Wachstumskurve einer Batch-Kultur

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Wachstumskurve einer Batch-Kultur

Eine Batch-Kultur ist eine Bakterienkolonie, die in einen abgeschlossenen Reaktionsraum (z.B. im Tank) gegeben wurde und sich dort meist unter idealen Bedingungen vermehrt.

A: Anlaufphase, auch lag-Phase genannt. Hier akklimatisieren sich die Keime zuerst und produzieren Enzyme, die sie zum Abbau der angebotenen Nährstoffe sowie zur Reparatur verletzter Zellen benötigen. Sobald alle benötigten Bausteine synthetisiert wurden, kann die Zelle mit dem Abbau der Nährstoffe und somit auch mit der Vermehrung beginnen.

B: Vermehrungsphase. Hier vermehren sich die Keime exponentiell.


1  2  4  8  16  32 ... 

Jeder Wechsel von 1 auf 2 oder von 2 auf 3 etc entspricht einer Generationszeit. Diese ist DNA- und umweltabhängig. Ab knapp 1 Mio. Mikroorganismen sind die Abbaureaktionen und die Produkte messbar. Die natürliche Grenze beträgt ca. 1 Mrd Keime pro Milliliter.

C: Stagnationsphase. Die Kultur ist sehr alt und nicht mehr leistungsfähig. In diesem Stadium verändert sich zusehends die Zusammensetzung des Mediums: Nährstoffe wurden verbraucht, Stoffwechselprodukte (Antibiotika oder Gifte) werden von den Bakterien ans Medium abgegeben, einige Bakterien sind mittlerweile abgestorben... Es wachsen auch weiterhin neue Bakterien heran, aber einiger werden auch nur länger, weil die Energie für die Zellteilung fehlt. Es sterben aber gleichzeitig genauso viele Bakterien an Alter oder Vergiftung. Die Anzahl bleibt somit mehr oder weniger konstant. Die toten Bakterien dienen den lebenden meist noch als Nahrstoffquelle, doch werden immer wieder neue Mengen von Abfallstoffen abgegeben, die das Medium "umkippen".

D: Absterbephase. In dieser Phase sind alle Nährstoffe verdaut. Die Abfallstoffkonzentration übersteigt die für Bakterien tolerierbare Konzentration. Nach und nach sterben die Bakterien ab. Manche Bakterien können ihr Überleben durch Sporenbildung sichern.

Nährstoffe

Die Mikroorganismen benötigen SCHON P um zu überleben. Also die Elemente Schwefel, Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor und die Salze Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Eisen in verwertbarer Form. Es werden auch Spurenelemente wie Mangan, Molybdän, Zink, Kupfer und Chlor benötigt.
Höher entwickelte Mikroorganismen benötigen auch Wachstumsfaktoren wie Aminosäuren, Vitaminen und Purinen.
Kohlenstoff wird ebenso wie Wasserstoff, meist in Form von organischen Verbindungen, also in Form einer Energiequelle aufgenommen. Sauerstoff bekommen sie über die Luft. Stickstoff kann in Form von Salzen wie NO₂ und NO₃, oder in Form von Aminosäuren aufgenommen werden.
Zur Anzucht von Kulturen können also Nährlösungen eingesetzt werden, die eine Zusammensetzung zum optimalen Wachstum aufweisen.

Temperatur[Bearbeiten]

Kardinaltemperaturen[Bearbeiten]

Ähnlich wie beim pH-Wert, gibts auch bei der Temperatur einen Bereich in dem die Zelle lebensfähig ist. Keine Zelle kann über die gesamte Temperaturskala existieren.
Die Kardinaltemperaturen definieren den "maximal ertragbaren" Temperaturbereich indem ein Bakterium leben kann.

Bei Temperaturen unterhalb des Minimums geliert die Zellmembran. Die Prozesse der Zelle laufen verlangsamt oder gar nicht mehr ab. Die Bakterien fallen ab einer gewissen Temperatur in eine Kältestarre, sterben aber nicht ab. Beim Einfrieren gefriert das Zellwasser und die Stoffwechselprozesse kommen zum Erliegen. Sobald sich die Temperatur erhöht, "erwachen" die Zellen wieder und können sich vermehren.
Das Optimum liegt immer näher am Maximum. Hier laufen alle enzymatischen Prozesse mit optimaler Geschwindigkeit ab.
Bei Temperaturen oberhalb des Maximums denaturieren die Proteine der Membran- die Zellen sterben ab. 

