Angewandte Mikrobiologie (Wahl Mikrobiologie) - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Stoffwechselwege zur Energiegewinnung: Die Glykolyse baut Glukose zu Pyruvat ab, während der Krebs-Zyklus (Citratzyklus) Pyruvat zu CO2 und H2O oxidiert.

• Glykolyse Nettogleichung: \[ C_6H_{12}O_6 + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 P_i \rightarrow 2 C_3H_4O_3 + 2 NADH + 2 H^+ + 2 ATP + H_2O \]
• Krebs-Zyklus Nettogleichung: \[ Acetyl-CoA + 3 NAD^+ + FAD + GDP + P_i + 2 H_2O \rightarrow 2 CO_2 + 3 NADH + FADH_2 + GTP + 2 H^+ + CoA-SH \]
• Die Glykolyse findet im Cytosol statt
• Der Krebs-Zyklus findet in den Mitochondrien statt
• Die Hauptenergiequellen sind ATP aus der Glykolyse und dem Krebs-Zyklus
• NADH und FADH_2 liefern Elektronen für die Atmungskette

a)

Beschreibe den Ort und den Hauptzweck der Glykolyse und des Krebs-Zyklus in der Zelle. Erkläre, wie die Produkte NADH und FADH_2 zur Energieproduktion beitragen.

Lösung:

Ort und Hauptzweck der Glykolyse und des Krebs-Zyklus:

• Glykolyse: Die Glykolyse findet im Cytosol der Zelle statt. Ihr Hauptzweck ist es, Glukose in Pyruvat zu zerlegen und dabei Energie in Form von ATP und NADH zu gewinnen. Die Nettogleichung der Glykolyse lautet: \[ C_6H_{12}O_6 + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 P_i \rightarrow 2 C_3H_4O_3 + 2 NADH + 2 H^+ + 2 ATP + H_2O \]
• Krebs-Zyklus: Der Krebs-Zyklus, auch Citratzyklus genannt, findet in den Mitochondrien statt. Der Hauptzweck dieses Zyklus ist die vollständige Oxidation von Pyruvat (in Form von Acetyl-CoA) zu CO2 und H2O, um dabei reduziert Coenzyme wie NADH und FADH2 sowie GTP zu produzieren. Die Nettogleichung des Krebs-Zyklus lautet: \[ Acetyl-CoA + 3 NAD^+ + FAD + GDP + P_i + 2 H_2O \rightarrow 2 CO_2 + 3 NADH + FADH_2 + GTP + 2 H^+ + CoA-SH \]
• Die Hauptenergiequellen für die Zelle sind das während der Glykolyse und des Krebs-Zyklus produzierte ATP.

Bedeutung von NADH und FADH_2 für die Energieproduktion:

• NADH und FADH2 sind reduzierte Coenzyme, die während der Glykolyse und des Krebs-Zyklus entstehen.
• Diese Moleküle liefern Elektronen an die Atmungskette, die in der inneren Mitochondrienmembran stattfindet.
• In der Atmungskette werden die Elektronen durch eine Serie von Protein-Komplexen übertragen, was zur Bildung eines Protonengradienten führt.
• Dieser Protonengradient treibt die Synthese von ATP durch die ATP-Synthase an, ein Prozess, der als oxidative Phosphorylierung bekannt ist.
• Dadurch tragen NADH und FADH2 wesentlich zur effektiven und großflächigen Energieproduktion in der Zelle bei.

b)

Berechne die Gesamtmenge an ATP, die durch die vollständige Oxidation von einem Molekül Glukose durch Glykolyse, Krebs-Zyklus und die Elektronentransportkette gewonnen wird. Berücksichtige dabei, dass 1 NADH etwa 2,5 ATP und 1 FADH_2 etwa 1,5 ATP liefert.

Lösung:

Berechnung der Gesamtmenge an ATP aus der vollständigen Oxidation von einem Molekül Glukose:

• Glykolyse:
  • Direkt erzeugtes ATP: 2 ATP
  • Produktion von NADH: 2 NADH (pro NADH ca. 2,5 ATP) -> 2 x 2,5 = 5 ATP
  Gesamt: 2 ATP (direkt) + 5 ATP (indirekt) = 7 ATP
• Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA:
  • Produktion von NADH: 2 NADH (pro NADH ca. 2,5 ATP) -> 2 x 2,5 = 5 ATP
  Gesamt: 5 ATP
• Krebs-Zyklus (pro 1 Glukose = 2 Acetyl-CoA-Einheiten):
  • Direkt erzeugtes GTP (wird als ATP betrachtet): 2 ATP
  • Produktion von NADH: 6 NADH (pro NADH ca. 2,5 ATP) -> 6 x 2,5 = 15 ATP
  • Produktion von FADH2: 2 FADH2 (pro FADH2 ca. 1,5 ATP) -> 2 x 1,5 = 3 ATP
  Gesamt: 2 ATP (direkt) + 15 ATP (NADH) + 3 ATP (FADH2) = 20 ATP

Gesamtsumme der ATP:

• Glykolyse: 7 ATP
• Pyruvat zu Acetyl-CoA: 5 ATP
• Krebs-Zyklus: 20 ATP
• Gesamtsumme: 7 + 5 + 20 = 32 ATP

c)

Erkläre, wie die Regulation des Krebs-Zyklus erfolgt und nenne zwei Faktoren, die den Zyklus hemmen oder aktivieren können. Begründe anhand der chemischen Gleichungen, warum diese Regulation notwendig ist.

