Viren sind keine Organismen
Unterhalb der Organisationsstufe von Organismen befinden sich die Viren. Ihnen fehlen entscheidende Eigenschaften eines Organismus, vor allem der Stoffwechsel. Sie können nicht selbständig leben, sondern bedürfen lebender Zellen zur Vermehrung. Sie werden meist im Rahmen der Mikrobiologie behandelt, da sie mit Hilfe mikrobiologischer Methoden bearbeitet werden.

Mikrobiologie heute
Die Bedeutung der Mikroorganismen für Natur und Gesellschaft hat massgeblich zur Entwicklung der Mikrobiologie beigetragen. Ihre Rolle in der Medizin, Landwirtschaft und im Gärungsgewerbe führte am Anfang dieses Jahrhunderts zunächst zur Etablierung angewandter Lehrdisziplinen. Erkenntnisse über die Einheit und Mannigfaltigkeit mikrobieller Systeme bestimmten die weitere disziplinäre Entwicklung. Unlösbar damit verbunden ist die methodische Entwicklung, die die Mikroorganismen sichtbar und handhabbar macht und das Studium der ihnen eigenen Leistungen und Gesetzmässigkeiten ermöglicht. Heute steht die Biologie an einem Wendepunkt durch die stürmische Entwicklung der Bio- und Gentechnologie, an deren Begründung die Mikrobiologie masssgebend beteiligt ist. Auch die Schulbiologie muss diese stürmische Entwicklung einbeziehen und die Grundlagen zum Verständnis dieser "neuen Biologie" legen.

2.    BEDEUTUNG DER MIKROORGANISMEN IN NATUR UND GESELLSCHAFT

Wesentliche Beiträge der Mikrobiologie zum Erkenntnisfortschritt der Biowissenschaften finden sich vor allem in der Genetik/Gentechnologie, Biotechnologie, Immunbiologie, Molekularbiologie, aber auch in der Medizin. Die folgenden Ausführungen beziehen sich aber vor allem auf die Bedeutung der Mikrobiologie für Natur und Gesellschaft (vgl. Abb. 1).

Mikroorganismen in der Natur
In den Stoffkreisläufen der Natur spielen die Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Biogeochemische Zyklen wären auch ohne Pflanzen und Tiere denkbar, jedoch nicht ohne Mikroorganismen. Ihnen kommen Schlüsselstellungen bei der Mineralisierung des breiten Spektrums organischer Stoffe zu, die durch Pflanzen und Tiere synthetisiert werden. In den Stoffkreisläufen wirken die Pflanzen als Produzenten, die Tiere und Menschen als Konsumenten, die Mikroorganismen als Destruenten (Zersetzer). Im Stickstoffkreislauf führen die Bakterien neben Abbauleistungen eine entscheidende Assimilationsfunktion aus, die der Luftstickstoffbindung.

Mikroorganismen im Industriemüll
Durch die industrielle Produktion werden eine grosse Zahl von organischen Stoffen synthetisiert, die in der Natur nicht vorkommen. Diese Fremdstoffe (Xenobiotika) gelangen als Produkte und Abfälle in die Umwelt und führen zu Umweltbelastungen. Mikroorganismen können eine beachtliche Zahl dieser Fremdstoffe teilweise oder vollständig abbauen und tragen damit massgeblich zum Umweltschutz bei. Vor allem die Fremdstoffe, deren Struktur Naturstoffen ähnlich ist, können metabolisiert werden. Sehr davon abweichende Strukturen werden nicht oder nur sehr langsam metabolisiert, sie sind

widerstandsfähig (persistent). Dazu gehören polychlorierte aromatische Kohlenwasserstoffe, halogenierte Alkane und polymere Kunststoffe. Für die Realisierung der Potenzen zum Fremdstoffabbau sind bestimmte Umweltbedingungen erforderlich. Die meisten Abbauprozesse sind Oxidationsreaktionen, sie erfordern Sauerstoff. Aber einige Dehalogenierungen erfolgen nur unter anaeroben Bedingungen. Die Konzentration der Fremdstoffe darf nicht zu niedrig sein, da vielfach die zum Abbau befähigten Arten selektiert werden müssen. Für den Umweltschutz ist die genaue Kenntnis der Möglichkeiten und Grenzen mikrobieller Abbauleistungen notwendig.