Diese Tatsache ist wichtig. Man kann Keime in Lebensmitteln nur durch hohe Temperaturen beseitigen. Einfrieren oder Kühlen reduziert nur die Wachstumsgeschwindigkeit, die Keime bleiben aber da und können sich beim Erwärmen oder Auftauen wieder vermehren.
Einige Keime wachsen auch bei sehr niedrigen Temperaturen. Man kann die Bakterien in 6 Klassen einteilen:

Wachstumsbereiche[Bearbeiten]

·         schwarz: Psychrophile (z.B. Flavobacterium species) T-Optimum bei 13°C

·         grau: Psychrotrope (z.B. Acinetobacter, pathogener: Listeria Monocytogenes) T-Optimum bei 20°C, er kann aber auch bei 5°C noch wachsen!

·         braun: Mesophile (z.B. E. coli) T-Optimum bei 39°C

·         blau: Thermophile (z.B. Geobacillus stearothermophilus, pathogener: Bacillus Chlostridium) T-Optimum bei 60°C

·         gelb: Hyperthermophile (z.B. Thermococcus celer) T-Optimum bei 88°C

·         grün: Extrem Hyperthermophile (z.B. Pyrodictium brockii) T-Optimum bei 105°C. Das sind die, die in heißen Quellen leben.

·         Dezimale Reduktionszeit

·        

·         Die dezimale Reduktionszeit dient zur Aussage in welchem Maß Mikroorganismen abgetötet bzw. Keimzahlen gesenkt werden. Jeder Mikroorganismus hat seinen eigenen D-Wert. Dieser sog. D-Wert ist also die benötigte Erhitzungsdauer, die bei einer gewissen Temperatur 90% der Mirkoorganismen abtötet.

·         In dem obenen genannten Beispiel wurde eine Lösung auf 65°C erhitzt und jede 40 sec wurden 90% der Mikroorganismen abgetötet. Bei einer Ursprungskeimzahl von 10⁶ Keimen würde eine Erhitzung von 200 sec ausreichen um alle Keime abzutöten.

Wobei:
a = Anfangskeimgehalt
b = Endkeimgehalt
t = Hitzebehandlungszeit in Minuten
T = Temperatur in °C

pH

Auch hier gibts ein Minimum, ein Optimum und ein Maximum. Das MO-Wachstum wird nicht nur durch H⁺, sondern auch durch undissoziierte Säuren gehemmt. Essig- und Milchsäure, schwach dissoziierte, lipophile organische Säuren, können leicht in die Zelle eindringen und dort dissoziieren. Durch die Ansäuerung des Zellinnern werden die Stoffwechselvorgänge gehemmt. Die antimikrobielle Wirkung steigt mit der Kettenlänge der organischen Säuren, jedoch sind Kettenlängen größer C10 kaum noch wasserlöslich. Eine Senkung des pH-Werts steigert den Anteil der undissoziiert vorliegenden organischen Säuren und somit die antimikrobielle Wirkung. Organische Säuren sind am effektivsten bei einem pH-Wert kleiner 5,5.

·         Verderbniserreger haben ein Minimum bei 4.4 - 4,5 und ein Optimum bei 6,0 - 8,0 (z.B. Clostridium botulinum)

·         Essigsäurebakterien haben beispielsweise ein Optimum bei 5,4 - 6,3 und Milchsäurebakterien haben ein Optimum bei 5.5 - 6,0.

·         Das Maximum liegt bei allen bei 8.5 - 9,0

·         Liegt der pH-Wert eines Lebensmittels unterhalb von 4,5 gilt es als "sicheres" Lebensmittel. Es kann zur zum Verderb durch Schimmel kommen, doch pathogene Keime, die man im Gegensatz zu den Schimmeln nicht sieht, sind gehemmt.

Wachstumsbereiche:
Schimmel 1,5 - 9,0
Hefen 2,0 - 8,5
Gram positive 4,0 - 8,5
Gram negative 4,5 - 9,0

Anhand des pH-Wertes eines Lebensmittels kann man abschätzen, welche Mikroorganismen wachsen können.

Hier ein paar Beispiele:

·         Eiweiß 8,5 - 9,5

·         Fleisch 5,5 - 6,0

·         Citrusfrüchte 2,0 - 5,0

·         Milch 6,5 - 7,0

·         Gemüse 5,0 - 7,0

·         Softdrinks 2,5 - 4,0

Redoxpotential

Das Redoxpotential ist ein Maß für die Tendenz Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Es ist von folgenden Faktoren abhängig:
1) Reduzierende Substanzen, wie z.B. Citronensäure
2) Wachstum und Stoffwechsel der Mikroorganismen. Einerseits wäre da der Verbrauch von Sauerstoff durch aerobe Mikroorganismen andererseits die Bildung von Wasserstoff und reduzierenden Gärprodukten durch anaerobe Mikroorganismen.
3) Verpackung, hier fallen nicht nur die Lebensmittel rein, sondern zum Beispiel auch Diethylether der unter Stickstoffatmosphäre in Gebinden verpackt wird, um einer Bildung von explosiven Peroxiden entgegen zu wirken.