Lösung:

Regulation des Krebs-Zyklus:

Der Krebs-Zyklus, auch Citratzyklus genannt, wird durch verschiedene Mechanismen reguliert, um den Energiebedarf der Zelle anzupassen. Wichtige regulatorische Schritte im Krebs-Zyklus betreffen hauptsächlich die Enzyme, die für die Kontrolle der Reaktionsgeschwindigkeit verantwortlich sind. Zu den Schlüsselregulatoren gehören:

• Citrat-Synthase: Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt des Zyklus, die Bildung von Citrat aus Acetyl-CoA und Oxalacetat.
• Isocitrat-Dehydrogenase: Katalysiert die Umwandlung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat und ist eine entscheidende Kontrollstelle im Zyklus.
• α-Ketoglutarat-Dehydrogenase: Katalysiert die Umwandlung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA, einen weiteren regulierten Schritt.

Faktoren, die den Krebs-Zyklus hemmen oder aktivieren können:

• ATP und NADH: Hohe Konzentrationen dieser Moleküle wirken als Inhibitoren. Da ATP und NADH Produkte von energieliefernden Prozessen sind, signalisieren sie eine ausreichende Energieversorgung, was eine Hemmung des Krebs-Zyklus zur Folge hat.
  • Begründung: Bei einer hohen Konzentration von ATP und NADH wird die Aktivität von Schlüsselenzymen wie Isocitrat-Dehydrogenase und α-Ketoglutarat-Dehydrogenase gehemmt. Dies verhindert die übermäßige Produktion von ATP, was energetisch ineffizient wäre.
• ADP und NAD⁺: Diese Moleküle wirken als Aktivatoren und signalisieren einen erhöhten Energiebedarf in der Zelle.
  • Begründung: Eine hohe Konzentration von ADP und NAD⁺ aktiviert Schlüsselenzyme wie die Isocitrat-Dehydrogenase. Die Erhöhung der Enzymaktivität führt zu einer Beschleunigung des Krebs-Zyklus, um mehr ATP zu erzeugen und den Energiebedarf zu decken.

Warum ist diese Regulation notwendig?

Die Regulation des Krebs-Zyklus ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Zelle energetisch effizient arbeitet und keine übermäßige Menge an Energie produziert, die nicht benötigt wird. Ohne eine solche Regulation könnte es zu einem Ungleichgewicht im zellulären Energiestatus kommen. Eine Überproduktion von ATP könnte zur Verschwendung von Ressourcen führen, während ein Mangel die zelluläre Funktion beeinträchtigen könnte. Daher stellen die Regulationsmechanismen sicher, dass der Energiebedarf der Zelle optimal gedeckt wird.

Aufgabe 2)

Gärung und anaerobe Atmung sind zwei unterschiedliche Mechanismen, durch die mikrobieller Stoffwechsel ATP in Abwesenheit von Sauerstoff produziert. Während bei der Gärung Kohlenhydrate unvollständig abgebaut und wenig ATP generiert wird, nutzt die anaerobe Atmung anorganische Moleküle als terminale Elektronenakzeptoren und produziert dabei mehr ATP im Vergleich zur Gärung.

a)

a) Erkläre den Unterschied zwischen der Milchsäuregärung und der alkoholischen Gärung. Achte darauf, die Reaktionsgleichungen beider Prozesse anzugeben und zu erläutern, welchen Nutzen diese Gärungen für die jeweiligen Organismen haben.

Lösung:

a) Der Unterschied zwischen der Milchsäuregärung und der alkoholischen Gärung liegt in den Endprodukten und den beteiligten Organismen. Beide Prozesse sind Arten der Gärung, bei denen ATP in Abwesenheit von Sauerstoff produziert wird.

Milchsäuregärung

• Organismen: Wird hauptsächlich von bestimmten Bakterien, wie Laktobazillen, und Muskelzellen von Tieren durchgeführt.
• Reaktionsgleichung: Die chemische Reaktion der Milchsäuregärung lautet:

   C6H12O6 → 2 C3H6O3 + 2 ATP 

  Hierbei wird Glucose in zwei Moleküle Milchsäure (Lactat) und 2 Moleküle ATP umgewandelt.
• Nutzen für die Organismen: Bei Tieren, insbesondere in den Muskelzellen, wird die Milchsäuregärung verwendet, um kurzfristig schnell ATP zu produzieren, wenn nicht genug Sauerstoff vorhanden ist. Bei Bakterien ermöglicht sie das Überleben in sauerstoffarmen Umgebungen und wird zum Beispiel bei der Herstellung von Joghurt und Sauerkraut genutzt.

Alkoholische Gärung

• Organismen: Wird hauptsächlich von Hefen und einigen Arten von Bakterien durchgeführt.
• Reaktionsgleichung: Die chemische Reaktion der alkoholischen Gärung lautet:

   C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP

  Hierbei wird Glucose in zwei Moleküle Ethanol (Alkohol), zwei Moleküle Kohlendioxid und 2 Moleküle ATP umgewandelt.
• Nutzen für die Organismen: Die alkoholische Gärung ermöglicht Hefen Energie in Form von ATP zu gewinnen, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist. Für den Menschen ist diese Gärung wirtschaftlich bedeutend, da sie bei der Herstellung von alkoholischen Getränken wie Bier und Wein sowie bei der Produktion von Brot verwendet wird.

b)

b) Die allgemeine Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung lautet:

\[ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2 \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2 \text{CO}_2 \]

Berechne die Menge an ATP, die durch die alkoholische Gärung von einem Mol Glucose theoretisch gewonnen werden kann, und vergleiche dies mit der ATP-Ausbeute der aeroben Atmung.

