Bakterielles Wachstum
Als Bakterielles Wachstum bezeichnet man die Vermehrung von Bakterienzellen durch Zellteilung, also die Zunahme der Bakterienanzahl, das Wachstum der Bakterienpopulation. Die Geschwindigkeit des Wachstums ist abhängig von der Anzahl der Teilungen pro Zeiteinheit, der sogenannten Zellteilungsrate.
Phasen des Bakteriellen Wachstums in statischen Kulturen
Laut der Populationsökologie der Bakterien kann das Wachstum in einer statischen Bakterienkultur in vier Phasen eingeteilt werden: Verzögerungsphase (lag); exponentielle Phase (log); stationäre Phase; Absterbephase.
Anlaufphase (lag)
In der Anlaufphase, auch als Latenzphase (oder englisch lag phase) bezeichnet, erfolgt die Analyse der im Nährmedium zur Verfügung stehenden Stoffe durch Rezeptoren in der Zellmembran der Bakterien. In Abhängigkeit hiervon wird die Expression von Genen angeschaltet, die für Enzyme codieren, die den Abbau der im Nährmedium befindlichen Stoffe möglich machen. Dies nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch, die sich je nach Bakterienspezies und Zusammensetzung des Nährmediums unterscheiden kann. Der Stoffwechsel der Nährstoffe bildet die Grundlage für Zellwachstum und -teilung. Weiterhin werden in vielen Fällen durch den Stoffwechsel die Eigenschaften des Kulturmediums für das Zellwachstum und die Zellteilung verbessert, beispielsweise durch Erniedrigung des Redoxpotentials.
Exponentielle Phase (log)
| Anzahl der Teilungen | Anzahl der Bakterien | Zeit |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 2 | 30 min |
| 2 | 4 | 60 min |
| 3 | 8 | 90 min |
| 4 | 16 | 120 min |
| 5 | 32 | 150 min |
| 6 | 64 | 180 min |
| 7 | 128 | 210 min |
| (...) | (...) | (...) |
| 15 | 32.768 | 7,5 h |
| (...) | (...) | (...) |
| 25 | 33.554.432 | 12,5 h |
| (...) | (...) | (...) |
| 35 | 3,43597×1010 | 17,5 h |
| n | 2n | n x 30 min |
Nach Anpassung des Stoffwechsels und unter Umständen auch des Mediums geht die Bakterienkultur in ein exponentielles Wachstum über. Die Generationszeit bleibt hier über mehrere Zellteilungszyklen gleich. Das menschliche Darmbakterium Escherichia coli hat unter Idealbedingungen in Laborkulturen eine Generationszeit von etwa 30 Minuten: Aus dem Beispiel in nebenstehender Tabelle ist ersichtlich, dass die Anzahl der Bakterienzellen (beginnend bei 1) sich alle 30 Minuten verdoppelt.
Stationäre Phase
Nähert sich das System den Kapazitätsgrenzen des zur Verfügung stehenden Raums und der Nährstoffe, nimmt die Anzahl der im Medium befindlichen Bakterienzellen nicht mehr zu. Ein dynamisches Gleichgewicht stellt sich ein, in dem die Zahl der absterbenden und durch Zellteilung hinzukommenden Bakterien sich die Waage halten.
Absterbephase
Wenn die Nährstoffe im Medium praktisch aufgebraucht sind und der Toleranzwert der Populationsdichte der jeweiligen Bakterienspezies erreicht ist, setzt die Absterbephase ein. Die Bakterienzellen verhungern oder sterben an Ausscheidungsprodukten des eigenen Stoffwechsels, die in dieser Phase in hoher Konzentration vorliegen. Weiterhin scheiden Bakterien Toxine aus, wodurch die Konkurrenz um Nährstoffe durch Vertreter der eigenen oder anderer Spezies verringert wird. Die Konzentration auch dieser Giftstoffe steigt mit zunehmender Populationsdichte.
Bakterienkultivierung im Labor
Die Kultivierung von Bakterien findet im Labor für gewöhnlich in flüssigen Nährmedien, wie zum Beispiel LB-Medium, oder auf geleeartigen Nährböden, zum Beispiel auf der Grundlage von Agar-Agar statt. Die oben beschriebene Wachstumskurve kann so nur in Bakterien-Reinkulturen unter Idealbedingen im Labor beobachtet werden. Dazu zählen das Wachstum bei optimaler Temperatur, Nährstoffzusammensetzung des Mediums, Sauerstoffversorgung usw. All diese Faktoren sind speziesabhängig. Diese Bedingungen werden in der Natur nie erreicht.
Grenzen der Kultivierbarkeit im Labor
Nur ein sehr kleiner Bruchteil der Bakterienspezies kann auf diese Weise im Labor kultiviert werden, viele Spezies brauchen deutlich komplexere Lebensbedingungen und außerdem die Interaktion mit einer bis zahlreichen anderen Lebewesen, um überhaupt lebensfähig zu sein.
Unterdrückung des Bakterienwachstums
Um das Bakterienwachstum zu verlangsamen oder zu stoppen, beispielsweise in der Medizin, finden hauptsächlich Antibiotika Anwendung. Häufig unterdrücken sie wichtige Funktionen des bakteriellen Anabolismus. Eukaryoten werden nicht beeinflusst, da ihr Stoffwechsel sich grundlegend von dem der prokaryotischen Bakterien unterscheidet.
Literatur
Madigan, Martinko, Stahl, Clark: Brock Biology of Microorganisms, 2008, Pearson Academic