Beispiele: 

·         Bei Frischfleisch fällt das Potential nach während der Lagerung von +250 mV auf - 250 mV ab. Hier durch kann es zu Verderb durch anaerobe oder fakultativ anaerobe Mikroorganismen.

·         Beim Käsen fällt das Potential von -20 auf -200 mV

·         Pflanzliche Lebensmittel haben ein Potential von +300 auf +400 mV. Sie werden daher bevorzugt von aeroben Bakterien und Pilzen verdorben

Die unterschiedlichen Redoxpotentiale bzw. der Sauerstoffbedarf kann in mehrere Gruppen unterteilt werden:

Aerobe Bakterien[Bearbeiten]

Diese Mikroorganismen benötigen unbedingt Sauerstoff um zu wachsen und sich zu vermehren, sie atmen. Sie können ganz normal auf Agarplatten angezüchtet werden. Es gibt, wie immer, natürlich auch leichte Abwandlungen oder Ausnahmen.

Mikroaerophil[Bearbeiten]

Diese Mikroorganismen können nicht in direktem Sauerstoffkontakt überleben. Also wachsen sie innerhalb der Agarschicht. Doch sie benötigen minimale Mengen Sauerstoff. Das Loch des Impfkanals lässt nur minimal Sauerstoff in die Agarschicht. Die Kolonie wird sich also eher in der Nähe der oberen Öffnung ansiedeln.

Anaerobe Bakterien[Bearbeiten]

Diese Mikroorganismen können nur unter sauerstofffreien Bedingungen angezüchtet werden. Diese MOs gewinnen ihre Energie durch Gärung. Man verwendet hierfür im Labor einen sog. Anaerobiertopf. Dies ist eigentlich nichts anderes als ein Exikator. Um eine sauerstofffreie Umgebung zu schaffen wird ein sog. Gaspack, das Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid umwandelt, befeuchtet und einfach mit dazugegeben. Nach kurzer Zeit ist der gesamte Sauerstoff umgewandelt. Es gibt aber auch weniger strikt anaerobe Bakterien:

Fakultativ anaerob[Bearbeiten]

Diese Organismen wachsen i.d.R. unter Sauerstoffatmosphäre und betreiben Atmung. Sollte der Sauerstoff jedoch knapp werden können sie ihren Energiebedarf auch über Gärung aufrecht erhalten.

Aerotolerant[Bearbeiten]

Zu diesem Typ gehören zum Beispiel Milchsäurebakterien. Sie benötigen keinen Sauerstoff zum Verstoffwechseln, sie sterben aber auch nicht bei Sauerstoffkontakt. Sie sind tolerant gegen Sauerstoff, böse Zungen würden sagen sie sind ignorant, da sie dem Sauerstoff die kalte Schulter zeigen.

Wasserverfügbarkeit

Wasser ist die Grundsubstanz des Lebens. Es laufen so gut wie alle Stoffwechselprozesse im wässrigen Milieu ab.
Die Wasserverfügbarkeit, meist als a_w-Wert bezeichnet, ist ein Maß für die Wassermenge, die dem Mikroorganismus vom Medium zur Verfügung gestellt wird. Sie wird anhand des Wasserdampfdrucks des Mediums bestimmt. Wasser ist z.B. in Lebensmitteln nicht immer frei verfügbar. Es liegt zum Beispiel mit Zucker gebunden vor (z.B. Marmelade hat eine geringe Wasseraktivität).



Wobei p der Wasserdampfdruck des Lebensmittels und p₀ ist der Wasserdampfdruck von reinem Wasser. Der a_{w<7sub>-Wert von reinem Wasser beträgt also den Maximalwert 1.}

Die Wasserverfügbarkeit kann beeinflusst werden. Es läuft letztendlich auf Wasserentzug heraus. Einfrieren, Trocknen, Räuchern, oder der Zusatz von wasserbindenden Stoffen (z.B. Zucker). Der optimale a_w eines Lebensmittels liegt < 0,98.
Pseudomonas oder Acinetobacter reagieren meist sehr empfindlich auf Wasserentzug.

Die Widerstandfähigkeit sinkt der Reihe nach. Schimmel > Hefen und G+ > G-, der Wasserbedarf steigt der Reihe nach von 10 auf 40%. Der a_w-Wert steigt von 0,75 auf größer 0,90

Diverse Adaptionen können auch in Kategorien eingeteilt werden:

·         Osmotolerante MO halten hohe Konzentrationen nicht ionisierter organischer Substanzen, wie z.B. Zucker aus

·         Halotolerante Bakterien können hohe Salzkonzentrationen aushalten.

·         Xerotolerante Keime wachsen auch in trockenen Lebensmitteln (z.B. Schimmel)