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Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen

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Rapunzel
Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen

In diesem Film geht es darum, wie sich Bakterien vermehren. Die unterschiedlichen Vermehrungsphasen einer Bakterienkultur werden erklärt. Dazu gehören die exponentielle Phase, stationäre Phase und die Absterbephase. Anhand konkreter Bakterienanzahlen wird dir die Größenordnung deutlich gemacht. Außerdem geht es um Sporenbildung (Sporulation) in einer Bakterienkultur, was Sporen sind und welche Eigenschaften sie besitzen. Weiterhin wird die Frage, wie man Bakterien und ihre Sporen über vollständige Entkeimung (Sterilisation) und Teilentkeimung (Pasteurisation) entfernt, beantwortet. Diese Prozesse werden am Beispiel Milch verdeutlicht.

Transkript Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen

Hallo! Ich bin Julia. In diesem Film geht es um die Vermehrung von Bakterien. Bakterien vermehren sich durch ungeschlechtliche Teilung. Zuerst wird die DNA verdoppelt, danach teilt sich das Bakterium. Aus einem werden 2, aus 2 4, aus 4 8, und so weiter. Diese Art der Vermehrung, bei der sich die Zellen nach einer bestimmten Zeit immer verdoppeln, heißt exponentiell. Wenn man Bakterien auf eine neue Oberfläche oder in eine Flüssigkeit bringt, in der vorher noch keine Bakterien gewachsen sind, kann man eine charakteristische Wachstumskurve beobachten. Diese Kurve bezieht sich auf die Zahl der lebenden Bakterien. Zuerst müssen sich die Bakterien an ihre neue Umgebung gewöhnen. Sie beginnen, sich langsam zu teilen. Nach 2 Stunden sind aus 2 Bakterien 4 geworden. Danach wachsen die Bakterien, wie eben beschrieben, exponentiell. So werden aus nur 4 Bakterien in 24 Stunden 67 Millionen Bakterien. Irgendwann sind die Nährstoffe aufgebraucht und die giftigen Abbauprodukte reichern sich an. Die Bakterien beginnen zu verhungern. Genau so viele Bakterien sterben, wie neue durch Teilung entstehen. So sind auch nach 48 Stunden noch 67 Millionen Bakterien da. Diese Zeit bezeichnet man als stationäre Phase. Auf die stationäre Phase folgt die Absterbephase, in der die Zahl der Bakterien sehr stark abnimmt. Nach 52 Stunden sind nur noch 12 Millionen Bakterien da. Bakterien können im Labor als Flüssigkultur oder auf geleeartigen Platten gezüchtet werden. Für die Platten verwendet man meist Agar, einen Vielfachzucker, der aus Algen gewonnen wird. Das Wachstum der Bakterien kann man beobachten, denn sie teilen sich sehr schnell und durch ihre große Zahl werden auf den Agarplatten Kolonien sichtbar. Jede Kolonie war einmal eine einzige Zelle. In Flüssigkeiten beobachtet man eine Trübung. Wenn die Lebensbedingungen für Bakterien sich verschlechtern, und sie, wie zum Beispiel in der stationären Phase, einer Bakterienkultur keine Nahrung mehr finden, können einige Bakterien Sporen bilden. Sporen sind etwas kleiner als lebende Bakterienzellen und von einer festen Hülle umgeben. Sie sind eine Art Ruhezustand, nehmen keine Nahrung auf und teilen sich nicht. So können Sporen Jahrhunderte überdauern. Deshalb nennt man eine Spore auch Überdauerungsform. Die Sporenbildung bezeichnet man als Sporulation. Bei der Sporulation teilt sich zuerst eine Bakterienzelle in zwei ungleiche Zellen. Die größere Zelle ist die Sporenmutterzelle, die Kleinere wird zur Spore. Danach wandert die Sporenmutterzelle um die kleinere Zelle herum, sodass diese vollkommen eingeschlossen wird. Man bezeichnet sie in diesem Stadium als Vorspore. Der Vorspore wird nun Wasser entzogen und die Zellwand wird verdickt. Wenn die Spore fertig gebildet ist, löst sich die Sporenmutterzelle auf. Erst, wenn die Lebensbedingungen wieder günstiger erscheinen, keimen die Sporen aus und beginnen, sich wie eine normale Bakterienzelle zu teilen. Bakteriensporen sind sehr hitzebeständig und langlebig. Sie können für kurze Zeit auch im kochendem Wasser überleben. Um etwas vollkommen keimfrei zu machen, also vollkommen bakterienlos, ist es deshalb notwendig, die Temperatur auf mindestens 130 Grad Celsius zu erhöhen. Nur so ist sichergestellt, dass keine Sporen mehr auskeimen können. Diesen Prozess des vollständigen Entkeimens bezeichnet man als Sterilisation. Lebende Bakterienzellen kann man bereits durch Temperaturen von 60 bis 90 Grad abtöten. Die Sporen bleiben erhalten. Diese Teilentkeimung heißt Pasteurisation. Entkeimung spielt eine große Rolle in Krankenhäusern und auch bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln, zum Beispiel bei Milch. Bestimmt weißt du, dass H-Milch und Frischmilch unterschiedlich gelagert werden müssen. Frischmilch muss deshalb immer gekühlt werden, weil sie nur pasteurisiert ist. Sobald sie warm wird, keimen die noch vorhandenen Sporen aus und machen die Milch sauer. H-Milch ist ultrahocherhitzt, für kurze Zeit bis auf 143 Grad Celsius. Deshalb kann sie ungeöffnet auch bei Raumtemperatur gelagert werden, denn bei ihr sind sowohl Sporen als auch lebende Bakterienzellen durch die Hitze abgetötet worden. Warum wird offene H-Milch trotzdem schlecht? Weil neue Bakterien aus der Luft sich in ihr ansiedeln. Zusammenfassung: Bakterien teilen sich exponentiell, wenn sie genug Nährstoffe finden. Ihre Zahl verdoppelt sich regelmäßig. Sind die Lebensbedingungen schlecht, bilden Bakterien Sporen. Diese Sporen sind besonders hitzeresistent und können auch nach Jahrhunderten noch auskeimen. Den Prozess der Sporenbildung bezeichnet man als Sporulation. Ich hoffe, der Film hat euch gefallen und ihr habt etwas Neues gelernt. Tschüss.

