Merkblatt zur Einführung in die Taxonomie der Bakterien

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1 Merkblatt zur Einführung in die Taxonomie der Bakterien Archaebakterien (Archaeobactaeria, Archaea) früher als Abt. 4 der Bakterien: Mendosicutes (mendosus lat: Fehler besitzend, abartig) Das Urreich der Archaebakterien gliedert sich in 15 bis 20 Phyla bzw. Zweige. Physiologisch/morphologisch können 5 Gruppen unterschieden werden: I. Methanogene anaerobe Atmung mit CO 2 als H-Akzeptor, CO 2 + H 2 CH 4 anstelle von H 2 können auch niedermolekulare organische Substanzen (Formiat, Acetat u. a.) als H-Donatoren dienen. Vorkommen: Sümpfe, Sedimente, Pansen, Biogasanlagen Beispiel: Methanobacterium II. Sulfatreduzierer zu den Archaebakterien gehören hyperthermophile Sulfatreduzierer, die z.t. bei 140 C lebensfähig sind; alle anderen Gruppen von Sulfatreduzierern gehören zu den Eubakterien Beispiel: Archaeoglobus III. Extrem Halophile extrem halophile Archaebakterien; Optimum: % NaCl, Maximum: 32 % (= gesätt. Salzlösung); z. T. Lichtnutzung und phototrophe ATP-Bildung mittels Bacteriorhodopsin, das in der sogen. Purpurmembran lokalisiert ist. Beispiel: Halobacterium IV. Zellwandlose Beispiel: Thermoplasma (nur CM vorh.) V. Extrem thermophile Schwefel-Verwerter a) extrem thermophil ( C); Nutzung von CO 2 (od. CO) und H z. T. S H2S (S -Reduktion) b) acidophil in sauren Wässern S SO 2-4 (Schwefelsäureproduktion, S -Oxidation) Beispiel: Sulfolobus, Desulfurococcus, Thermoproteus 2 Die Gruppe I bis IV stellen den 1. Hauptzweig der Archaebakterien dar (= Euryarchaeota). Gruppe V stellt den 2. Hauptzweig der Archaebakterien (= Crenarchaeota) dar. 1

2 Eubakterien (Eubacteria, Bacteria) Das Urreich der Eubakterien gliedert sich in ca. 20 Phyla bzw. Zweige. Die meisten Zweige der Eubakterien sind gramnegativ, nur 2 Zweige sind grampositiv (letztere umfassen aber sehr viele Gattungen bzw. Arten). Aquifex/Hydrogenobacter-Zweig tiefster Abzweig der Eubakterien, hyperthermophile MO, anaerob bis microaerophil, obligat chemolithotroph (H 2 -Oxidation). H2, S oder S 2 O - 3 als H-Donator NO 3 - als H-Akzeptor Aquifex pyrophilus Thermotoga-Zweig extrem thermophil (ursprüngliches Merkmal), weitverbreitet in heißen Quellen besitzen zusätzliche Hülle um Zellwand ( Toga ); keine DAP in Murein; in Lipiden: langkettige Dicarbonsäuren als Besonderheit. Cyanobacteria-Zweig = Oxyphotobakterien (ältere Bez.: Blaualgen) - Photosynthese ähnlich der der Pflanzen (aber kein Zellkern und Murein-haltige Zellwand = typ. Bakterienmerkmal); Besitz von Chlorophyll a und Phycobilinen (als Hilfspigmenten). Einige Cyanobakterien enthalten (wie die Pflanzen) sowohl Chlorophyll a als auch Chlorophyll b (z.b. Gattung Prochloron). - Vorkommen im Wasser oder in feuchten, warmen Böden (oder auf Gesteinen) - einzellig (z. T. als durch Schleim verbundene Zellverbände) oder mehrzellig (Fäden, Trichome) - keine Geißeln, mobil durch gleitende Bewegung oder Schweben in lichtintensive Wasserbereiche mittels Gasvakuolen - oft N 2 -Fixierung; bei fädigen Typen durch spezielle Zellen, den dickwandigen Hererocysten (enthalten Nitrogenase; keine photosynth. O 2 -Produktion in diesen Zellen) - durch Phosphateinträge in Gewässer ( Eutrophierung) oft Massenentwicklung dieser Bakterien an der Oberfläche von Gewässern (N-Mangel kann durch N Fix. ausgeglichen werden) - z. T. symbiontisches Vorkommen mit Pilzen als Flechten - Beispiele: Anabaena, Nostoc, Chlorococcus 2-2