Lösung:

b) Um die Menge an ATP zu berechnen, die durch die alkoholische Gärung von einem Mol Glucose gewonnen werden kann, und dies mit der ATP-Ausbeute der aeroben Atmung zu vergleichen, folgen wir den gegebenen Reaktionsgleichungen und den bekannten Prozessen der biochemischen Energiegewinnung.

• Alkoholische Gärung: Die allgemeine Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung lautet: \[ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2 \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2 \text{CO}_2 \] Bei der alkoholischen Gärung wird eine Molekül Glucose (C6H12O6) in zwei Moleküle Ethanol (C2H5OH) und zwei Moleküle Kohlendioxid (CO2) umgewandelt. Bei diesem Prozess werden insgesamt 2 Moleküle ATP produziert:

•  \[ \text{Glucose} \rightarrow 2 \text{Ethanol} + 2 \text{CO}_2 + 2 \text{ATP} \] 

  Daraus ergibt sich, dass bei der alkoholischen Gärung von einem Mol Glucose theoretisch 2 Mol ATP gewonnen werden.

• Aerobe Atmung: Die Gesamtreaktion der aeroben Atmung lautet: \[ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{O}_2 \rightarrow 6 \text{CO}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} + \text{ATP} \] Bei der aeroben Atmung wird ein Molekül Glucose komplett oxidiert, wodurch deutlich mehr ATP gewonnen wird. Typischerweise werden etwa 30-32 Moleküle ATP pro Molekül Glucose produziert.

Vergleich:

• Alkoholische Gärung: 2 Mol ATP pro Mol Glucose
• Aerobe Atmung: 30-32 Mol ATP pro Mol Glucose

Daraus lässt sich schließen, dass die aerobe Atmung eine deutlich höhere ATP-Ausbeute hat als die alkoholische Gärung. Während die alkoholische Gärung nur 2 ATP pro Mol Glucose produziert, kann die aerobe Atmung bis zu 32 ATP pro Mol Glucose liefern. Dies zeigt, warum die aerobe Atmung in Gegenwart von Sauerstoff bevorzugt wird, da sie den Organismen effizienter Energie zur Verfügung stellt.

c)

c) Bei der anaeroben Atmung wird Nitrat zu Nitrit reduziert. Die Reaktionsgleichung lautet:

\[ \text{NO}_3^- + 2 \text{H}^+ + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{NO}_2^- + \text {H}_2 \text{O} \]

Erkläre, warum die anaerobe Atmung effizienter in der ATP-Produktion ist im Vergleich zur Gärung. Diskutiere die Rolle des Elektronentransports und der Chemiosmose in diesem Prozess.

Lösung:

c) Um zu erklären, warum die anaerobe Atmung effizienter in der ATP-Produktion ist im Vergleich zur Gärung, müssen wir uns die Mechanismen des Elektronentransports und der Chemiosmose näher ansehen.

• Elektronentransportkette (ETC): Bei der anaeroben Atmung nutzen Mikroorganismen Elektronentransportketten, ähnlich wie bei der aeroben Atmung. Hier fungieren jedoch anorganische Moleküle wie Nitrat (NO₃^-) als terminale Elektronenakzeptoren. In der angegebenen Reaktionsgleichung wird Nitrat zu Nitrit reduziert: \[ \text{NO}_3^- + 2 \text{H}^+ + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} \] Elektronen werden durch die Elektronentransportkette transportiert, wodurch Energie freigesetzt wird, die genutzt wird, um Protonen (H⁺) über eine Membran zu pumpen und so einen Protonengradienten zu erzeugen.
• Chemiosmose: Der Protonengradient, der durch den Elektronentransport aufgebaut wird, treibt die ATP-Synthese durch Chemiosmose an. Die Protonen fließen zurück durch die ATP-Synthase, ein Enzym, das ADP zu ATP phosphoryliert. Dieser Mechanismus kann viel mehr ATP-Moleküle produzieren als die Substratkettenphosphorylierung, die bei der Gärung stattfindet.
• Gärung: Im Gegensatz zur anaeroben Atmung beinhaltet die Gärung keine Elektronentransportkette oder Chemiosmose. Bei der Gärung werden nur wenige ATP-Moleküle durch Substratkettenphosphorylierung direkt während der Glykolyse produziert. Der Abbau von Glucose ist unvollständig und die Ausbeute an ATP ist daher deutlich geringer.

Warum ist die anaerobe Atmung effizienter?

