Einführung in die Mikrobielle Ökologie

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1 Einführung in die Mikrobielle Ökologie 1 Nevskia ramosa, gefärbt mit Toluidinblau (links) oder im UV-Licht nach Anfärbung mit einer Artspezifischen RNA- Sonde Einführung, Ökologie, Größe, Anzahl, Biomasse Themen Was ist Mikrobielle Ökologie? Eine Welt der Mikroben - Rolle der Mikroorganismen in der Natur Methoden (Biomasse, Artzusammensetzung, Aktivität) Kreisläufe: C, N, S, P 'Extremisten' Wechselwirkungen (untereinander, mit Tieren, Pflanzen) 1

2 Winter-Angebot VL Mikrobielle Ökologie: Standorte und Prozesse Standorte: Meer, Seen, Sedimente, Mikrobenmatten, Boden, Darm, "extreme" Standorte: "Deep biosphere", Submarine Hydrothermalquellen, Erzlaugung, Salinen, Alkaliseen Umweltmikrobiologie: Gewässer, Boden, Abwasser, Problemstoffe Handouts stehen noch im Netz Empfohlene Bücher - Brock. Biology of Microorganisms, Prentice Hall, 10. Aufl., Cypionka H., Grundlagen der Mikrobiologie, Springer 2003 (19.95 Euro) - Ehrlich H. L. (1996) Geomicrobiology, Marcel Dekker, New York - Wolfgang Fritsche (2002) Umwelt-Mikrobiologie. Grundlagen und Anwendungen. Spektrum Akad. Verlag - Richard Y. Morita (1997) Bacteria in Oligotrophic Environments, Chapman & Hall - L.A. Meyer-Reil, M. Köster (1993) Mikrobiologie des Meeresbodens. Fischer - K. Alef (1991) Methodenhandbuch Bodenmikrobiologie. Ecomed - Daniel M. Alongi (1998) Coastal Ecosystem Processes. CRC Press - Paul F. Kemp et al. (1993) Handbook of Methods in Aquatic Microbial Ecology. Lewis - John H. Paul (ed.) (2001) Methods in Microbiology. Vol. 30 Marine Microbiology. Academic Press - B. Dexter Dyer (2003) A Field Guide to Bacteria, ~25 2

3 Informationen aus dem Internet dort unter Teaching - diese u.a. VL als PDF-Files - Fragen u. Antworten aus dem Buch 'Grundlagen der Mikrobiologie' - Skripte, z.t. Kurs-Ergebnisse - Lehrangebot mit Inhaltsangaben Links to Scientific Journals on the Web Homepage der Forschergruppe 'BioGeoChemie des Watts' Aushänge, Vortragsankündigungen e t c. Kapitel Bitte: Verbesserungsvorschläge vor Pfingsten.. 3

4 Legitimes Ziel: Prüfungsfragen beantworten können fi 4

5 Was ist ÖKOLOGIE? "Ökologie ist die Wissenschaft, die sich mit den Wechselbeziehungen befasst, die die Verbreitung und das Vorkommen der Organismen bestimmen." (Krebs 1985, Lampert & Sommer 1994) "Die Ökologie untersucht die Wechselbeziehungen zw. Organismen und Umwelt auf den Ebenen des Individuums (Autökologie), der Population (Demökologie) und der Lebensgemeinschaft oder Biozönose (Synökologie)." (DTV-Atlas zur Biologie 1992) "Ökologie ist die gesamte Wissenschaft von den Beziehungen des Organismus zur umgebenden Außenwelt" (Ernst Haeckel 1869) "Ökologie als Studium von Struktur und Funktion der Natur", "Umweltbiologie" (Odum 1983) Merke: Die Bewertung der Definitionen steht hier nicht im Deutschen für anthropogene Problemfälle in der Umwelt Ökologie als Theater Lampert & Sommer 1994 (modifiziert nach Hutchinson 1965) Analyse der Bühne, der Schauspieler oder des Stücks Standort- Physiologie Ökologie kunde Taxonomie Genetik Wo bleiben Spielplan, Budget, die Geschichte des Theaters? fi Biogeochemie 5