3 Anoxyphotobacteria - auch diese Bakterien betreiben Photosynthese, aber eine anaerobe Photosynthese (d. h. eine typ. bakterielle Photosynthese, die sich von der pflanzlichen oder der der Oxyphotobacteria unterscheidet). - als Pigmente kommen Bacteriochlorophylle vor, die andere Lichtanteile absorbieren als Chlorophyll (Anoxyphotobakt. Leben auch in tieferen Schichten, wo anaerobe Verhältnisse und gerade noch Licht) Erscheinungsbild der Biomasse: rot-braun-oliv (selten grün) - verschiedene Zellformen (Stäbchen, Kokken, Spirillen, sprossende Formen); oft begeißelt - Vorkommen in Süß- und Meerwasser (anaerobe Bereiche) - z. T. N 2 -Fixierung, z. T. Massenentwicklung (rote Platten über Schlammschichten der Gewässer) - phylogenetisch sehr verschiedene Linien unterscheidbar (obwohl physiolog. ähnl. Eigenschaften): 1. Gruppe: Grüne Schwefelbakterien (eigenes Phylum Chlorobi) (früher: Chlorobiaceae, Chlorobacteriaceen); oliv bis grün, S als Zwischenprodukt der anaeroben Photosynthese abgelagert; i. d. R. extern, d. h. außerhalb der Zellen Beispiel: Chlorobium 2. Gruppe: Schwefelfreie grüne Bakterien (eigenes Phylum Chloroflexi) grün, i. d. R. als Filamente, oft in heißen Quellen Beispiele: Chloroflexus, Heliothrix (lebt symbiontisch) 3. Gruppe: Schwefelfreie Purpurbakterien (im Phylum Proteobacteria, i. d. R.. innerhalb der Klasse Alphaproteobacteria, früher auch als Athiorhodaceae, oder.. Rhodospirillaceae); rot/braun, keine S-Ablagerung bei H 2 S-Nutzung Beispiele: Rhodospirillum, Rhodobacter, Rhodocyclus (zu Betaproteobacteria), Rhodomicrobium. 4. Gruppe: Schwefelhaltige Purpurbakterien (im Phylum Proteobacteria, innerhalb der. Klasse Gammaproteobacteria, früher auch als Thiorhodaceae oder Chromatiaceae);. rot/braun; S als Zwischenprodukt abgelagert, i. d. R. intern (in den Zellen) Beispiele: Chromatium, Thiospirillum Massenentwicklung in oberer Schicht v. H 2 S-haltigem Tiefenwasser. 5. Gruppe: Heliobakterien (im Phylum Firmicutes, Klasse Clostridia) Beispiel: Heliobacterium (im Gegensatz zu übrigen Anoxyphotobacteria: grampositiv) 3

4 Deinococci-Zweig Deinococcus: strahlungsresistente Zellen (hocheffiziente Rep.-systeme) Thermus: thermophile Bakterien (z. T. techn. Enzymproduzenten) Planctomycetes-Zweig Sprossende Bakterien, ohne Peptidoglykan Gleitende Bakterien besondere Art der Fortbewegung: gleiten auf Oberflächen (ohne Geißeln); Vorkommen in Boden, Dung, auf verrottenden Pflanzen, Rinde, selten auch im Wasser; gehören zu verschiedenen Phyla: 1. Gruppe: Cytophaga/Flavobacterium/Bacteroides-Zweig: Bacteroidetes keine Photosynthese, davon nur bestimmte Gattungen gleitend: Cytophaga: Abbau vieler Stoffe (Zellulose, Lignin, Chitin, Agar) Flexibacter: fischpathogene Bakt. Flavobacterium: gelbe Farbstoffe bildend, kaum gleitend, aber verwandt mit vorherigen Gattungen Bacteroides: nicht gleitend, anaerob (Gärung), Darmbewohner 2. Gruppe: Cyanobacteria (bereits behandelt, s. o.) 3. Gruppe: Vertreter des Phylums Proteobacteria (s. u.) Myxobacterium: bilden als einzige Bakterien Fruchtkörper: 0,1 0,5 mm groß (makroskop. sichtbar, oft lebhaft gefärbt), entstehen durch Zusammenkriechen der Zellen; bilden Ruhezellen: Myxosporen, oft bakteriolytische Wirkung: Überfließen und zersetzen andere Bakterienkolonien Beggiatoa: blaualgenähnliche filamentöse Formen (aber ohne Photosynthese), keine Fruchtkörper 4