• Im Vergleich zur Gärung ermöglicht die Nutzung einer Elektronentransportkette in der anaeroben Atmung einen effizienteren Energietransfer, da diese Methode es ermöglicht, mehr ATP durch oxidative Phosphorylierung zu generieren.
• Durch die Reduktion von anorganischen Molekülen (wie Nitrat) können die Elektronentransportketten der anaeroben Atmung ähnliche oder sogar gleiche Moleküle wie die der aeroben Atmung erzeugen, wenn auch mit geringerer Effizienz als bei Verwendung von Sauerstoff.
• Die Chemiosmose erlaubt eine viel höhere ATP-Ausbeute im Vergleich zur Gärung, bei der die ATP-Produktion auf die Glykolyse beschränkt ist und deutlich limitierter ist.

Insgesamt ist die anaerobe Atmung effizienter in der ATP-Produktion im Vergleich zur Gärung, da sie die Elektronentransportkette und die Chemiosmose nutzt, um mehr ATP zu synthetisieren.

d)

d) Nenne drei Beispiele für alternative Elektronenakzeptoren, die während der anaeroben Atmung benutzt werden können. Beschreibe kurz die Art und Weise, wie eines dieser Akzeptoren den Stoffwechselprozess beeinflusst und in welchem Milieu dieser Prozess hauptsächlich stattfindet.

Lösung:

d) Während der anaeroben Atmung können verschiedene alternative Elektronenakzeptoren verwendet werden. Hier sind drei Beispiele für solche Elektronenakzeptoren:

• Nitrat (NO₃^-)
• Sulfat (SO₄^2-)
• Kohlenstoffdioxid (CO₂)

Beispiel: Nitrat (NO₃^-)

• Stoffwechselprozess: Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO₃^-) als terminaler Elektronenakzeptor verwendet und schließlich zu molekularem Stickstoff (N₂) reduziert. Die Reaktionsgleichung lautet: \[ \text{NO}_3^- \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO} \rightarrow \text{N}_2\text{O} \rightarrow \text{N}_2 \] Dabei durchläuft das Nitrat mehrere Reduktionsstufen, und in jedem Schritt wird Energie freigesetzt, die zur Synthese von ATP durch Chemiosmose genutzt wird.
• Einfluss auf den Stoffwechselprozess: Die Verwendung von Nitrat als Elektronenakzeptor ermöglicht es den Mikroorganismen, effizienter ATP zu produzieren, als dies bei der Gärung möglich ist. Dies geschieht durch die Nutzung der Elektronentransportkette und der Chemiosmose, ähnlich wie bei der aeroben Atmung, jedoch mit Nitrat anstelle von Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor.
• Milieu: Die Denitrifikation findet hauptsächlich in anoxischen (sauerstofffreien) Umgebungen statt, wie z.B. in Wasserböden, Sümpfen und im Boden unter wasserstauenden Bedingungen. Solche Milieus sind besonders in landwirtschaftlich genutzten Gebieten häufig anzutreffen, wo hohe Mengen an Nitrat durch Düngemittel eingebracht werden.

Aufgabe 3)

Du bist ein Umweltbiologe und untersuchst die biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel in einem Ökosystem. Deine Aufgabe ist es, die verschiedenen Prozesse zu identifizieren und ihre Relevanz für das Ökosystem zu analysieren. Berücksichtige dabei die mikrobiologischen Interaktionen und die chemischen Umwandlungen in den jeweiligen Kreisläufen.

a)

Kohlenstoffkreislauf: Beschreibe die Rolle der Mikroorganismen bei der CO2-Fixierung, Methanogenese und Methanoxidation im Kohlenstoffkreislauf. Im Kontext der globalen Erwärmung, erläutere, welche dieser Prozesse am kritischsten sind und warum.

Lösung:

• Kohlenstoffkreislauf: Die Rolle der Mikroorganismen bei der CO2-Fixierung, Methanogenese und Methanoxidation im Kohlenstoffkreislauf ist von zentraler Bedeutung.CO2-Fixierung:
  • Mikroorganismen wie Cyanobakterien und bestimmte Archaeen und Bakterien sind in der Lage, CO2 zu fixieren, indem sie es in organische Verbindungen umwandeln.
  • Dieses Verfahren wird hauptsächlich durch den Calvin-Zyklus durchgeführt, in dem Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) verwendet wird, um CO2 zu fixieren und Glukose zu bilden.
  • Diese Mikroorganismen sind grundlegend für die Primärproduktion und damit für die gesamte Nahrungskette.
  Methanogenese:
  • Methanogene Archaeen wandeln organische Stoffe unter anaeroben Bedingungen in Methan (CH4) um.
  • Dieser Prozess findet häufig in Sümpfen, Reisfeldern und im Verdauungstrakt von Wiederkäuern statt, wobei CH4 als Endprodukt entsteht.
  • Methan ist ein potentes Treibhausgas und hat einen erheblichen Einfluss auf die globale Erwärmung.
  Methanoxidation:
  • Methanotrophe Bakterien oxidieren Methan zu CO2, hauptsächlich unter aeroben Bedingungen.
  • Diese Bakterien sind in Böden, Sümpfen und aquatischen Umgebungen zu finden und dienen als wichtige Regulatoren der Methankonzentrationen in der Atmosphäre.
  Kritische Prozesse im Kontext der globalen Erwärmung:
  • Methanogenese: Dieser Prozess ist besonders kritisch, da Methan ein sehr starkes Treibhausgas ist. Es hat ein 25-mal höheres Erderwärmungspotenzial als CO2 über einen Zeitraum von 100 Jahren. Die Freisetzung großer Mengen Methan könnte den Klimawandel erheblich beschleunigen.
  • Methanoxidation: Methanoxidierende Mikroorganismen sind entscheidend, um die Freisetzung von Methan in die Atmosphäre zu verhindern. Ohne diese Mikroben würden die Methankonzentrationen viel schneller ansteigen.

b)

Stickstoffkreislauf: Erläutere die mikrobiellen Prozesse der Stickstofffixierung, Nitrifikation und Denitrifikation. Berechne den Gesamtanteil an Stickstoff, der durch Denitrifikation pro Tag in einem Gewässer eliminiert wird, wenn folgende Daten gegeben sind: Konzentration von NO3- in Wasser: 5 mg/L, Volumen des Gewässers: 1000 m³, tägliche Denitrifikationsrate: 0,1 mg NO3-/L Wasser/Tag.