19 Kommentare

19 Kommentare
  1. Hallo Alukowsky,
    die Generationszeit, also die Zeit, in der sich die Anzahl der Mikroorganismen (hier: Bakterien) in einer Population verdoppelt, kann je nach Bakterien-Stamm und Wachstumsbedingungen ganz unterschiedlich sein. Die im Video genannte Zeit ist durchaus möglich. Die Generationszeit vom Darmbakterium Escherichia coli beträgt unter Idealbedingungen 20 Minuten. Escherichia coli ist ein Modellorganismus und wird sehr häufig als Beispiel verwendet.
    Solltest du noch Fragen haben, kannst du dich gerne von Montag bis Freitag zwischen 17 und 19 Uhr an den Hausaufgabenchat wenden.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  2. Ich habe im Internet aber gelesen, dass sich Bakterien aller 20 Minuten verdoppeln...

    Von Alukowsky, vor mehr als einem Jahr
  3. Hallo Daniel Hajek,
    vielen Dank für deinen Kommentar. Das „H“ in H-Milch steht für „haltbar“, man sagt auch Haltbarmilch. Zur Herstellung von H-Milch wird die Milch ultrahocherhitzt und homogenisiert.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  4. Das "H" bei der H-Milch steht nicht für ultrahocherhitzt, sondern für "homogenisiert". Das sind also 2 paar Stiefel.

    Von Daniel Hajek, vor mehr als einem Jahr
  5. Sehr hilfreich

    Von Arazhul Hd, vor fast 4 Jahren
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Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bakterien – Vermehrung in verschiedenen Phasen kannst du es wiederholen und üben.
  • Zeichne ein beschriftetes Diagramm, dass alle Phasen des bakteriellen Wachstums aufweist.

    Tipps

    Das Wachstum läuft zunächst langsam an, da sich die Bakterien an die neue Umgebung gewöhnen müssen.

    Lösung

    In der Anlaufphase vermehren sich die Bakterien zunächst langsam, bevor deren Anzahl in der exponentiellen Phase sich stark erhöht. In der stationären Phase stellt sich ein Gleichgewicht ein, in der sich die Anzahl der Bakterien weder erhöht noch verringert. In der Absterbephase nimmt die Anzahl stark ab, da die Nährstoffe im Medium zuneige gehen.

  • Vergleiche eine aktive und eine überdauernde Bakterienzelle miteinander.

    Tipps

    Bakterien bilden Sporen, wenn sich die Lebensbedingungen verschlechtern.

    Lösung

    Aktive Bakterienzellen teilen sich und nehmen Nahrung auf. Sie haben eine vergleichbar kurze Lebensdauer und lassen sich durch Pasteurisierung abtöten.

    Sporen zeichnen sich dadurch aus, dass sie länger überleben können. Sie sind also eine Überdauerungsform.
    Die Zellen befinden sich in einem Ruhestadium, in dem keine Teilung und keine Nahrungsaufnahme stattfinden. Sporen sind kleiner als aktive Bakterienzellen und haben eine feste Hülle. Sie lassen sich nur durch hohe Temperaturen bei einer Sterilisation abtöten.