5 Spirochaetes-Zweig schraubige, flexible und stark bewegliche Bakterien mit periplasmatischen Geißeln (Endogeißeln, die unterhalb der äußeren Hüllmembran verlaufen); dadurch korkenzieherartige Bewegungen in hoch viskösen Medien (Serum) und auf Oberflächen möglich; sehr geringe Durchmesser dadurch schlecht sichtbar im Hellfeld-Mikroskop, saprophyt. od. parasit. Lebensweise. Die Gesamtheit aller periplasmat. Geißeln wird Achsialfilament (od. Axostyle). benannt. Beispiele: Chlamydiae-Zweig Spirochaeta plicatilis: Sedimente u. Gewässer (saprophyt.) Treponema pallidum: Syphilis (parasit.) Borrelia recurrentis: Rückfallfieber (Vektoren: Läuse) Borrelia burgdorferi: Lyme-Krankheit (Vektoren: Zecken) Leptospira interrogans: Leptospirosen der Haustiere, z. T. Übertragung auf Mensch (Badeanstalten mit wenig Chlor i. Wasser); Fieber, Nieren- und Leberentzündungen (z. T. latent mehrere Monate) obligate intrazelluläre Parasiten, kein Peptidoglykan, keine Cytochrome u. Atmungskettenenzyme, eigener Baustoffwechsel aber ATP-Schmarotzer, sehr kleines Genom (1/5 bis 1/8 v. E. coli), versch. menschl. u. tier. Erkrankungen. Beispiel: Chlamydia trachomatis: Trachom Chlamydia psittaci: Papageienkrankheit Eine ähnliche Lebensweise wie Chlamydien (als obligate intrazelluläre Parasiten) haben Rickettsien; letztere sind aber nicht verwandt mit dem Phylum der Chlamydien, sondern gehören zu den Proteobakterien (α, s. u.). Proteobacteria-Zweig große Bakteriengruppe mit ca. 300 Gattungen; gliedern sich in Alpha-, Beta-, Gamma-, Delta- und Epsilon-Subgruppe. 1. Gruppe: Anoxyphotobakterien Innerhalb der Proteobakterien gibt es 2 Gruppierungen von Anoxyphotobakterien, die bereits bei den übrigen Anoxyphotobakterien (s. Seite 3) abgehandelt wurden (α bzw. γ-zweig). Daneben existieren heterotrophe Bakterien, die noch Photosynthesepigmente (z.t. ohne Funktion) besitzen, z.b. Roseobacter (α). 5

6 2. Gruppe: Scheidenumhüllte Bakterien (sheated bacteria) bilden lange Scheiden, in denen die stäbchenförmigen Bakterien wie in einer Röhre leben, Scheiden können bei Wachstum sehr lang werden (bis cm-bereich) und bilden fellartige Beläge in Abwasser in Röhren und Gräben (bes. bei Nährstoffüberschuss), z. T. Schäden in der Wasserwirtschaft (Verstopfungen, Aufwuchs auf Wassertieren u. Pflanzen, z. T. sogar Fischaugen; O 2 -Mangel bei Fischeiern verursachend). Beispiel: Sphaerotilus natans (Trivialname: Abwasserpilz ), β 3. Gruppe: Sprossende Bakterien/Bakterien mit Anhängern (prosthekate Bakterien) Hyphomicrobium: sprossend, Tochterzellen an lebenden Stielchen bilden z. T. Häutchen auf Wasserbädern, α Caulobacter: bohnenförmige Zellen mit Stielen, die sich am Ende mit Anheftungsstellen an feste Oberflächen anlegen können, α Gallionella: stäbchen- bis bohnenförmige Zellen bilden an Breitseite Exkretstiele (kein lebendes Material), nicht festsitzend, Stiele aus Schleimfibrillen und Eiseninkrustierungen, β 4. Gruppe: Spirillen/gebogene Stäbchen schraubenförmige unflexible Zellen mit starrer Zellwand, z. T. lophotrich begeißelt; z. T. microaerophil Beispiele: Azospirillum: spiralförmig., N 2 -Fixierer(bei Graswurzeln u. a.), α Spirillum: spiralf., saprophyt, ß Aquaspirillum: spiralf., saprophyt., in Wasser, ß Bdellovibrio: kleine gebogene Stäbchen, parasitieren an anderen gramnegativen Bakterien, ganze Zelle dringt in Periplasma v. Wirtsbakterien ein und löst Wirtsbakterienzellen auf (Plaque- Bildung wie bei Phagen), δ Campylobacter: gebogen, parasit.; Durchfälle bei Mensch und Tieren, Abort bei Schafen und Rindern, Übertragung z. B. durch nichtpasteurisierte Milch, ε 5. Gruppe: Aerobe Stäbchen und Kokken Rhizobium: symbiontische N2-Fixierer, Knöllchenbakterien der Leguminosen, zu Rhizobakterien, α 6