Lösung:

• Stickstoffkreislauf: Die mikrobiellen Prozesse der Stickstofffixierung, Nitrifikation und Denitrifikation sind entscheidend für den Stickstoffkreislauf.Stickstofffixierung:
  • Biologische Stickstofffixierung wird durch spezialisierte Mikroorganismen wie Rhizobien und Cyanobakterien durchgeführt. Diese Mikroben wandeln gasförmigen Stickstoff (\(N_2\)) aus der Atmosphäre in Ammoniak (\(NH_3\)) um, das dann weiter in biologische Moleküle eingebaut werden kann.
  Nitrifikation:
  • Nitrifikation ist ein zweistufiger Prozess, bei dem Ammoniak (\(NH_3\)) zunächst durch Ammoniak-oxidierende Bakterien (z.B. \(Nitrosomonas\)) in Nitrit (\(NO_2^-\)) und anschließend durch Nitrit-oxidierende Bakterien (z.B. \(Nitrobacter\)) in Nitrat (\(NO_3^-\)) umgewandelt wird.
  Denitrifikation:
  • Denitrifikation ist der Prozess, bei dem Nitrat (\(NO_3^-\)) durch den Einsatz von fakultativ anaeroben Bakterien (z.B. \(Pseudomonas\)) in gasförmige Stickstoffverbindungen wie \(N_2\) oder Distickstoffmonoxid (\(N_2O\)) umgewandelt wird.
  Berechnung des Gesamtanteils an Stickstoff, der durch Denitrifikation pro Tag in einem Gewässer eliminiert wird:Gegebene Daten:
  • Konzentration von \(NO_3^-\) in Wasser: 5 mg/L
  • Volumen des Gewässers: 1000 m³
  • Tägliche Denitrifikationsrate: 0,1 mg \(NO_3^-\) /L Wasser/Tag
  1. Zunächst berechnen wir das Gesamtvolumen des Wassers in Litern:1 m³ = 1000 LVolumen des Gewässers = 1000 m³ × 1000 L/m³ = 1.000.000 L2. Die Gesamtmenge an \(NO_3^-\) im Wasser in mg:
  \(
  • \text{Gesamtmenge NO}_3^- = \text{Konzentration} \times \text{Volumen}\ = 5 mg/L × 1.000.000 L \ = 5.000.000 mg
  3. Die Menge an \(NO_3^-\), die durch Denitrifikation pro Tag eliminiert wird:
  \(
  • \text{Täglich eliminierte NO}_3^- = \text{Denitrifikationsrate} \times \text{Volumen} \ = 0,1 mg/L/Tag × 1.000.000 L \ = 100.000 mg
  Die Berechnung zeigt, dass durch Denitrifikation täglich 100.000 mg (oder 100 g) \(NO_3^-\) im Gewässer eliminiert werden.

c)

Schwefelkreislauf: Skizziere den Prozess der Sulfatreduktion und Schwefeloxidation, indem Du die chemischen Reaktionen beschreibst, die dabei ablaufen. Diskutiere die potenziellen Auswirkungen dieser Prozesse auf die Energiegewinnung und Umweltverschmutzung.

Lösung:

• Schwefelkreislauf: Der Schwefelkreislauf umfasst mehrere wichtige biologische und chemische Prozesse, darunter die Sulfatreduktion und die Schwefeloxidation.Sulfatreduktion:
  • Die Sulfatreduktion wird von anaeroben Bakterien wie den Desulfovibrio-Arten durchgeführt.
  • Diese Bakterien nutzen Sulfat (\(SO_4^{2-}\)) als Elektronenakzeptor und reduzieren es zu Schwefelwasserstoff (\(H_2S\)).
  • Die chemische Reaktion, die bei diesem Prozess stattfindet, lautet: \(SO_4^{2-} + 8H^+ + 8e^- \rightarrow H_2S + 2H_2O\)
  Schwefeloxidation:
  • Schwefeloxidation wird von chemolithotrophen Bakterien wie Thiobacillus und Sulfolobus durchgeführt.
  • Diese Bakterien oxidieren Schwefelwasserstoff (\(H_2S\)) oder elementaren Schwefel (\(S\)) zu Sulfat (\(SO_4^{2-}\)).
  • Die chemischen Reaktionen, die dabei ablaufen, sind:
  • Für Schwefelwasserstoff:\(H_2S + 2O_2 \rightarrow SO_4^{2-} + 2H^+\)
  • Für elementaren Schwefel:\(S + 1.5O_2 + H_2O \rightarrow SO_4^{2-} + 2H^+\)
  Potenzielle Auswirkungen dieser Prozesse auf die Energiegewinnung und Umweltverschmutzung:
  • Energiegewinnung:
    • Sulfatreduzierende Bakterien können in biotechnologischen Anwendungen genutzt werden, um Biogas zu erzeugen, da \(H_2S\) ein Nebenprodukt der anaeroben Fermentation ist.
    • Schwefeloxidierende Bakterien können zur Energiegewinnung durch die Oxidation von Schwefelverbindungen verwendet werden; dies erfolgt in bestimmten Industrieanlagen, zum Beispiel in der Schwefelsäureproduktion.
  • Umweltverschmutzung:
    • \(H_2S\), das durch Sulfatreduktion freigesetzt wird, ist ein toxisches und übelriechendes Gas, das in hohen Konzentrationen gefährlich sein kann.
    • Schwefeloxidation kann sauren Regen verursachen, wenn Schwefelverbindungen in die Atmosphäre gelangen und dort zu Schwefelsäure (\(H_2SO_4\)) oxidieren. Dies führt zu Versauerung von Böden und Gewässern und hat schädliche Auswirkungen auf Ökosysteme und Bauwerke.

