fremdstoffe 234

4 Inhaltsverzeichnis Proteinabbau Biosynthese von Zellkomponenten und Stofrwecnselregulatfon Stoffaufnahme Glyoxylsäure-Cyclus und Gluconeogenese Anaplerotische Reaktionen und Aminosäuresynthese Biosynthese von Makromolekülen: Peptidoglykane und Proteine Peptidoglykansynthese Proteinsynthese Stoffwechselregulation Wachstum und Differenzierung Zellteilung der Bakterien Endosporenbildung der Bakterien Wachstum von Bakterienpopulationen Kontinuierliche Kultur Wachstum und Differenzierung der Pilze Einfluß von L'mweWaktoren auf das Wachstum und Leben unter extremen Bedingungen Temperatur Wachstumsförderung Wachsrumshemmung: Hitzesterilisation Wasseraktivität und osmotische Effekte Wasserstoffionen-Konzentration Chemische Konservierung«-und Desinfektionsmittel Strahlungen 277 Teil III. Mikrobengenetik: Stabilität und Variabilität Vom Gen zum Protein Transcription Translation Komponenten der Translation Ablauf der Translation Mutationen und Rekombinationen Mutationen Reparatur von DNA-Schäden Rekombinationen Rekombinationen bei Bakterien Rekombinationen bei eukaryotischen Mikroorganismen Gentechnik Herstellung rekombinanter DNA Weitere Enzyme und Vektoren, die in der Gentechnik Anwendung finden Kkmienrag eukaryotischer Gene 310

5 12 Inhaltsverzeichnis Chemische DNA-Synthese und DNA-Sequenzierung Expression eukaryotischer Gene in Bakterien 314 Teil IV. Ökologie: Interaktionen und Integration Prinzipien der Mikrobenökologie Integration in die Umwelt Evolutionäre Anpassung Phänotypische Anpassung Interaktionen Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen Successionen Antagonismen: Amensalismus und Parasitismus Mutualistische Symbiosen Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Pflanzen Phytopathogene Mikroorganismen Mutualistische Symbiosen in der Rhizosphäre Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen, Mensch und Tieren Antagonistische Interaktionen B Humanpathogene Mikroorganismen Insektenpathogene Mikroorganismen Mutualistische Interaktionen Mikrobielle Prozesse im Pansen Insekten-Symbiosen Symbiosen mit Meerestieren Boden-Mikrobiologie Mineralisierung: Kohlenstoff- und Energiefluß Stickstoffkreislauf Phosphatkreislauf Gewässer-Mikrobiologie Seen als Ökosysteme Mikrobielle Abbauleistungen in Seen und Meeren Schwefel-und Phosphatkreislauf Selbstreinigungspotential der Fließgewässer Mikroorganismen und globale Stoffkreisläufe Der globale Kohlenstoffkreislauf der Natur- und Fremdstoffe Methankreislauf und Quecksilberumsetzungen Der globale Stickstoffkreislauf 393 Teil V. Mikrobielle Biotechnologie: Anwendungen Prinzipien der Technischen Mikrobiologie Spezifische Stoffwechselleistungen: Funktion der Produkte

6 Inhaltsverzeichnis Hohe Stoffwechselaktivitäten: Produktivität und Ertrag Leistungen im technischen System: Bioprozeßtechnik Gärungsprodukte Ethanol-Gärung Regulation von Gärung und Atmung Backhefeproduktion Ethanolproduktion und Bierherstellung Milchsäure-Gärung Butanol-Aceton-Gärung Primärmetabolite, Zellkomponenten und Zellbiomasse Primärmetabolite: Citronensäure, Aminosäuren, Vitamine Reservestoffe: Poly-ß-Hydroxybuttersäure Extrazelluläre Polysaccharide und Biotenside Zellbiomasse: Einzellerproteine Sekundännetabolite: Produkte des organismenspezntschen Stoffwechsels Beziehungen zwischen Primär-und Sekundärstoffwechsel Antibiotika Medizinische Wirkstoffe: Enzyminhibitoren, Immunregulatoren, Mutterkornalkaloide Wirkstoffe für die Landwirtschaft: Ergotropika, Biopestizide, pflanzliche Wachstunisregulatoren Enzymproduktion und Biotransformationen Extra-und intrazelluläre Enzyme Biotransformationen von Steroiden Biotransformationen zur Herstellung von chemischen Zwischenprodukten Anorganische Mikrobiologie: Metallgewinnung, Kohleentschwefelung, Korrosion Chemolithotrophie: Metallaugung und Kohleentschwefelung Heterotrophe Metallaugung und Rohstoffaufbereitung Mikrobielle Akkumulation und Sorption von Metallen Korrosion von Eisen und mineralischen Baustoffen 460 Abbauleistungen: Abwasserreinigung und Umweltschutz 462 Aerober Abbau und Abwasserreinigung 463 Anaerober Abbau und Biogasbildung 466 Denitrifikation und Phosphatakkumulation 469 Rezirkulation und Umweltschutz 470 Literatur 472 Sachregister 480