7 Agrobacterium: Erreger des Pflanzenkrebses, besitzt das T i -Plasmid Acetobacter: Gluconobacter: Brucella: (T i = Tumoren induzierend), α Brucellosen der Haustiere; seuchenhaftes Verwerfen, α Neisseria gonorrhoeae: Erreger des Trippers, β Pseudomonas: Xanthomonas: Azotobacter: Methylococcus: Essigsäurebakterien: Ethanol Essigsäure CO 2 + H 2 O, α monopolar begeißelte Stäbchen, Abbau vieler Stoffe (Cellulose, Lignin, Kohlenwasserstoffe; Aromaten, Detergentien, Herbizide u. a. Umweltchemikalien, bilden z. T. grün fluoreszierende Farbstoffe wie Fluorescein (= Pyoverdin), oder blaue nichtfluoresz. Farbstoffe wie Pyocyanin, selten pflanzenpathogen, γ gelbe Pigmente, generell pflanzenpathogen, γ freilebende N2-Fixierer, Ca ++ -Bedarf, können dickwandige Zysten bilden, γ methylotrophe Bakterien (Methan/Methanol-Ox.), γ 6. Gruppe: fakultativ anaerobe Stäbchen (γ) Gärung unter Luftabschluss (versch. Formen v. Gärungen), oft im Darm (= Enteron) vorkommend, daher als Enterobacteriaceae bezeichnet. Escherichia coli: Modellobjekt der Mikrobiologie, einer der am besten untersuchten Organismen der Welt, Fäkalanzeiger im Trinkwasser, selten pathogen: bestimmte Stämme verursachen Durchfälle bei Kindern oder Reise-Diarrhoe Shigella: Ruhr-Erreger Salmonella: Erreger v. Typhus (Mensch), Paratyphus (bes. Tiere) oder Enteritis (daher: TPE-Erreger) Salmonella typhi Salmonella paratyphi Salmonella typhimurium Salmonella enteritidis sowie weitere Sarovare wichtige Keime für Hygienekontrollen, Verbreitung über verschmutztes Wasser oder Lebensmittel Serratia marcescens: bildet rotes zellgebundenes Pigment: Prodigiosin Yersinia pestis: Pesterreger, Übertragung z. T. durch Flöhe Beulenpest: Ratten Mensch (Rattenflöhe) Lungenpest: Mensch Mensch (Tröpfcheninfektion) 7