6 Weshalb Mikrobielle Ökologie? Biogeochemische Kreisläufe (C, N, S, Metalle) laufen nur unter Mitwirkung der Prokaryoten Eukaryotenzellen leben nur unter Mitwirkung der Prokaryoten (als Endo(cyto)symbionten) Die meisten Stoffwechseltypen gibt es nur unter den Prokaryoten (z.b. Lithotrophie, viele anaerobe Typen) Unter verschiedenen Extrembedingungen leben nur Prokaryoten In der Evolution und der Erdgeschichte gab es lange Zeit nur Prokaryoten Auch heute werden die meisten chemischen Reaktionen auf der Erde durch Mikroorganismen katalysiert Mikroorganismen erfüllen das 'Dogma der biologischen Unfehlbarkeit': Sie mineralisieren einen großen Teil der organischen Substanz Die Erde lebt... Farbstreifen-Sandwatt Ist die Erde ein Lebewesen? Gaia-Theorie? 6

7 Stromatolith 1.3 Ga Ga = Gigajahre oder Milliarden Jahre Achtung: Engl. Billion = Milliarden Das Forschungsschiff Meteor Mittelmeersedimente. Oben: Bakterienkolonie Links: Sedimente mit Sapropelschichten Mehr dazu unter icbm.de/pmbio... Marine Expeditions 7

8 Was ist besonders an der Mikrobiellen Ökologie? Wie Sie sehen, sehen Sie nichts. Geringe Größe, Heterogenität, spezielle Methoden Artbegriff bei Prokaryoten 'operationell' ( Molekularbiologische Methoden) Hohe Aktivität, aber im Fließgleichgewicht (steady state) nicht leicht messbar ( spez. Methoden...) Die meisten Prokaryoten können wir (noch) nicht kultivieren ( spez. Methoden...) Zum Thema 'Kultivierbarkeit' von Bakterien (und auch sonst!) - merke: Der Negativbefund hat keine Beweiskraft. 8

9 Größenverhältnisse 9

10 Was hat die geringe Größe von Mikroorganismen für Folgen? Größenverhältnisse 1 m 10 7 m 10-7 m 1 m Größenvergleich mit dem Menschen (eine Dimension!) 10

11 1 cm 3 Welt der Mikroben: Größenvergleich mit der des Menschen (3D) Diffusion Ein in Wasser gelöstes Gasteilchen bewegt sich in 1 sec im Durchschnitt 100 µm von seinem Ursprungsort weg. Wieviel entspräche das auf die Größe des Menschen übertragen? 100 µm * 10 7 = 1 km 11

12 Kantenlänge Fläche 1 cm 6 cm 2 1 mm 60 cm µm 600 cm 2 10 µm 6000 cm 2 1 µm 6 m 2 1 cm 3 voller Bakterien hat eine Oberfläche von»10 m 2 Oberflächen-Volumen-Verhältnis Oberfläche und biologische Aktivität Die biologische Aktivität ist bestimmt durch Oberflächen (Membranen) Biovolumenverhältnis Bakterien (im M.) : Mensch?»10-4 Oberflächenverhältnis Bakterien (F = 4 r 2 p) : Haut d. M.? >100 Die meisten chemischen Reaktionen auf der Erde sind durch Mikroorganismen katalysiert 12

13 Abstand der Bakterien voneinander 1 mm 1 mm 1 mm 10 6 Bakterien cm -3 = 10 3 Bakerien mm -3 bei gleichmäßiger Verteilung >0.1 mm Bakterien auf unserer Haut pro cm 2 = pro ( x ) µm 2 = 1 pro 100 x 100 µm 2 13

14 Bakterien im Wasser unter dem Mikroskop pro ml = pro 20 µl unter einem Deckglas von 20 x 20 mm oder µm 2 = 2 pro Gesichtsfeld von 200 x 200 µm Mundschleimhautzelle einer gesunden Oldenburger Studentin - Oberfläche 14

15 Mundschleimhautzelle einer gesunden Oldenburger Studentin - Blick in das Cytoplasma mit Kern u. 'Mikrosomen' Merke: Nicht immer erklärt ein Begriff den Sachverhalt 15

16 Sediment Mundschleimhautzelle Pazifik- Watt- Sediment gefärbt mit SybrGreen unter UV- Licht Wann wurde der Elefant entdeckt? 16

