3a Giftigkeit von Schwermetallen Einleitung:

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1 3a Giftigkeit von Schwermetallen Schwermetalle gehen mit Proteinen schwer- bis nichtlösliche Komplexe ein. Durch ihre Enzymhemmende Wirkung sind sie giftig für den pflanzlichen und tierischen Stoffwechsel. Sie können nicht- kompetitiv das aktive Zentrum von Enzymen blockieren oder allosterisch dessen Struktur verändern. Die Hefe breitet sich auf dem gesamten Nähragarboden aus. Sie zeigt in den Schalen mit Kupfer und Kobalt eine konzentrationsabhängige Wachstumshemmung (je größer Konzentration, um so größer der Hof um die Kristalle), bei Magnesium und Natrium kam es zu keiner Wachstumshemmung. Die Höfe konnten nicht vermessen werden, da es in allen Fällen zu einer Überschneidung durch nicht exakte Kristallzugabe kam. Die Schwermetall Kupfer und Kobalt haben die Enzyme der Hefe durch nicht-kompetitive und allosterische Hemmung inaktiviert. Die Nährstoffe des Agarbodens konnten dadurch weder aufgenommen noch enzymatisch verarbeitet werden, es unterblieb eine Energieproduktion und somit ein Wachstum. Die Hemmung durch Kobalt war dabei leicht größer. Die Salze von Magnesium und Natrium würden erst in sehr hohen Konzentrationen durch einen Wasserentzug der Hefezellen negativ auf deren Wachstum auswirken.

2 3b Kahmhautbildung durch Bazillus subtilis Der aerobe Heubazillus Bathillus thubtilis verbreitet sich in Form von dauerhaften und hitzeresistenten Sporen im Heu. Aufgrund dieses Hitzeresistenz lässt er sich durch das Abkochen einer Heulösung als Reinkultur gewinnen. Nach mehreren Tagen (in einem Brutschrank bei 30 C) vollziehen die Sporen einen Entwicklungszyklus, bei dem eine Kahmhaut gebildet wird. Material, Methoden: Nach 2 Tagen ist eine dünne Hautschicht (Kahmhaut) und eine Bläschenbildung auf der Lösung erkennbar.

3 3c Buttersäuregärung Die Gattung Clostridium sind obligat anaerobe Bakterien, die Zucker (Glucose, Lactat und nach extrazellulärem enzymatischen Abbau auch Stärke) unter Wasserstofffreisetzung zu Buttersäure vergären. Dabei werden 2 Moleküle der Endprodukte der Glykolyse (Acetyl- Coenzym-A) zu Acetoacetyl-Coenzym-A unter ATP-Gewinnung kondensiert. Bei Verletzungen von Rüben oder Kartoffeln in feuchten Böden lösen die Bakterien eine Buttersäuregärung und damit einhergehende Nassfäule aus. Im Reagenzglas kommt es zur Trübung und zur Gasentwicklung an der Einstichstelle am 3. Tag. Die kleine, schmutzige Kartoffel (siehe ) steigt nach oben. Bei der Buttersäuregärung wird außer Buttersäure auch noch molekularer Wasserstoff produziert, der als Gas entweicht. Die Trübung des Wassers ist auf die Abbauprodukte des Bakteriums und auf gelöste Stoffe wie Cellulose, Glucose oder Stärke zurückzuführen. Da die Stärke der kleine[n], schmutzige[n] Kartoffel (siehe ) extrazellulär, enzymatisch hydrolisiert wird kommt es zur Umwandlung der Stärke zu Glucose. Die Glucose ist im Gegensatz zur Stärke osmotisch wirksam, deshalb nimmt die kleine, schmutzige Kartoffel (siehe ) Wasser auf und steigt nach oben. Nach wenigen Tagen sind die Bakterien in einer Probe als große, bewegliche Stäbchen erkennbar. Die Buttersäure ist zweifelsfrei an ihrem unangenehmen Geruch identifiziert worden.