8 Proteus: typ. saprophyt. Bakterien, H 2 S-Produzent 7. Gruppe: Vibrionen und Verwandte (γ) Vibrio cholerae: Cholera-Erreger Photobacterium: sendet Licht aus, marine Biotope 8. Gruppe: Chemolithotrophe Bakterien Nutzung von anorganischen H-Donatoren Beispiele: Nitrosomonas: NH 4 NO - 2, β Nitrobacter: NO NO 3, α Thiobacillus: H 2 S/S SO 2-4, z. T. acidophil techn. Nutzung zur Laugung v. Armerzen ( Leaching ), β 9. Gruppe: Sulfat- und Schwefelreduzierer (Desulfurikanten) Anaerobe Atmung mit Sulfat oder Schwefel als e-akzeptor, obligate Anaerobier (Sedimente v. Gewässern) Beispiel: Desulfovibrio: SO 2-4 H 2 S (NAD-Regeneration), δ H 2 S reagiert mit Metallen unter Sulfidbildung (schwarze Färbung v. Sedimenten) Firmicutes-Zweig (erste Hauptgruppe der grampositiven Bakterien) (Firmicutes; lat. firmus = fest, stark; bezogen auf Murein) 1. Gruppe: Endosporen bildende Stäbchen und Kokken Bacillus : ovale oder runde Sporen, aerob oder fak. anaerob B. subtilis: Heubazillus B. anthracis : Milzbranderreger B. cereus: Lebensmittel-Kontaminante B. thuringensis: insektenpathogen Paenibacillus: ovale Sporen, aerob oder fak. anaerob P. polymyxa: Saprophyt auf Pflanzenmaterial, N2-Fixierung, Antibiotikabildner P. larvae: insektenpathogen Geobacillus: ovale Sporen, aerob, thermophil, z.t. Alkanabbau Clostridium: anaerob 8

9 C. botulinum: Lebensmittel-Vergifter (Botulismus), bildet das hochtoxische Botulinus-Toxin; 1 mg ist letale Dosis für Menschen oder 20 Millionen Mäuse C. tetani: Tetanus-Errger (Wundstarrkrampf) 2.Gruppe: Asporogene Kokken Staphylococcus aureus: oft als Eitererreger, gelblich, Kokken in unregelmäß. Aggreg. Streptococcus pyogenes: oft Eitererreger, weißlich, bildet hydrolyt. Enzyme u. Toxine; zu humanpathogenen Streptokokken. Kokken in Ketten angeordnet Streptococcus mutans: Erreger der Karies; zu oralen Streptococcen Lactococcus lactis: Milchsäure-Bakterium; wichtig als Starterkultur der Herstellung von Milchprodukten (Sauerrahm-Butter); zu Milch-Streptococcen Leuconostoc mesenteroides: Milchsäure-Bakterien, ebenfalls in Milchindustrie Verwendet 3. Gruppe: Asporogene Stäbchen Lactobacillus plantarum: Sauerteig, Silage, Sauerkraut, andere Arten: Milchsäuerung (z. T. als Starter) Listeria: z. T. pathogene Arten Listeriose, versch. Krankheitsbilder, bes. bei geschwächten Personen: Grippe, hohes Fieber, Gehirnhautentzündung, Hautveränderungen, Fehl- und Frühgeburten 4. Gruppe: Mycoplasmen (Mollicutes) keine echte Zellwand, nur CM (daher resistent gegen Penicillin), stark pleomorph, erscheint in Gram-Färbung gramnegativ, nach rrna-daten aber verwandt mit Clostridien, sehr kleine Zellen (0,2 µm) und kleines Genom, auf künstl. Medien; spiegeleiartige Kolonien (Mitte erhaben), z. T. Steroidbedarf, saprophyt. oder parasit. Lebensweise. Beispiel: Mycoplasma pneumoniae: grippeähnl. Infekt/atyp. Pneumonie 9

10 Actinobacteria-Zweig (zweite Hauptgruppe der grampositiven Bakterien) meist unregelmäßige Stäbchen, z. T. auch Filamente und Myzelien bildend Micrococcus: grampositive Kokken mit Sonderstellung (nicht verwandt mit 2. Gruppe der Firmicutes), saprophytisch Actinomyces: bilden z.t. verzweigte Filamente, später fragmentierend zu unregelmäßigen, z.t. keulenförmigen Stäbchen; fakultativ anaerob; z.t. pathogen Clavibacter: gerade bis unregelmäßige Stäbchen; aerob; pflanzenpathogen Corynebacterium: unregelmäß. Stäbchen, z.t. keulenförmig,. C. diphtheriae (Diphtherie) Mycobacterium: schlanke gerade Stäbchen, M. tuberculosis, M. bovis (Tuberkulose) Nocardia: lange verzweigte Fäden, die wieder in Einzelzellen zerfallen können, Streptomyces: Mycelien bildend (Substratmycel + Luftmyzel), typ. Bodengeruch von Kulturen (Geosmin), Bildung vieler Antibiotika. 10