Mikroorganismen sind Nützlinge
Mikroorganismen werden zunehmend für die Belange der menschlichen Gesellschaft eingesetzt. Ihr Nutzen überwiegt bei weitem den Schaden, den sie als Krankheitserreger sowie durch Nahrungsmittelverderb und Korrosionen hervorrufen. Das in der Öffentlichkeit und an Schulen noch vorherrschende Bild von Mikroorganismen als Schädlingen, als Feinden des Menschen, ist falsch, es ist historisch bedingt. Neben ihrer Rolle in der Natur werden sie in zunehmendem Masse als Produktionskräfte eingesetzt. Wir erleben gerade in unserer Zeit, wie zu den Nutzpflanzen und Tieren die Nutzmikroben kommen, die durch die Möglichkeiten der klassischen Biotechnik (Mutationen, klassische Zuchtverfahren), vor allem aber durch die Gentechnik in kurzer Zeit zu Hochleistungsstämmen herangezüchtet werden. Das Nützlings-Schädlings-Denken ist insgesamt fragwürdig und muss durch eine komplexere und ökologische Betrachtungsweise ersetzt werden. Die gleichen Abbauleistungen, die im Haushalt zum Lebensmittelverderb führen, sind für den Haushalt der Natur unentbehrlich. Thiobacillen, die Korrosionsschäden verursachen, werden für die Metallaugung genutzt und für die Kohleentschwefelung erprobt. Selbst Stoffwechselprodukte von Krankheitserregern, z. B. das Toxin der Diphtheriebakterien, sind für die Entwicklung von Tumortherapeutika in Verbindung mit monoklonalen Antikörpern von Interesse.

In den folgenden Ausführungen werden wichtige Beispiele für die gesellschaftliche Nutzung mikrobieller Aktivitäten angeführt. Eine Übersicht dazu enthält Tabelle 1.

Tab. 1: Gesellschaftliche Nutzung mikrobieller Aktivitäten (Auswahl).

Mikroorganismen in der Ernährung
Für die Ernährung der Menschen spielen Mikroorganismen eine mittel- und unmittelbare Rolle. Mittelbar werden sie in der Pflanzenproduktion durch die Steigerung der Bodenfruchtbarkeit wirksam, z. B. durch die Mineralisierung der organischen Substanzen, die Boden- und Humusbildung und die Luftstickstoffbindung. Zur Bekämpfung von Pflanzenschädlingen werden in zunehmendem Masse mikrobielle Schädlingsbekämpfungsmittel eingesetzt, z. B. als Insektizide (Bacillus thuringiensis- und Virus-Präparate), Fungizide und Herbizide. In der Tierproduktion kommen mikrobielle Produkte als Futterzusätze zur Anwendung, z. B. Aminosäuren (Lysin) und Einzellerproteine (Futterhefe). Für die effektivere Futterverwertung wurden spezielle nutritive Antibiotika entwickelt. In der Silofutterherstellung strebt man den Einsatz von Leistungsstämmen an. Schliesslich geht die Verwertung der Cellulose durch Wiederkäuer auf die Mikrobenflora des Pansens zurück. In der Lebensmittel- und Getränkeherstellung für den Menschen werden neben den weiter entwickelten traditionellen, mit Mikrobenzellen durchgeführten Prozessen, wie der Herstellung von Backwaren (Bäckerhefe), alkoholischen Getränken (Bier, Wein, Alkoholika) sowie Käse- und Sauermilcherzeugnissen, mikrobielle Enzyme eingeführt. Amylasen werden zur Stärkehydrolyse in der Brauereiindustrie, beim Backprozess, und zur Glucosegewinnung eingesetzt. Mittels Glucoseisomerase wird Glucose in die süssere Fructose umgewandelt. Nachdem man zunächst mikrobielle Proteasen bei der Käseherstellung einsetzte, erlaubt die Gentechnik jetzt die Herstellung eines Labenzyms, dessen Aminosäurezusammensetzung dem Enzym aus dem Kälbermagen identisch ist. Die mikrobielle Aminosäureproduktion ermöglicht die Bereitstellung von essentiellen L-Aminosäuren. Glutaminsäure und 5'-Nucleotide wie Inosin werden als Aromastoffe eingesetzt. Mikrobiell gewonnene Zitronensäure ist ein wesentlicher Bestandteil nichtalkoholischer Getränke.