17 Wann wurde das größte Bakterium der Welt entdeckt? Wechselbeziehungen zwischen Populationen (oder Organismen) A B Neutralismus 0 0 Kommensalismus 0 + Amensalismus - 0 Mutualismus + + Symbiose (räumlich) *) Syntrophie (funktional) Parasitismus, Räuber-Beute- + - Beziehung Konkurrenz - - Population: Vertreter einer Art an einem Standort Lebensgemeinschaft: Alle Populationen an einem Standort Wechselbeziehungen *) Im Englischen wird 'Symbiose' oft nur für räumliche Nähe ohne fördernde Wirkung gebraucht Positiv denken! 17

18 Fotos Jörg Overmann 18

19 Fotos Jörg Overmann Milliarden-Quiz Wieviele Atome enthält das Weltall?»10 80 Wieviele Bakterien enthält ein Liter Meerwasser? 10 7 bis 10 9 Wieviele Bakterien gibt es im Meer (361 Mio km 2, 4 km tief)? >10 28 Wieviele Zellen hat ein Mensch (die meisten im Gehirn)?»10 13 Wieviele Bakterien hat ein Mensch (die meisten im Darm)?»10 14 Merke: 1 ml Wasser 1 Mio. Bakterien 19

20 Zusammenfassung Mikroorganismen - vor allem die Prokaryoten - sind verflixt klein. Dafür gibt es sehr viele. Gewaltig groß ist ihre Oberfläche und Aktivität, und zwar auch, wenn man sie selbst und die Aktivität meist nicht sieht. Durch ihre Leistungen in den biogeochemischen Kreisläufen treten sie in Wechselwirkung mit allen Lebewesen Weshalb sieht man nicht wenigstens die Aktivität? Bestimmung der bakteriellen Biomasse 20

21 Prokaryoten auf der Erde Anzahl Zellen Offener Ozean 1.2 * Marine Sedimente 3.5 * Erdboden 2.6 * Sub-terrestrisch * Summe 4-6 * Biomasse der Prokaryoten: * g C ( % der Eukaryoten) Geschätzte Produktion: Zellen a -1 (weshalb so wenig?) Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ (1998) Prokaryotes: The unseen majority. Proc. Natl. Acad. Sci. USA P.S. Lernen Sie nicht zu viele Zahlen auswendig - lieber grob abschätzen Bestimmung der Biomasse der Bakterien Anzahl Gesamtzellzahl (direct count) Mikroskop + Zählkammer (Präparat mit definierter Höhe und Zählfeldern) Oberseite Unterseite fi Bakterien als solche gegenüber 'Dreck' sichtbar machen fi Bakterien an Partikeln doppelt zählen 21

22 Sichtbarmachen von Bakterien mit Farbstoffen, die sich in DNA einlagern und dann unter UV-Licht fluoreszieren DAPI (4',6- Diamidino-2- phenylindol) Acridinorange Merke: Fluoreszenz als hochsensitives Nachweisverfahren icbm.de/pmbio... Teaching... Fortgeschrittenen-Praktikum... Methodenskript 22

23 Bestimmung der Biomasse der Bakterien Anzahl Gesamtzellzahl (direct count) Lebendzellzahl Problem: Es wachsen nur bis 1 % der Zellen an Mikrotiter-Platte mit 96 Vertiefungen Statistische Auswertung: MPN-Verfahren ('Most Probable Number') 23

24 Bestimmung der Biomasse der Bakterien Anzahl Gesamtzellzahl (direct count) Lebendzellzahl (nur ein geringer Teil wächst auf einem Medium) Indirekte Methoden Adenosintriphosphat (ATP : C» 1 : 250 als Massenverhältnis) (tatsächlich 1:140 bis 1:2000) Muraminsäure (i. d. Zellwand vor allem bei Gram-positiven B.) Lipopolysaccharide (vor allem bei Gram-negativen B.) Phospholipide (in Membranen, aufwändig zu anaylsieren) DNA (1-2 Moleküle pro Zelle, aufwändig zu extrahieren) Zusammenfassung Mikroorganismen lassen sich nicht leicht zählen Man macht sie durch DNA-Farbstoffe im UV-Licht sichtbar. Kultivieren können wir nur einen geringen Bruchteil der natürlichen Gemeinschaften Indirekte Methoden analysieren typische Moleküle, die in vielen Prokaryoten vorkommen 24

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