Mikroorganismen und ihre Wirkungen sowie biotechnologische Produkte werden in einfachen und anschaulichen Versuchen sichtbar gemacht. Ein Leitfaden zeigt, welche Experimente für welche Zielgruppe geeignet sind, die jeweiligen theoretischen Grundlagen werden ausführlich dargestellt. Außerdem liefert der Band Anregungen für Exkursionen. Kontrollfragen am Schluss jedes Kapitels dienen der Prüfungsvorbereitung und Nachbereitung. In der Neuauflage sind alle Abbildungen farbig, die Inhalte wurden komplett überarbeitet und erweitert.
Alexander Steinbüchel ist Inhaber des Lehrstuhls für Mikrobiologie an der Universität Münster.
Fred-Bernd Oppermann-Sanio ist Akamdemischer Rat am Institut für Mikrobiologie der Universität Münster
Christian Ewering und Markus Pötter haben am Institut für Mikrobiologie der Universität Münster promiert und sind inzwischen in der freien Wirtschaft tätig.
Aus dem Inhalt:
1 Überblick über die Mikroorganismen 1
1.1 Prokaryonten und Eukaryonten 2
1.1.1 Das taxonomische und phylogenetische System der Mikroorganismen 2
1.1.2 Diversität bezüglich Form und Größe 5
1.1.3 Diversität bezüglich des Stoffwechsels 5
1.2 Wachstums-und Nährstoffansprüche 6
1.3 Die natürlichen Standorte der Mikroorganismen 8
1.4 Stoffkreisläufe und Nahrungsketten 9
1.4.1 Kohlenstoffkreislauf 9
1.4.2 Aerobe und anaerobe Nahrungsketten 9
1.4.3 Stickstoffkreislauf 10
1.4.4 Schwefelkreislauf 12
1.5 Biotechnologie 13
1.6 Kultivierbare und nichtkultivierbare Mikroorganismen 13
1.7 Eingesetzte Mikroorganismen 15
1.7.1 Bezugsquellen für Mikroorganismen 16
Weiterführende Literatur 16
2 Vorschriften und Gesetze im Zusammenhang mit mikrobiologischen Arbeiten 19
2.1 Pathogene Mikroorganismen 20
2.2 Gentechnisch veränderte Mikroorganismen 20
2.3 Mikrobiologische Arbeiten im Produktionsmaßstab 20
2.4 Biostoffverordnung (BioStoffV) 21
2.5 Biologische Arbeitsstoffe und Risikogruppen 21
2.6 Risikobewertung und Einstufung der Arbeiten 23
2.7 Sicherheitsmaßnahmen und räumliche Voraussetzungen 24
3 Versuche 25
3.1 Quantitative Bestimmungen 27
3.1.1 Versuch 1: Bestimmung der Anzahl von Hefezellen in 1 g Bäckerhefe 27
3.1.2 Versuch 2: Keimzahl in Milch und Milchprodukten 31
3.1.3 Versuch 3: Aufnahme einer Wachstumskurve mit Cupriavidus necator 33
3.2 Anreicherung, Isolierung und Charakterisierung von Mikroorganismen 39
3.2.1 Versuch 4: Anreicherung von Luftkeimen 40
3.2.2 Versuch 5: Anreicherung von Leuchtbakterien 43
3.2.3 Versuch 6: Anreicherung von Myxobakterien 47
3.2.4 Versuch 7: Anreicherung und Isolierung Violacein-produzierender Stämme der Gattungen Chromobacterium und Janthinobacterium 50
3.2.5 Versuch 8: Direktisolierung aerober Endosporenbildner (Bacillus megaterium) 53
3.2.6 Versuch 9: Anreicherung und Isolierung saccharolytischer Clostridien 56
3.2.7 Versuch 10: Direktisolierung und taxonomische Bestimmung fluoreszierender
Pseudomonaden 60
3.2.8 Versuch 11: Das Bestimmen coliformer Keime in Wasserproben und die Isolierung sowie taxonomische Bestimmung von Escherichia coli 63