d)

Vergleiche und kontrastiere die Bedeutung der biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel für ein aquatisches Ökosystem. Welche mikrobiellen Prozesse sind am essenziellsten für die Aufrechterhaltung eines gesunden aquatischen Milieus und warum?

Lösung:

• Bedeutung der biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel für ein aquatisches Ökosystem:
  • Kohlenstoffkreislauf:
    • Der Kohlenstoffkreislauf ist entscheidend für die Primärproduktion in aquatischen Ökosystemen.
    • Phytoplankton und andere primäre Produzenten fixieren CO₂ durch Photosynthese und produzieren so organische Substanz, die die Basis der Nahrungskette bildet.
    • Abbauprozesse wie Atmung und Fermentation setzen CO₂ und Methan (CH₄) frei, die ebenfalls wichtige Treibhausgase sind.
  • Stickstoffkreislauf:
    • Der Stickstoffkreislauf ist für das Wachstum und die Gesundheit von aquatischen Organismen unerlässlich, da Stickstoff ein wesentlicher Bestandteil von Aminosäuren und Nukleinsäuren ist.
    • Stickstofffixierung durch Bakterien macht atmosphärischen N₂ in Form von Ammonium (NH₄⁺) für Organismen verfügbar.
    • Nitrifikation wandelt Ammonium in Nitrit (NO₂^-) und dann in Nitrat (NO₃^-) um, die von Pflanzen und Algen genutzt werden.
    • Denitrifikation entfernt Nitrat aus dem Wasser, indem es in gasförmigen N₂ umgewandelt wird, was die Eutrophierung und Überdüngung in Gewässern verhindert.
  • Schwefelkreislauf:
    • Der Schwefelkreislauf beeinflusst die chemische Zusammensetzung des Wassers und die Verfügbarkeit von Nährstoffen.
    • Sulfatreduktion verwandelt Sulfat (SO₄^2-) in Schwefelwasserstoff (H₂S), ein giftiges Gas, das in anaeroben Bedingungen vorkommt.
    • Schwefeloxidierende Bakterien oxidieren H₂S zu Sulfat, wodurch die Schwefelverfügbarkeit im Ökosystem reguliert wird.
• Essenzielle mikrobielle Prozesse für die Aufrechterhaltung eines gesunden aquatischen Milieus:
  • Stickstofffixierung:
    • Dieser Prozess ist entscheidend, da er Stickstoff aus der Atmosphäre in eine nutzbare Form für Organismen umwandelt, was das Wachstum von Primärproduzenten unterstützt.
  • Nitrifikation:
    • Nitrifikation ist notwendig, um Ammonium in Nitrat umzuwandeln, wodurch es für eine breitere Palette von Organismen zugänglich wird.
  • Denitrifikation:
    • Denitrifikation hilft, die Nitratkonzentration im Wasser zu regulieren und schützt damit vor Eutrophierung, die zu Sauerstoffmangel führen kann.
  • Photosynthese und Atmung:
    • Diese Prozesse sind grundlegend für den Kohlenstoffkreislauf, indem sie CO₂-Fixierung und Energieproduktion ermöglichen.
  • Sulfatreduktion und Schwefeloxidation:
    • Diese ermöglichen das Recycling von Schwefel und verhindern die Anreicherung von giftigem H₂S in anaeroben Zonen.

Aufgabe 4)

In der angewandten Mikrobiologie spielen die Synthese und Isolierung bioaktiver Substanzen eine wichtige Rolle, insbesondere von Antibiotika durch Mikroorganismen. Diese Metaboliten lassen sich in Primärmetaboliten und Sekundärmetaboliten unterteilen. Primärmetaboliten sind essenziell für das Wachstum von Mikroorganismen, während Sekundärmetaboliten, wie Antibiotika, vor allem in der stationären Phase der Wachstumsphase produziert werden. Die Produktion dieser Substanzen kann durch verschiedene Fermentationsprozesse wie Batch, Fed-Batch und kontinuierliche Kulturen erfolgen. Zur Maximierung der Produktion müssen verschiedene Parameter wie Kulturmedien, pH-Wert, Temperatur und Sauerstoffzufuhr optimiert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Produktion liegt in der Stammverbesserung durch Mutagenese und rekombinante DNA-Techniken. Die Isolierung und Aufreinigung der produzierten Substanzen erfolgt mittels Filtration, Zentrifugation, Extraktion und Chromatographie.

a)

Beschreibe den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärmetaboliten in Mikroorganismen. Welche Bedeutung haben diese beiden Klassen von Metaboliten in der biotechnologischen Produktion von Antibiotika?