Mikroorganismen und Gesundheit
Im Gesundheitswesen hat sich durch die Erkenntnisse der Mikrobiologie ein tiefgreifender Fortschritt vollzogen, der weiter anhält. Am Anfang dieses Jahrhunderts waren es die Massnahmen der Hygiene und die Gewinnung von Impfstoffen mit Hilfe der tierischen Antikörpersynthese, die den ersten Wandel bewirkten. Mit der Entwicklung der Antibiotika wurde eine neue Ära eingeleitet, die zu einem breiten Spektrum hochwirksamer Pharmaka zur Bekämpfung von Infektionserkrankungen geführt hat. Durch den Einsatz werden aber Mikrobenstämme selektiert, die gegen bestimmte Antibiotika resistent werden. Die Antibiotikaforschung steht daher immer wieder erneut vor der Aufgabe, neue und strukturell abgewandelte Wirkstoffe zu entwickeln, gegen die keine Resistenz besteht. Ungelöste Probleme gibt es bei der Therapie von Virus- und Krebserkrankungen. Mit der Gentechnik werden Möglichkeiten geschaffen, Abwehrstoffe des menschlichen Körpers, die als Immunstimulatoren wirken (z. B. Interferone, Interleukine), mit Hilfe von Mikroorganismen zu produzieren. Von diesen und weiteren Wirkstoffen erwartet man neue therapeutische Ansätze zur Viren- und Krebsbekämpfung. Antikörper werden mit genetisch bearbeiteten Mikroorganismen erzeugt, z. B. zur Therapie der Gelbsucht (Hepatitis B). Das Spektrum mikrobiell gewinnbarer Wirkstoffe wird durch die Verfahren der Gentechnik, bei denen Mikroorganismen die genetische Information für neue Leistungen erhalten, in ganz entscheidendem Masse erweitert. Die gentechnische Gewinnung menschlicher Hormone wie Insulin stellt einen Anfang dar. Auch der Zugang zu Enzymen, die bei der Pharmakasynthese bedeutsam sind, wird durch die Gentechnik wesentlich ökonomischer gestaltet. Heute sind es wenige stereochemische Umsetzungen, die mit Hilfe von mikrobiellen Zellen hergestellt werden, z. B. Steroidwirkstoffe wie Prednison. Mikrobielle und enzymatische Biotransformationen werden in der pharmazeutischen und chemischen Industrie schnell an Bedeutung gewinnen.

Mikroorganismen und Rohstoffe
Ein weiteres globales Problem ist das der Rohstoffgewinnung. Die Begrenztheit der fossilen organischen Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas erfordert zukünftig eine weitaus stärkere Nutzung der regenerierbaren Rohstoffe. Das sind vor allem die Komponenten der pflanzlichen Biomasse, die durch die Photosynthese gebildet werden. Zur Nutzung der verschiedenen pflanzlichen Polysaccharide und des Lignins müssen sie in ihre niedermolekularen Bausteine wie Zucker und Aromaten zerlegt werden, die dann weiteren mikrobiellen und chemischen Stoffwechslungen zugängig sind. Mikrobielle Prozesse sind sowohl für die enzymatische Depolymerisation der pflanzlichen Makromoleküle (enzymatischer Abbau) als auch für die Vergärung zu Industriechemikalien wie Ethanol, Aceton und Butanol bedeutsam. Während die Ethanolproduktion in grossem Umfang betrieben wird, befinden sich andere Prozesse im Entwicklungsstadium. Aber auch für die Optimierung der Ethanolgewinnung ergeben sich neue Möglichkeiten. So wurden thermophile Bakterien gefunden, die Polysaccharide zu Ethanol vergären. Anorganische Rohstoffe, vor allem Kupfer und Uran, werden bereits in grosstechnischem Masse mit Hilfe chemoautotropher Bakterien aus erzarmen Gesteinen und Abraumhalden gewonnen. Mikroorganismen sind nicht nur zur Erzlaugang (engl. Ieaching) von Gesteinen befähigt, sondern auch zur Akkumulation von Metallen aus Industrieabwässern, z. B. von Silber und Quecksilber. Bei der Abwasserreinigung lassen sich Phosphate bakteriell anreichern und rückgewinnen.

