4 Eukaryotische Mikroorganismen...37 Algen Pilze Protozoen... 42

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1 1 Mikrobiologie -Wissenschaft von unsichtbaren Lebewesen... 1 Mikroorganismen und Viren...2 Wissenschaftliche Basis der Mikrobiologie... 2 Teilgebiete... 2 Auswirkungen auf andere Disziplinen... 4 Kleine und große Zahlen...4 Oberflächen-Volumen-Verhältnis...5 Sind die Mikroben primitiv? Aufbau der Zelle.der Grundbedarf des Lebendigen...9 Weshalb ist der Frosch grün?... 9 Kennzeichen von Leben Aufbau einer Prokaryotenzelle Zellwand Zellmembran DNA Mechanismen der Genübertragung bei Prokaryoten DNA.Replikation Transkription und Translation Stoffwechselkatalyse...18 Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten Einheit der Biochemie Chemische Zusammensetzung der Zelle Makro- und Spurenelemente Spezielle Morphologie von Prokaryoten...27 Murein Lysozym und Penicillin...: Gramnegative und Gram-positive Bakterien Kapseln und Schleime...30 Geißeln und Pili Bewegungsmechanismen Chemotaxis Zelleinschlüsse Eukaryotische Mikroorganismen...37 Algen Pilze Protozoen... 42

2 X Inhaltsverzeichnis Bedeutung von Protozoen an verschiedenen Standorten Viren...47 Aufbau von Viren Klassifikation der Viren Lytischer Cyclus eines Bakteriophagen Lysogenie Transduktion Der Phage Qß Mikrobiologische Methoden...55 Mikroben sichtbar machen...55 Strahlengang des Mikroskops Hellfeld-Mikroskopie und Färbungen Transmissions-Elektronenmikroskopie Phasenkontrast-Verfahren Polarisation und Interferenz-Kontrast Dunkelfeld Fluoreszenz-Mikroskopie Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop Raster-Elektronenmikroskopie Sterilisation Teilentkeimung Kulturmedium Anreicherungskultur Vereinzelung von Zellen Direktisolierung Klassifizierung und Grundstruktur des phylogenetischen Stammbaums...73 Taxonomie Artenvielfalt Einordnung einer Reinkultur...74 PCR - Polymerase-Kettenreaktion...76 Sequenzierung von DNA Die ribosomale 16 S-RNA Grundstruktur des phylogenetischen Stammbaums Nachweis von Mikroorganismen mit molekularbiologischen Verfahren Wachstum von Mikroben Potenzielle Unsterblichkeit und der Traum der Bakterien...87 Wachstum und binäre Teilung einer Zelle...88 Exponentielles Wachstum einer Kultur Wachstumsexperiment.~.~ Wachstumsphasen..., '88

3 Inhaltsverzeichnis XI Kontinuierliche Kultur...92 Erhaltungsstoffwechsel Substrat-Affinität und &-Wert Turbidostat Allgemeine Bioenergetik Energieformen...97 Thermodynamische Grundlagen...98 Entropie und Ordnung Widerspricht Leben dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik? Freie Energie Freie Energie von Transportprozessen Freie Energie chemischer Reaktionen Berücksichtigung der tatsächlichen Konzentration der Reaktionspartner Freie Energie von Redoxreaktionen Energiekopplung -der Umweg als biologisches Prinzip ATP als Energiewährung Energieladungszustand der Zelle Mechanismen der ATP-Nutzung Mechanismen der ATP-Regeneriening Bildungsenthalpien Transport Semipermeabilität Aufhahme von partikulärer Substanz Aufnahme von Eisen Sekundärer Transport Primärer Transport Zucker-Transport durch Gruppentranslokation Abbau eines Zuckermoleküls Kopplung zwischen Anabolismus und Katabolismus Wachstum mit Glucose als Substrat Energiebedarf für die Assimilation Energieausbeute der Dissimilation Berechnung des zu erwartenden Ertrages Transport und Aktivieruiig von Glucose Glykolyse Reduktionsequivalente Pymvat-Oxidation Tricarbonsäure-Cyclus, Bilanz der Oxidation von Glucose...128