Lösung:

Primär- und Sekundärmetaboliten in Mikroorganismen

• Primärmetaboliten: Diese Metaboliten sind essenziell für das Wachstum und die Reproduktion von Mikroorganismen. Sie werden kontinuierlich während der Wachstumsphase produziert und sind direkt an grundlegenden Metabolismusprozessen beteiligt. Beispiele für Primärmetaboliten sind Aminosäuren, Nukleotide und organische Säuren wie Milchsäure.
• Sekundärmetaboliten: Diese Metaboliten sind nicht direkt für das Wachstum oder die Reproduktion erforderlich und werden oft erst in der stationären Phase der Wachstumsphase produziert, wenn die Zellen nicht mehr aktiv wachsen. Sekundärmetaboliten haben oft spezifische ökologische Funktionen und können bioaktive Substanzen wie Antibiotika, Toxine und Pigmente umfassen. Ein Beispiel ist Penicillin, ein populäres Antibiotikum.

Bedeutung in der biotechnologischen Produktion von Antibiotika

• Primärmetaboliten: Während Primärmetaboliten selbst in der Regel keine Antibiotika sind, sind sie wichtig, weil sie als Vorläufermoleküle oder essentielle Zutaten für die Zucht von Mikroorganismen dienen können, die Sekundärmetaboliten produzieren. Eine stabile Versorgung mit Primärmetaboliten sorgt dafür, dass die Mikroorganismen gesund wachsen und in der Lage sind, in die stationäre Phase überzugehen, in der Sekundärmetaboliten hergestellt werden.
• Sekundärmetaboliten: Diese sind von zentraler Bedeutung für die biotechnologische Produktion von Antibiotika. Die Fähigkeit von Mikroorganismen, diese bioaktiven Substanzen zu synthetisieren, wird biotechnologisch genutzt, um Antibiotika in großem Maßstab herzustellen. Durch Optimierung der Produktionsbedingungen und gentechnische Verbesserung der Mikroorganismen kann die Ausbeute an Sekundärmetaboliten, speziell an Antibiotika, erheblich gesteigert werden.

b)

Erkläre die drei Fermentationsprozesse Batch, Fed-Batch und kontinuierliche Kultur. Welche Vor- und Nachteile bieten diese Verfahren insbesondere im Hinblick auf die Produktion von Antibiotika?

Lösung:

Fermentationsprozesse in der biotechnologischen Produktion

• Batch-Fermentation: Bei der Batch-Fermentation wird eine definierte Menge an Nährmedium und Mikroorganismen gleichzeitig zu Beginn des Prozesses in einen Bioreaktor gegeben. Nachdem der Prozess gestartet wurde, werden keine weiteren Nährstoffe hinzugefügt, und die Mikroorganismen durchlaufen die Phasen ihres Wachstums bis zur stationären Phase, in der Sekundärmetaboliten wie Antibiotika produziert werden.
  • Vorteile:
    • Einfache Prozessdurchführung und Kontrolle
    • Geringe Kontaminationsgefahr, da das System nach dem Start geschlossen bleibt
  • Nachteile:
    • Begrenzte Produktionszeit und -kapazität
    • Mögliche Bildung von Hemmstoffen, die das Wachstum der Mikroorganismen beeinträchtigen
• Fed-Batch-Fermentation: Bei der Fed-Batch-Fermentation werden kontinuierlich oder in Intervallen frische Nährstoffe zu einem bestehenden Batch-Prozess hinzugefügt. Dies verlängert die Wachstumsphase und kann die Produktion von Sekundärmetaboliten erhöhen.
  • Vorteile:
    • Erhöhte Kontrolle über das Wachstum und die Produktivität der Mikroorganismen
    • Verlängerte Produktionszeit und höhere Ausbeute
  • Nachteile:
    • Komplexere Steuerung und Überwachung des Prozesses
    • Erhöhte Kontaminationsgefahr durch häufiges Hinzufügen von Nährstoffen
• Kontinuierliche Kultur: Bei der kontinuierlichen Kultur werden Nährstoffe kontinuierlich zugeführt und Kulturflüssigkeit mit Mikroorganismen und Produkten kontinuierlich entnommen. Dadurch wird ein konstanter Zustand der mikrobiellen Kultur aufrechterhalten.
  • Vorteile:
    • Stetige Produktion und gleichbleibende Produktqualität
    • Höhere Produktivität durch kontinuierliche Ernte
  • Nachteile:
    • Hohe Komplexität und technischer Aufwand
    • Hohe Kontaminationsgefahr und ständige Notwendigkeit der Überwachung

Fazit:

• Die Wahl des Fermentationsverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren wie der Art des produzierten Antibiotikums, den Produktionszielen und den verfügbaren Ressourcen ab. Batch-Fermentation ist einfacher und sicherer, jedoch weniger produktiv. Fed-Batch-Fermentation erhöht die Ausbeute und erlaubt eine bessere Kontrolle, während kontinuierliche Kultur die höchste Produktivität bietet, aber komplexe technische Anforderungen stellt.

c)

Diskutiere die Rolle von Stammverbesserung in der Antibiotikaproduktion. Erläutere, wie Mutagenese und rekombinante DNA-Techniken zur Optimierung der daraus resultierenden Produktausbeute beitragen können.