Mikroorganismen im Umweltschutz
Die zuletzt genannten Anwendungen tragen zum Umweltschutz bei. Ein Prinzip des Umweltschutzes ist die Rezirkulation, d. h. die Schaffung geschlossener Kreisläufe. Dieses in der Natur seit Jahrmillionen wirksame und bewährte Prinzip muss in die gesellschaftlichen Prozesse (volkswirtschaftliche Kreisläufe statt "Durchlaufwirtschaft") integriert werden. Zur mikrobiellen Wertstoffgewinnung aus Abfällen werden die Biogasgewinnung aus landwirtschaftlichen und kommunalen Abwässern sowie die mikrobielle Eiweissproduktion aus Abfällen der Celluloseindustrie (Sulfitablauge) eingesetzt. Bisher führt die mikrobielle Abwasserreinigung vor allem zu einer Mineralisierung der organischen Inhaltsstoffe. Da die Mineralstoffe zur Eutrophierung der Gewässer führen, müssen in diesem Bereich neue Wege zur Wertstoffgewinnung intensiv erforscht werden.

Die Ausführungen zeigen, dass wir bei aller Bedeutung, die die Mikrobiologie bereits für Ernährung, Gesundheit, Rohstofferschliessung und Umweltschutz hat, am Anfang einer Entwicklung stehen. Bisher wird von der Fülle mikrobieller Aktivitäten erst ein geringer Teil genutzt. Viele Prozesse sind zu wenig erforscht. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl neuer Mikroorganismen mit neuen Leistungen isoliert. So bestehen Möglichkeiten zur Wasserstoffgewinnung durch photoautotrophe Bakterien. In diesen wie in vielen anderen Fällen erlaubt der Erkenntnisstand noch keine Aussagen über eine ökonomisch vertretbare Anwendung. Die Lösung der globalen Probleme erfordert eine tiefgründige Erforschung des mikrobiellen Leistungspotentials, um es umfassend zum Wohle von Mensch und Natur anwenden zu können. Dafür genügt es nicht, die Einzelprozesse zu kennen. Erst wenn wir das Zusammenwirken der einzelnen Prozesse verstehen, können wir der Gefahr begegnen, natürliche Gleichgewichte zu stören.

3.    KLEINE ZELLDIMENSIONEN  -  GROSSE LEISTUNGEN

Auch wenn die Grössenordnung der pro- und eukaryotischen Mikroorganismen sehr differieren kann, so ist doch die kleine Zelldimension die charakteristische Eigenschaft. Von ihr leiten sich folgende weitere Charakteristika ab: grosses Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, hohe Leistungen und Anpassungsfähigkeit .

Die Bakterien, welche in den folgenden Ausführungen als typische Mikroorganismen behandelt werden, haben einen Zelldurchmesser um I Mikrometer (µm, 1/1'000 mm). Größere Bakterien, wie die Cyanobakterien, erreichen Zelldimensionen um 10 µm. In der Grössenordnung von 10 µm liegt der Zelldurchmesser der Pilze und Hefen. Die eukaryotischen Mikroben haben im Durchschnitt einen 10 mal grösseren Durchmesser als die Prokaryoten. In Abbildung 2 sind die Dimensionen des mikrobiellen, subzellulären und molekularen Bereiches zusammengefasst.