4 3d Anaerobe Atmung: Desulfurikation Unter anaeroben Bedingungen können bestimmte Bakterien anorganische Stoffe wie Sulfat (Sulfatatmung) oder Nitrat (Nitratatmung) umsetzen. Dabei dienen diese Stoffe, anstatt Sauerstoff wie bei der aeroben Atmung, als Endakzeptoren für die Wasserstoffprotonen/ elektronen. Bei der Nitratatmung entsteht unter anaeroben Bedingungen aus Nitrat und Nitrit molekularer Stickstoff und Distickstoffmonoxid. Da dies zu einer Nitratreduktion im Boden führt, ist dieser Abbau in der Landwirtschaft unerwünscht. Die Sulfatatmung findet nur unter anaeroben Bedingungen statt, Sauerstoff ist für diese Bakterien toxisch (obligat anaerob). Sulfat wird im Faulschlamm (von Sümpfen) zu Sulfid reduziert, dabei entsteht Schwefelwasserstoff, oder in Anwesenheit von Eisen schwarzes Eisensulfid. Der weiß-gelbe Bodenansatz verfärbt sich um den Faulschlamm herum grau-schwarz. In Reagenzglas 1 erfolgt die Färbung von der Oberfläche nach unten, in Reagenzglas 2 von unten nach oben. Vom ersten bis zum dritten Tag (Versuchsende) wird der Bodenansatz zunehmend schwärzer. Die im Faulschlamm enthaltenen Bakterien Desulfotomaculum und Desulfovibrio setzten das in der in der Lösung enthaltene Sulfat zu Sulfid um. Diese Umsetzung wird durch die sofortige schwarzfärbung durch das Produkt der Reaktion vom gebildeten Sulfid mit dem in der Lösung enthaltenem Eisen sichtbar. Da die Faulschlamm-bakterien streng anaerob sind, tritt eine Schwarzfärbung vom sauerstoffarmen Untergrund zur Oberfläche hin ein. 3e Celluloseabbau

5 Cellulose kann von Mikroorganismen nur durch vorherige Spaltung abgebaut werden. Extrazelluläre Enzyme (Cellulasen) spalten die Stärke zu kleineren Molekülen (Cellubiosen), die von Cellubiasen zu Glucose umgewandelt, und von den Mikroorganismen verarbeitet werden. Durch Gerbstoffe (Humin) wird die enzymatische Cellulosepaltung gehemmt. Nur mit Hilfe von cellulosespaltende Bakterien können Pflanzenfresser die Cellulose der Pflanzen verdauen. Im Pansen (Kuh) oder im Blinddarm (Pferd) lebt eine ausgeprägte Bakterienflora, deren Abbauprodukte vom Tier verwertet werden. Durch das Darmbakterium Escherichia coli ist der Mensch im geringen Maße in der Lage Cellulose zu verwerten. Bei den mit Gerbstoffen behandelten Petrischalen kam es zu fast keiner Verfärbung der Cellulosestreifen. Bei den mit Wasser behandelten Petrischalen waren deutliche bräunlich gelbe Flecken auf dem Cellulosestreifen sichtbar. Die Humuserde enthält eine neber einer Reihe von Mikroorganismen auch celluloseabbauende Bakterien und Pilze. Die bräunlichen Verfärbungen deuten auf Kolonien von celluloseabbauenden Mikroorganismen hin, die aus der Cellulose die Energie für ihre Reproduktion gewinnen. In den Petrischalen mit Gerbstoffen führte die Hemmung der Exoenzymen nur zu einer geringen Ausbreitung von celluloseabbauenden Bakterien. Die Abbaugeschwindigkeit wird weiterhin von dem Feuchtigkeitsgehalt des Bodens beeinflusst. Im Experiment wurden beschrifteten Petrischalendeckel vertauscht.