Lösung:

Stammverbesserung in der Antibiotikaproduktion

Die Stammverbesserung ist ein zentraler Ansatz in der biotechnologischen Produktion von Antibiotika. Sie zielt darauf ab, die genetischen Eigenschaften von Mikroorganismen so zu verändern, dass sie höhere Mengen an gewünschten Sekundärmetaboliten, wie Antibiotika, produzieren. Dabei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, von denen die Mutagenese und rekombinante DNA-Techniken besonders hervorzuheben sind.

Mutagenese

• Definition: Mutagenese ist die zufällige oder gezielte Veränderung des Erbguts von Mikroorganismen durch physikalische, chemische oder biologische Mittel.
• Methoden:
  • Physikalische Mutagenese: Anwendung von UV-Strahlung oder Röntgenstrahlen zur Erzeugung von Mutationen.
  • Chemische Mutagenese: Einsatz von chemischen Substanzen wie Ethylmethansulfonat (EMS) oder Nitrosoguanidin zur Induktion von Mutationen.
• Vorteile:
  • Erzeugung einer großen Vielfalt genetischer Varianten, aus denen leistungsfähige Stämme selektiert werden können.
  • Relativ einfache und kostengünstige Methode zur Erhöhung der Produktionsausbeute.
• Nachteile:
  • Oft zufällige und unvorhersehbare Veränderungen, die auch negative Effekte haben können.
  • Erfordert umfangreiche Screening-Prozesse, um leistungsfähige Stämme zu identifizieren.

Rekombinante DNA-Techniken

• Definition: Rekombinante DNA-Techniken umfassen gezielte Veränderungen des Erbguts durch den Einsatz molekularbiologischer Methoden.
• Methoden:
  • Gen-Editing: Einsatz von Technologien wie CRISPR-Cas9 zur gezielten Modifikation spezifischer Gene, die für die Produktion von Antibiotika relevant sind.
  • Gen-Klonierung: Einführen spezifischer Gene in die Mikroorganismen, die die Produktionsausbeute steigern können.
• Vorteile:
  • Gezielt und präzise durchgeführte genetische Veränderungen.
  • Ermöglicht die Einführung von spezifischen, leistungssteigernden Genen aus anderen Organismen.
  • Weniger unvorhersehbare Nebenwirkungen im Vergleich zur Mutagenese.
• Nachteile:
  • Technologisch anspruchsvoller und kostenintensiver.
  • Erfordert spezialisierte Kenntnisse und Ausrüstung.
  • Mögliche regulatorische Hürden bei der Freisetzung und Nutzung gentechnisch veränderter Organismen.

Fazit

Sowohl Mutagenese als auch rekombinante DNA-Techniken bieten effektive Wege zur Verbesserung der mikrobiellen Produktion von Antibiotika. Während die Mutagenese aufgrund ihrer Einfachheit und niedrigen Kosten weit verbreitet ist, bieten rekombinante DNA-Techniken durch ihre Präzision und Zielgerichtetheit erhebliche Vorteile, insbesondere bei der Einführung spezifischer genetischer Veränderungen zur Steigerung der Ausbeute. Die optimale Strategie hängt von den spezifischen Produktionszielen, den verfügbaren Ressourcen und den regulatorischen Anforderungen ab.

d)

Angenommen, Du möchtest in einem Laborexperiment die Produktionsausbeute eines Antibiotikums durch Anpassung des pH-Wertes optimieren. Führe eine logistische Berechnung durch, um den optimalen pH-Wert zu bestimmen. Angenommen, die Wachstumsrate des Mikroorganismus wird durch die Funktion \( r(pH) = -0.5(pH - 7)^2 + 5 \) beschrieben. Bestimme den pH-Wert, bei dem die Wachstumsrate maximiert wird.

Lösung:

Optimierung der Produktionsausbeute eines Antibiotikums durch Anpassung des pH-Wertes

Um den optimalen pH-Wert zu bestimmen, bei dem die Wachstumsrate des Mikroorganismus maximiert wird, müssen wir das Maximum der Funktion

finden.

Schritte zur Bestimmung des optimalen pH-Wertes

1. Analyse der Funktion: Die Funktion \[ r(pH) = -0.5(pH - 7)^2 + 5 \] ist eine nach unten geöffnete Parabel. Diese Parabel erreicht ihr Maximum an ihrem Scheitelpunkt.
2. Bestimmung des Scheitelpunkts: Der Scheitelpunkt einer Parabel in der Form \[ r(pH) = a(pH - h)^2 + k \] liegt bei \( (pH = h, r(pH) = k) \).

   In unserer Funktion entspricht \(h = 7\) und \(k = 5\).

3. Der optimale pH-Wert: Der Scheitelpunkt der Parabel gibt direkt den pH-Wert an, bei dem die Wachstumsrate maximiert wird. Daher ist der optimale pH-Wert \( pH = 7 \)

Zusammenfassung

Die Wachstumsrate des Mikroorganismus wird bei