3.2.9 Versuch 12: Direktisolierung von Streptococcus salivarius 68
3.2.10 Versuch 13: Anreicherung und Isolierung von Leuconostoc mesenteroides subsp.
dextranicum 72
3.2.11 Versuch 14: Anreicherung und Isolierung von Propionibacterium sp. 75
3.2.12 Versuch 15: Anreicherung und Isolierung aerober N2-Fixierer [Azotobacter sp.) 78
3.2.13 Versuch 16: Anreicherung und Isolierung anaerober N2-Fixierer
(iClostridium pasteurianum) 81
3.2.14 Versuch 17: Anreicherung von Nitrifizierern 84
3.2.15 Versuch 18: Anreicherung von Denitrifizierern 87
32.16 Versuch 19: Anreicherung und Isolierung von Knallgasbakterien 90
3.2.17 Versuch 20: Winogradsky-Säulen zur Anreicherung anoxygener phototropher Bakterien 94
3.2.18 Versuch 21: Anreicherung und Isolierung von Schwefel-Oxidierern
(farblose Schwefelbakterien) 98
3.2.19 Versuch 22: Anreicherung sulfatreduzierender Bakterien 102
33 Herstellung biotechnisch relevanter Produkte und Lebensmittel mit Mikroorganismen 105
3.3.1 Versuch 23: Herstellung von Ethanol mit Hefe 106
3.3.2 Versuch 24: Herstellung von Glycerol mit Hefe durch Abfangverfahren III
3.3.3 Versuch 25: Herstellung von Citronensäure mit Aspergillus niger 115
33.4 Versuch 26: Herstellung von Dihydroxyaceton mit Essigsäurebakterien 118
3.3.5 Versuch 27: Herstellung des Farbstoffs Indigo mit einem rekombinanten
Stamm von Escherichia coli 120
3.3.6 Versuch 28: Herstellung und Nachweis von Antibiotika 124
3.3.7 Versuch 29: Herstellung von Insektentoxinen mit Bacillus thuringiensis 127
3.3.8 Versuch 30: Herstellung von Xanthan mit Xanthomonas campestris 130
3.3.9 Versuch 31: Herstellung von Dextran mit Leuconostoc mesenteroides subsp.
dextranicum 134
3.3.10 Versuch 32: Herstellung mikrobieller Cellulose mit Essigsäurebakterien 137
3.3.11 Versuch 33: Herstellung von Alginat mit Azotobacter vinelandii 140
3.3.12 Versuch 34: Herstellung von Bioplastik, Poly(3HB), mit Cupriavidus necator 143
3.3.13 Versuch 35: Herstellung eines Elastomers mit Pseudomonas oleovorans 148
3.3.14 Versuch 36: Herstellung von Poly(Y-D-glutamat) mit Bacillus licheniformis 153
3.3.15 Versuch 37: Herstellung und Isolierung von Cyanophycin mit einem
rekombinanten Stamm von Escherichia coli 156
3.3.16 Versuch 38: Herstellung von Sauerkraut 160
3.3.17 Versuch 39: Umwandlung von Wein in Weinessig 164
3.3.18 Versuch 40: Herstellung von Natto 168
3.3.19 Versuch 41: Herstellung von Tempeh 172
3.4 Abbauleistungen von Mikroorganismen 174
3.4.1 Versuch 42: Mikrobieller Abbau von Poly(3-hydroxybutyrat) 175
3.4.2 Versuch 43: Mikrobieller Abbau von Kautschuk 180
3.4.3 Versuch 44: Mikrobieller Abbau von Stärke 184
3.4.4 Versuch 45: Partieller mikrobieller Abbau einer Fotokopie 187
3.4.5 Versuch 46: Mikrobieller Abbau von Kohlenwasserstoffen 190
3.4.6 Versuch 47: Mikrobieller Abbau von Polyethylenglykol 197
3.4.7 Versuch 48: Wirkungsweise und mikrobieller Abbau von Roundup® 201
3.5 Bakteriophagen und Viren 207
3.5.1 Versuch 49: Nachweis von Coli-Phagen im Abwasser 208
3.5.2 Versuch 50: Nachweis des Tabak-Mosaik-Virus (TMV) 212
3.6 Auslösung von Mutationen, Anreicherung von Mutanten und Übertragung von DNA 214
3.6.1 Versuch 51: Genotoxizitätstests mit Salmonella enterica subsp. Enterica und Escherichia coli 215
3.62 Versuch 52: Erweiterung des Spektrums verwertbarer Substrate bei
Cupriavidus necator durch Mutagenese 223
3.6.3 Versuch 53: Poly(3HB)-negative Mutanten von Cupriavidus necator 227
3.6.4 Versuch 54: Transformation von Bacillus subtilis 232
3.6.5 Versuch 55: Transformation von Escherichia coli 236