Es fällt uns schwer, in den Dimensionen des µm-Bereiches zu denken. Da das aber zum Verständnis der Mikroorganismen notwendig ist, seien einige Grössenvergleiche angeführt. Eine Bakterienzelle von I µm Durchmesser (z. H. Staphylococcus aureus) wird mit Hilfe des Lichtmikroskopes auf das l’000fache vergrössert, um von unseren Augen als I mm grosses Gebilde gesehen zu werden. Würde ein Kind von I m Grösse um das l’000fache vergrössert werden, würde es uns als 1'000 m grosser Riese erscheinen, selbst eine I cm lange Fliege würde bei l’000facher Vergrösserung zu einem 10 m grossen Monster werden. Das Volumen eines Bakteriums liegt in der Größenordnung von I µm³. Eine Milliarde Zellen würden I mm³ Volumen einnehmen, fünf Milliarden Bakterien (das entspricht fast der Zahl der Menschen auf der Erde) würden in 5 mm³ Platz finden. Das ist etwa das Volumen der Glaskügelchen, die am Kopf mancher Stecknadeln angebracht sind. Ein cm³ Komposterde enthält etwa eine Milliarde Bakterien. Trotzdem nehmen sie nur ein Tausendstel dieses cm³ ein. Auch im Belag eines Zahnes lassen sich eine Milliarde Bakterien nachweisen. Das Vorkommen in dieser hohen Individuenzahl trägt massgeblich zu den hohen Aktivitäten in der Natur bei.

Die geringe Zelldimension bedingt ein sehr grosses Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Deutlich wird diese Beziehung in einem Gedankenexperiment. Zerteilt man einen Würfel von I cm³ und 6 cm² Oberfläche in Würfel der Grössenordnung von Bakterien (1 µm³), so erhält man 10¹² kleinere Würfel, deren gesamte Oberfläche 10'000mal grösser als die des Ausgangswürfels ist. Die Relationen für eine Bakterien- und Hefezelle sind in Tabelle 2 angegeben. Bei einem 10 mal grösseren Zelldurchmesser ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen 10mal geringer. Das grosse Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ermöglicht intensive Wechselwirkungen mit der Umwelt. Mikroorganismen haben eine "extrovertierte" Lebensweise. In Zusammenhang mit den relativ geringen Transportwegen in der führt das zu hohen Stoffwechselleistungen. Die Atmung ist ein Mass für den Stoffumsatz. Bei Bakterien liegt die Atmungsrate (QO₂ = µL O₂ pro 1 mg Zelltrockensubstanz . h^-1) um 1000, bei Hefen um 100, bei tierischen und pflanzlichen Geweben um I-10. Für den bakteriellen Stoffumsatz gibt das folgende Beispiel ein anschauliches Bild: Ein Lactose vergärendes Bakterium setzt in einer Stunde das 1000 bis 10'000fache seines Eigengewichtes an Substrat um, ein Mensch würde für den 1'000fachen Zuckerumsatz seines Eigengewichtes ungefähr 250'000 Std., etwa die Hälfte seines Lebens, benötigen!   

Abb. 2: "Mikrobielle" Dimensionen (aus Goodsell, 1992).

A: 100fache Vergrösserung: a: Sammlung einiger Zellen, b: die grösste menschliche Zelle (Eizelle), c: Salzkörnchen, d: menschliches Haar, e: tierischer Einzeller (Paramaecium multimicronucleatum), f: Einzeller Amoeba proteus.

B: 1'000fache Vergrösserung: a: 5 Bakterien (Escherichia coli), b: 2 knospende Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae), c: menschliche rote Blutkörperchen (Erythrozyten), d: menschliche weisse Blutkörperchen (Lymphozyten), e: menschliche Spermazelle, f: epidermale Zelle, g: Zelle der gestreiften Skelettmuskulatur, h: menschliche Nervenzelle.

C: 100'000fache Vergrösserung: a: Sammlung von Biomolekülen (cf. b-e), b: bakterielle Zelle (a in B), c: Tabak-Mosaik-Virus, d: HIV-Virus, e: Bakteriophage (Bakterien-befallender Virus).

D: 1'000'000fache Vergrösserung: a: C-Atom, b: Glucose, c: ATP, d: Chlorophyll, e: tRNA, f: Antikörper, g: Ribosom, h: Poliovirus, i: Muskelprotein Myosin, j: Erbsubstanz DNA, k: Muskelprotein Aktin, l: die 10 Enzyme der Glykolyse, m: Enzymkomplex Pyruvatdehydrogenase.