Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen

Bakterien – Biologie

Sicherlich weißt du, dass es überall Bakterien gibt. Vielleicht hast du auch bereits unter dem Mikroskop einige beobachten können. Aber weißt du auch, wie sie sich vermehren? Und warum können sich Bakterien so schnell vermehren? Hier erhältst du alle Informationen.

Wie vermehren sich Bakterien?

Bakterien vermehren sich durch Zellteilung. Dabei handelt es sich um eine ungeschlechtliche Vermehrung. Ein Bakterium verdoppelt zuerst seine DNA, anschließend teilt es sich in zwei gleiche vollständige Bakterienzellen. Der Vorgang wird von jeder entstandenen Zelle wiederholt. Diese Teilung durch Verdoppelung führt dazu, dass sich Bakterien schnell vermehren können, und wird als exponentielles Wachstum bezeichnet.

Wie sieht eine Wachstumskurve aus?

Die Vermehrung von Bakterien kann sehr gut an einer Wachstumskurve beschrieben werden. Diese zeigt die Bakterienvermehrung in einer Kurve in Abhängigkeit von der Zeit. In einem Zeitverlauf zum Beispiel über 24 Stunden sieht man also, wie viele Bakterien zu jedem Zeitpunkt da sind.
Wir unterteilen in einzelne Wachstumsphasen. Es wird zwischen der Anlaufphase, der exponentiellen Phase, der stationären Phase und der Absterbephase unterschieden.

Wachstumsphasen von Bakterien

Im Folgenden werden wir dir die unterschiedlichen Phasen der Bakterienvermehrung erklären. Die Bakterienvermehrung findet dabei auf einem Nährmedium statt, auf dem die Bakterien alle Bedingungen und Nahrung finden, die sie zum Leben brauchen. Dabei gehen wir zur Vereinfachung davon aus, dass unser Bakterium unter optimalen Bedingungen eine Stunde braucht, um sich zu teilen. Diese Zeit ist von Bakterium zu Bakterium unterschiedlich und kann auch deutlich kürzer sein.

Die Anlaufphase

Wird eine keimfreie Flüssigkeit bzw. ein Nährmedium mit Bakterien versehen, müssen diese sich zunächst an die Umgebung gewöhnen. Es gelten daher noch keine optimalen Bedingungen für die Bakterienvermehrung. Dies ist die Anlaufphase, die Zellteilung verläuft schleppend.
Geben wir also beispielsweise zwei unserer Bakterien in ein frisches Nährmedium, brauchen sie zunächst noch länger als eine Stunde für die Zellteilung: Nach zwei Stunden befinden sich vier Bakterien in der Lösung.

Die exponentielle Phase

Sind die Wachstumsbedingungen in dem Nährmedium optimal bzw. haben sich die Bakterien an das Medium gewöhnt, beginnt die kontinuierliche Zellteilung. Dabei verdoppelt sich jede Bakterienzelle, die exponentielle Phase beginnt. Nach 24 weiteren Stunden sind durch das exponentielle Wachstum 67 Millionen Bakterien in der Lösung. Die Zellteilung erfolgt sehr rasch. Wie viele Bakterien pro Zeiteinheit entstehen, die Geschwindigkeit der Bakterienvermehrung, hängt in der Regel von den Wachstumsbedingungen und den Bakterien selbst ab.

Die stationäre Phase

Weil immer mehr Bakterien auf dem Nährmedium leben, sind die Nährstoffe irgendwann aufgebraucht und Giftstoffe reichern sich an. Der Schwellenwert zur stationären Phase ist erreicht. Dabei sterben gleich viele Bakterien (Absterberate), wie gebildet werden (Wachstumsrate). Die Anzahl von 67 Millionen lebenden Bakterien bleibt konstant.

Die Absterbephase

Nach circa 50 Stunden tritt in unserem Beispiel die Absterbephase ein: Die Bakterien sterben aufgrund des anhaltenden Nährstoffmangels schneller und stetig ab. Die Bakterienanzahl verringert sich auf 12 Millionen lebende Bakterien nach 54 Stunden.