3.6.6 Versuch 56: Konjugation bei Cupriavidus necator und Escherichia coli 239
3.6.7 Versuch 57: Transposon-induzierte Mutanten von Cupriavidus necator 244
3.6.8 Versuch 58: Elektroporation von Mycobacterium smegmatis 250
Weiterführende Literatur 254
4 Exkursionen und Demonstrationen von Mikroorganismen an natürlichen Standorten, in Umweltproben und in der Industrie 259
4.1 Exkursionen 261
4.1.1 Exkursion 1: Kommunale Abwasserkläranlagen 261
4.1.2 Exkursion 2: Kompostwerke 265
4.1.3 Exkursion 3: Biogasanlagen 271
4.1.4 Exkursion 4: Bierbrauerei und Braustätten 274
4.1.5 Exkursion 5: Weinherstellung in Winzereien 278
4.1.6 Exkursion 6: Silage in der Landwirtschaft 283
4.1.7 Exkursion 7: Mikrobiologie und Biotechnologie im Supermarkt 285
4.1.8 Exkursion 8: Industrielle Herstellung von Nährmedien für die Mikrobiologie 289
42 Demonstrationen 292
4.2.1 Demo 1: Symbiontische N2-fixierende Bakterien und Wurzelknöllchen 292
4.2.2 Demo 2: Rhizobium radiobacter und induzierte Pflanzentumore 296
4.2.3 Demo 3: Clavicepspurpurea und Mutterkorn-Alkaloide aus infiziertem Getreide 301
4.2.4 Demo 4: Flechten: Ektosymbiosen von Pilzen mit Grünalgen oder Cyanobakterien 304
4.2.5 Demo 5: Anaerobe Süßwassersedimente und das Volta-Experiment 307
4.2.6 Demo 6: Farbstreifen-Sandwatt und Nordseeküste 309
Literatur 313
5 Methoden 315
5.1 Kultivierung von Mikroorganismen 317
5.1.1 Methode 1: Herstellen von Nährmedien 317
5.1.2 Methode 2: Sterilisation 318
5.1.3 Methode 3: Herstellen einer Verdünnungsreihe mit Zellsuspensionen 322
5.1.4 Methode 4: Vereinzelung 323
5.1.5 Methode 5: Kultivierung anaerober Mikroorganismen 326
5.1.6 Methode 6: Verwendung einer Gasstation 326
5.1.7 Methode 7: Dichtegradientenzentrifugation 329
5.2 Mikroskopische Methoden 330
5.2.1 Methode 8: Lichtmikroskopie 330
5.2.2 Methode 9: Messokular 332
5.2.3 Methode 10: Zählkammer 332
5.2.4 Methode 11: Tusche-Präparat 333
5.3 Einfache taxonomische Verfahren zur Charakterisierung von Mikroorganismen 333
5.3.1 Methode 12: Bestimmung des Gram-Verhaltens 333
5.3.2 Methode 13: Sporenfärbung 336
5.3.3 Methode 14: Biochemische Charakterisierung von Anreicherungsund
Reinkulturen 336
5.3.4 Methode 15: Färbung von Poly(3HB) mit Sudanschwarz B und Nilrot 340
5.3.5 Methode 16: Färbung von Poly(glucose) mit Lugol'scher Lösung 341
5.4 Molekulargenetische Methoden 341
5.4.1 Methode 17: Isolierung von Plasmid-DNA aus Escherichia coli ("Koch-Methode") 342
5.4.2 Methode 18: Transformation von Escherichia coli 342
5.4.3 Methode 19: Isolierung von Gesamt DNA aus Bacillus subtilis 343
5.4.4 Methode 20: Auslösung von Mutationen 344
5.5 Photometrische Methoden 346
5.5.1 Methode 21: Lambert-Beer'sches Gesetz 346
5.5.2 Methode 22: Messung derTrübung von Zellsuspensionen 346
5.5.3 Methode 23: Proteinbestimmung ganzer Zellen 347
5.5.4 Methode 24: Einfacher und gekoppelter optisch-enzymatischer Test 348
5.6 Quantifizierung von Zellen und Medienbestandteilen 355
5.6.1 Methode 25: Bestimmung der Trockenmasse einer Zellsuspension 355
5.62 Methode 26: Bestimmung des Ammoniumgehalts 355
5.7 Chromatographische und elektrophoretische Methoden 356
5.7.1 Methode 27: Bestimmung des Polyhydroxyalkanoat-Gehalts 356
5.7.2 Methode 28: Trennung und Nachweis von Proteinen und Cyanophycin 357
5.73 Methode 29: Gelpermeationschromatographie (GPC) 358
Weiterführende Literatur 359
6 Chemikalien, Nachweisreagenzien und Medien 361
6.1 Herstellung von Medien, Puffern und Lösungen 362
6.2 Medien- und Chemikalienliste 362
7 Modulare Zusammenstellung von Versuchen für unterschiedliche Zielgruppen 377
Stichwortverzeichnis 383