4 XI1 Inhaltsverzeichnis 12 Regulation Die Bedeutung irreversibler Schritte Regulation der Genexpression Das lac-operon von Escherichia coli Katabolit-Repression Regulation anabolischer Prozesse Attenuation Regulation der Aktivität von Enzymen Pasteur-Effekt Regulation der Enzymaktivität durch chemische Modifikation Beispiel Chemotaxis Elektronentransport und chemiosmotische Energiekonservierung Bilanz der Veratmung von Glucose Prinzip des Elektronentransports Komponenten der Atmungskette Ablauf des Elektronentransports Charakterisierung der Atmungskette Chemiosmotische Energiekonservierung Aufbau von chemiosmotischen Gradienten durch alternative Mechanismen Chemiosmotische Gradienten in Bakterien. Mitochondrien. Chloroplasten Energetische Bewertung des Protonen-Gradienten ATP-Konservierung durch die membrangebundene ATPase Energiebilanz von Atmung und chemiosmotischer ATP-Konservierung Gärungen Prinzip der Gärungen Rolle von Pyruvat bei den Gärungen Milchsäure-Gärung Alkoholische Gärung Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase Pyruvat-Formiat-Lyase Buttersäure-Gärung Propionsäure-Garung Gemischte Säure-Gärung Vergärung von Substratgemischen Anaerobe Atmungsprozesse Nitrat-Reduktion Denitrifikation Dissimilatorische Nitrat-Ammonifikation Sulfat-Reduktion Biochemie und Energiekonservierung bei der Sulfat-Reduktion Vergärung von anorganischen Schwefelverbindungen...178

5 Inhaltsverzeichnis XI11 Schwefel-Atmung Anaerobe Atmung mit Metall-Ionen als Elektronenakzeptoren Reduktion von Kohlendioxid Carbonat-Atmung Methanogenese Biochemie der Kohlendioxid-Reduktion zu Methan Methanogene Acetat-Spaltung Homoacetat-Gärung Lithotrophie.Verwertung anorganischer Elektronendonatoren Lithotrophie und das Dogma der biologischen Unfehlbarkeit Biochemie und Energiekonservierung aus lithotrophen Prozessen Autotrophie Photosynthese Reaktionen der Photosynthese Assimilatorischer Elektronentransport zur CO2-Fixierung Besonderheiten der oxygenen Photosynthese Nutzung von Lichtenergie durch Halobakterien Mikrobielle Ökologie und Biogeochemie Wechselbeziehungen in der mikrobiellen Ökologie Konkurrenz um limitierende Ressourcen Methoden der mikrobiellen Ökologie Bestimmung von Anzahl und Biomasse Analyse mikrobieller Lebensgemeinschaften Messung mikrobieller Aktivitäten Aktivitätsberechnung aus Gradienten Kohlenstoff-Kreislauf Effizienz der biogeochemischen Kreisläufe Abbau organischer Substanz Anaerober Abbau Abbau der wichtigsten organischen Verbindungen Xenobiotika...21 Stickstoff-Kreislauf N2-Fixierung Assimilation von Stickstoff Nitrifikation, Denitrifikation und dissimilatorische Nitrat-Ammonifikation Schwefel-Kreislauf Kreisläufe von Metallen Phosphor-Kreislauf Marine Mikrobiologie Beispiel Nordsee...,...., Rolle der Bakterien im Nahrungsnetz der Wassersäule Sedimentation......,...220

6 XIV Inhaltsverzeichnis Stoffkreisläufe irn Sediment Biosphäre in marinen Sedimenten Süßwasser-Seen... U 3 Sommerstagnation eines Sees Wirkung von Phosphat auf die Sauerstoffkonzentration Mikrobielle Ökologie des Bodens , Beispiel Wiese... LLb Mikroflora tierischer Verdauungssysteme Extremophile Bakterien.Standorte und Anpassungen Stoffwechsel hyperthermophiler Prokaryoten Leben an heißen Tiefseequellen Wie das Leben angefangen haben könnte Entstehung der Erde Spuren des ffihen Lebens Urzeugung und primäre Biogenese Uratmosphäre der Erde Molekulare Evolution Gab es zuerst Proteine oder Nukleinsäuren? Organische und anorganische Kohlenstoffquellen Waren die ersten Lebewesen Viren oder Bakterien? Ein plausibles Szenarium Entwicklung größerer Organismen Biotechnologie und Umweltmikrobiologie Biotechnologie Lebensmittelmikrobiologie Industrielle Mikrobiologie Herstellung und Kloniening gentechnisch veränderter Organismen Produkte der industriellen Mikrobiologie Mikrobielle Erzlaugung Urnweltrnikrobiologie Bodensaniemng Behandlung von Abluft Abwasserbehandlung Schritte der Abwasserreinigung Stickstoff-Eliminiening Phosphat-Eliminiening Bei der Abwasserbehandlung nicht entfernte Stoffe Faulturm und Faulschlamm-Entsorgung Humanpathogene Mikroben und Viren Sind die Mikroben unsere Feinde?...257

7 Inhaltsverzeichnis XV Mikroflora des Menschen Resistenz und Immunität Infektionsverlauf Bakterien-Ruhr Lebensmittelvergiftung Legionärskrankheit HIV Viroide und Prionen Pathogene Pilze Pathogene Protozoen Behandlung von Infektionskrankheiten Hundert Namen. die man kennen könnte Empfohlene Lehrbücher Weiter führende Literatur Index