  • Erkläre die Vorgänge in den jeweiligen Phasen des bakteriellen Wachstums.

    Tipps

    Beim exponentiellen Wachstum verdoppeln sich die Zellen nach einer bestimmten Zeit.

    Lösung

    In der Anlaufphase gewöhnen sich die Bakterien an die neue Umgebung und teilen sich eher langsam.

    In der exponentiellen Phase steigt das Wachstum stark, da sich die Bakterien bereits angepasst haben.

    In der stationären Phase stoßen die Bakterienzellen an die Grenze der verfügbaren Nährstoffe und des Raums, sodass sich die Anzahl sterbender und sich teilender Bakterien die Waage halten.

    In der Absterbephase verringert sich die Anzahl der Bakterien, da die Nährstoffe zuneige gehen und einige Bakterien Giftstoffe ausscheiden.

  • Beschreibe den Vorgang der Sporulation.

    Tipps

    Eine Vorspore ist eine kleinere Zelle, die von einer größeren Zelle – der Sporenmutterzelle – umgeben ist.

    Lösung

    Die Sporulation
    Die Bakterienzelle teilt sich in zwei ungleiche Zellen, wobei die größere zur Sporenmutterzelle wird.
    Sie umschließt die kleinere Zelle, sodass die Vorspore entsteht.
    Ihr wird Wasser entzogen und die Zellwand verdickt sich.
    Die Sporenmutterzelle löst sich auf und die Spore bleibt übrig.
    Wenn die Lebensbedingungen besser werden, keimt die Spore aus und teilt sich wieder.

  • Nenne die Überdauerungsform eines Bakteriums.

    Tipps

    Der Vorgang, bei der die Überdauerungsform gebildet wird, nennt man Sporulation.

    Lösung

    Die Überdauerungsform eines Bakteriums nennt man Spore.

  • Berechne die Anzahl der E. Coli-Bakterien unter optimalen Lebensbedingungen, wenn zu Beginn drei Bakterien vorhanden waren.

    Tipps

    Die Anlaufphase kannst du in dieser Aufgabe vernachlässigen, da optimale Bedingungen vorausgesetzt werden.

    Das Wachstum der Bakterien ist exponentiell.

    Die Gleichung zur Berechnung lautet:
    $f(t)=3\cdot2^t$
    Wobei beispielsweise $t=2$ für 40 Minuten einzusetzen ist, da sich die Bakterien zwei Mal innerhalb von 40 Minuten teilen.

    Lösung

    Es wird von optimalen Lebensbedingungen ausgegangen, sodass die Anlaufphase vernachlässigt werden kann.
    Zu Beginn existieren drei Bakterien.
    Allgemein kann ein exponentielles Wachstum angenommen werden, sodass folgende Gleichung mit der Startpopulation von drei Bakterien gilt:
    $f(t)=3\cdot2^t$

    Nach einer Stunde, also 60 Minuten, konnten sich die Bakterien drei Mal teilen:
    $t=60 Min. / 20 Min.=3$
    Es gilt:
    $f(3)=3\cdot2^3=3\cdot8=24$
    Somit beträgt die Populationsgröße 24 Bakterien nach einer Stunde.

    Für zwei vergangene Stunden folgt somit:
    $t=120 Min. / 20 Min.=6$
    Es gilt:
    $f(6)=3\cdot2^6=3\cdot64=192$
    Somit beträgt die Populationsgröße 192 Bakterien nach zwei Stunden.

    Zu guter Letzt ergibt sich daher für die verstrichene Zeit von vier Stunden: $t=240 Min. / 20 Min.=12$
    Es gilt:
    $f(3)=3\cdot2^12=3\cdot4096=12288$
    Somit beträgt die Populationsgröße 12.288 Bakterien nach vier Stunden.

    Zusammenfassung
    Nach 20 Minuten verdoppelt sich die Anzahl – aus anfänglich drei Bakterien werden sechs. Nach weiteren 20 Minuten, also insgesamt 40 Minuten, verdoppelt sich die Zahl nochmals, es sind nun zwölf Bakterien.
    Dieser Vermehrungsprozess verläuft weiter in der exponentiellen Wachstumsphase, solange die Bedingungen es zulassen. Wird die Nahrungsgrundlage aufgebraucht oder gibt es keinen weiteren Lebensraum mehr, geht die bakterielle Wachstumskurve zunächst in die stationäre Phase, ehe sämtliche Bakterien in der Absterbephase ihr Leben verlieren.

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