6 3g Harnstoffzersetzung Das von den Tieren ausgeschiedene Exkret Harnstoff kann von den aeroben Harnstoffzersetzern mit dem substratspezifischen Enzym Urease zu Ammoniak umgesetzt werden. Dadurch wird der Stickstoff wieder biologisch nutzbar und kann von Pflanzen als Nitrat oder Ammonium aufgenommen werden und als Stickstoffquelle für die Aminosäurensynthese verwendet werden. Material, Methoden: Beim Öffnen des Versuchskolbens ist ein schwacher Ammoniakgeruch wahrnehmbar. Mit konzentrierter HCl kommt es zu einer deutlichen NH 4 Cl-Nebelreaktion. Der im Gemisch enthaltene Boden enthielt den Harnstoffzersezter Bacillus pasteurii, der den Harnstoff mit Wasser zu Ammoniak (und CO 2 ) zersetzte. Der Ammoniak ist durch seinen stechenden Geruch, durch seine Basizität durch einen ph-streifen oder durch seine Reaktion mit HCl identifizierbar. 3h Anreicherungskultur von Pseudomonas fluorescens;bakterienpigmente

7 Viele Bakterien sind zur Pigmentbildung befähigt. Diese besitzen unterschiedliche Funktionen, wie zb Schutzfunktion gegen die Einwirkung des Lichts (Carotinoide), Gifte (Antibiotika) und Antennenpigmente zur Wahrnehmung und für die Photosynthese (Carotinoide). Die Bakterienpigmente verleihen verschiedenen biologischen Substanzen ihre charakteristische Farbe. Reagenzglas 1 (Kontrolle) ist leicht getrübt und hat eine dünne Hautschicht ausgebildet. Reagenzglas 2 (Tümpel-H 2 0) ist gelblich-trüb gefärbt und hat eine Hautschicht ausgebildet. Unter einer UV-Lampe kommt es zu einer geschichteten Fluoreszensreaktion bei Reagenzglas 2 (oben heller als unten). Im Reagenzglas 1 kam es wahrscheinlich zur Ausbreitung von bereits vorhandenen Bakterien und Keimen im Wasser oder am Reagenzglas, die sich unter den optimalen Bedingungen des Brutschrankes vermehrt haben. Im Reagenzglas 2 breitete sich das Bakterium Pseudomonas fluorescens aus und baute die zugefügten Substratstoffe dabei ab. Das Bakterium Pseudomonas fluorescens ist aerob, seine Konzentration war deshalb an der Wasseroberfläche am größten. Die von ihm gebildeten Fluoreszenspigmente lagern sich langsam nach unten ab, darauf beruht auch die Schichtung bei der Fluoreszensreaktion im Glas. 3f Entwicklung von Mikroorganismen in Abhängigkeit von der Dampfspannung Für eine optimale Entwicklung und Reproduktion benötigen Mikroorganismen spezifische Luftfeuchtigkeitswerte. Hygrophytische Organismen benötigen % rel. Luftfeuchtigkeit (die Mehrzahl, Bakterien wie zb Hausschwamm), mesophytische Organismen benötigen 95-

8 90% rel. Luftfeuchtigkeit (viele Hefen), xerophytische Organismen benötigen 90-85% rel. Luftfeuchtigkeit zum optimalen Wachstum (wie zb Grünschimmel). Bei hundertprozentiger Luftfeuchtigkeit liegt das größte Wachstum vor Am dritten Tag wurde deutliches Wachstum im Reagenzglas mit 100%iger Luftfeuchtigkeit festgestellt. Das Bakterium Penicillium camembertii hat sein Luftfeuchtigkeitsoptimum bei XXX%. Dies ist erkennbar an seinem stärksten Wachstum. Darüber oder darunter kommt es zu geringerer bis fast fehlender Ausbildung von Sporen. Nachtrag 2d 2.3 Alkoholische Gärung

9 Bei einer Destillation bei 75 C wurden 25ml Ethanol destilliert. Dieser wurde 3 mal verdünnt um den Alkoholgehalt zu bestimmen. Der Alkoholgehalt lag bei 48 Gewichtsprozent und 55,8 Volumenprozent. Die fakultativ anaerobe Hefe setzte die Glucose und Fructose über eine alkoholische Gärung zu Ethanol um, dieses wurde bei 75 C abdestilliert. Durch den Einsatz von zu heißem Wasser beim Ansetzen des Gärungsexperimentes wurde wahrscheinlich ein Großteil der Hefe abgetötet. Das Temperaturoptimum der Hefe liegt bei ca 53 C (siehe V7.2) und wurde offensichtlich überschritten.