Bakterienvermehrung Graph

Für die grafische Darstellung der Wachstumskurve wird die Anzahl der Bakterien gegen die Zeit aufgetragen. Daraus ergibt sich ein Diagramm der Bakterienvermehrung, wie du es in der Illustration sehen kannst.

Bakterienkultur und Bedingungen

Bakterien können im Labor gezielt gezüchtet werden. Wie bereits erwähnt wird hierfür ein Nährmedium in Form von Anzuchtplatten oder Flüssigkulturen verwendet. Die Bakterien wachsen sehr rasch und die daraus entstehenden Kolonien (eine große Anzahl von Bakterien) können manchmal mit bloßem Auge als Punkte erkannt werden. In Flüssigkulturen wird das Wachstum durch Trübung der Flüssigkeit erkennbar. Wie lange Bakterien brauchen, um sich zu vermehren, hängt von vielen Faktoren ab, zum Beispiel den Bedingungen, die das Nährmedium bietet. Bedingungen für das Bakterienwachstum sind zum Beispiel ausreichend Vielfachzucker, verschiedene Aminosäuren und weitere Stoffe als Nahrung. Außerdem müssen pH-Wert und die Konzentration von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff für die Bakterien geeignet sein. Ebenso sollte die Temperatur stimmen. Die meisten Bakterien wachsen bei Temperaturen zwischen $25°C$ und $35°C$. Wenn es zu kalt ist, werden sie träge.

Wie schützen sich Bakterien bei schlechten Bedingungen?

Sind die Bedingungen nicht optimal, zum Beispiel weil keine Nahrung vorhanden ist, bilden Bakterien Sporen. Diese sind kleiner und besitzen eine festere Hülle als „normale“ Bakterien. Diese Sporenbildung wird als Sporulation bezeichnet und dient als Überdauerungsform zum Überleben.

Wie läuft die Sporulation ab?

Bei der Sporulation teilt sich ein Bakterium in zwei ungleiche Zellen, die Sporenmutterzelle und die Vorspore. Die Sporenmutterzelle umhüllt die Vorspore und entzieht ihr Wasser. Die Vorspore bildet eine dickere Zellwand. Die Sporenmutterzelle löst sich auf und die Vorspore verbleibt in ihrer Überdauerungsform. Bei günstigen Bedingungen teilt sich die Vorspore in zwei Bakterien.

Was sind die Eigenschaften einer Bakterienspore?

Bakteriensporen haben eine lange Lebensdauer und können durch ihre Hitzebeständigkeit auch kurzzeitig kochendes Wasser überstehen. Eine vollständige Entkeimung mit Sporentod kann nur bei Temperaturen über $130°C$ erfolgen.
Diese Sterilisation ist zum Beispiel bei Lebensmitteln wie Milch sehr wichtig. Frischmilch ist nur pasteurisiert, das heißt, sie wurde erhitzt auf bis zu $90°C$ und ist daher frei von Bakterien. Die Sporen in der Milch wurden jedoch nicht abgetötet. Im Warmen bilden sich aus enthaltenen Sporen Bakterien und die Milch wird sauer.

H-Milch ist ultrahocherhitzt auf $143°C$ und somit bakterien- und sporenfrei. Im Warmen kann sie nur sauer werden, wenn die Milchpackung geöffnet wird.

Zusammenfassung – Bakterien Vermehrung

Bei genügend Nährstoffen vermehren sich Bakterien exponentiell durch Zellteilung. Sie verdoppeln sich stetig. Um ihr Überleben unter schlechten Bedingungen zu sichern, bilden sie Sporen aus. Das wird als Sporulation bezeichnet. Sporen sind hitzeresistent und können mehrere Hundert Jahre überleben. Sie überdauern die Zeit, bis die Umweltbedingungen wieder besser werden und sie sich als Bakterien wieder weiter vermehren können. Besonders wichtig beim Thema Bakterienvermehrung sind die Wachstumsphasen. Die haben wir dir hier noch einmal kurz zusammengefasst:

Du fühlst dich fit mit dem Wissen über Bakterien und ihr Wachstum? Teste dein Wissen mit den Aufgabenblättern und Übungen.