Definition: Was sind Mikroorganismen?
Mikroorganismen sind sehr kleine Lebewesen oder biologische Einheiten, die mit bloßem Auge meist nicht erkennbar sind. Zu ihnen gehören vor allem Bakterien, Archaeen, mikroskopisch kleine Pilze, einzellige Algen und viele Protozoen. Viren werden häufig ebenfalls im Zusammenhang mit Mikroorganismen behandelt, gelten jedoch nicht als eigenständige Lebewesen, da sie sich nur innerhalb geeigneter Wirtszellen vermehren können.
Mikroorganismen kommen nahezu überall auf der Erde vor. Sie leben im Boden, in Gewässern, in der Luft, auf Pflanzen, in Tieren und im menschlichen Körper. Einige Arten besiedeln heiße Quellen, stark salzhaltige Seen, Tiefseeregionen oder eisbedeckte Landschaften. Ihre große Anpassungsfähigkeit ermöglicht das Leben unter Bedingungen, die für viele größere Organismen ungeeignet sind.
Trotz ihrer geringen Größe besitzen Mikroorganismen eine zentrale Bedeutung für Ökosysteme. Sie bauen organische Stoffe ab, setzen Nährstoffe frei, bilden Sauerstoff, beeinflussen das Klima und leben in enger Gemeinschaft mit Pflanzen und Tieren. Ohne ihre Tätigkeit würden viele natürliche Stoffkreisläufe nicht funktionieren.
Gruppen von Mikroorganismen
Der Begriff Mikroorganismen umfasst keine einheitliche biologische Verwandtschaftsgruppe. Er fasst Organismen unterschiedlicher Herkunft zusammen, deren gemeinsames Merkmal vor allem ihre geringe Größe ist.
Bakterien
Bakterien sind einzellige Organismen ohne Zellkern. Ihr Erbmaterial liegt frei im Zellinneren. Sie besitzen unterschiedliche Formen und können kugelig, stäbchenförmig, gekrümmt oder schraubenartig aufgebaut sein.
Viele Bakterien vermehren sich durch Zellteilung. Unter günstigen Bedingungen können sich Populationen schnell vergrößern. Andere Arten wachsen langsam oder bilden widerstandsfähige Dauerformen, mit denen sie Trockenheit, Hitze oder Nährstoffmangel überstehen.
Bakterien nutzen sehr unterschiedliche Energie- und Nahrungsquellen. Einige bauen organisches Material ab, andere gewinnen Energie aus anorganischen Stoffen. Bestimmte Arten betreiben Fotosynthese oder binden gasförmigen Stickstoff.
Archaeen
Archaeen sind ebenfalls einzellig und besitzen keinen Zellkern. Äußerlich ähneln sie häufig Bakterien, unterscheiden sich jedoch grundlegend in ihrem Zellaufbau und Stoffwechsel.
Viele Archaeen leben unter extremen Bedingungen. Einige kommen in heißen, sauren oder stark salzhaltigen Lebensräumen vor. Andere sind in Böden, Meeren und Tierkörpern weit verbreitet. Methanbildende Archaeen leben in sauerstofffreien Umgebungen und spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Methan.
Mikroskopische Pilze
Zu den mikroskopischen Pilzen gehören Hefen und viele Schimmelpilze. Ihre Zellen besitzen einen Zellkern. Hefen bestehen meist aus einzelnen Zellen, während Schimmelpilze fadenförmige Strukturen bilden.
Pilze ernähren sich von organischen Stoffen, die sie außerhalb ihrer Zellen mit Enzymen aufschließen. Sie sind wichtige Zersetzer von Pflanzenresten, Holz und anderen Materialien. Einige Arten leben als Parasiten, andere bilden nützliche Symbiosen mit Pflanzen.
Einzellige Algen und Protozoen
Viele einzellige Algen betreiben Fotosynthese und bilden dabei organische Stoffe sowie Sauerstoff. Sie leben vor allem in Gewässern und feuchten Lebensräumen. Als Bestandteil des Phytoplanktons bilden sie die Grundlage vieler aquatischer Nahrungsketten.
Protozoen sind einzellige Organismen, die sich häufig von Bakterien, Algen oder anderen kleinen Lebewesen ernähren. Sie beeinflussen dadurch mikrobielle Gemeinschaften und Nährstoffkreisläufe. Einige Arten bewegen sich mit Geißeln, Wimpern oder wechselnden Zellfortsätzen.
Lebensräume von Mikroorganismen
Mikroorganismen besiedeln nahezu alle natürlichen und künstlichen Lebensräume. Ihre Verteilung hängt von Temperatur, Feuchtigkeit, Sauerstoffgehalt, Säuregrad, Salzgehalt und Nährstoffangebot ab.
Mikroorganismen im Boden
Böden enthalten eine besonders große Vielfalt an Mikroorganismen. In den Poren zwischen Mineralteilchen und organischem Material leben Bakterien, Pilze, Archaeen und Protozoen. Die meisten konzentrieren sich in Bereichen mit ausreichend Wasser und Nährstoffen.
Wurzeln geben Zucker, organische Säuren und weitere Stoffe an ihre Umgebung ab. Dieser Bereich wird als Rhizosphäre bezeichnet und ist besonders dicht besiedelt. Mikroorganismen nutzen die Wurzelausscheidungen und beeinflussen im Gegenzug die Nährstoffversorgung und Gesundheit der Pflanzen.
Mikroorganismen in Gewässern
In Seen, Flüssen, Meeren und im Grundwasser bilden Mikroorganismen einen wesentlichen Bestandteil der Lebensgemeinschaften. Fotosynthetisch aktive Arten leben vor allem in lichtdurchfluteten Wasserschichten. Andere Mikroorganismen bauen absinkendes organisches Material in tieferen Bereichen ab.
An Oberflächen entstehen häufig Biofilme. Dabei handelt es sich um Gemeinschaften von Mikroorganismen, die in eine selbst gebildete Schleimschicht eingebettet sind. Biofilme kommen auf Steinen, Pflanzen, Sedimenten, Rohrleitungen und technischen Anlagen vor.
Mikrobiome von Pflanzen und Tieren
Pflanzen und Tiere tragen charakteristische Gemeinschaften von Mikroorganismen auf und in ihrem Körper. Die Gesamtheit dieser Mikroorganismen wird als Mikrobiom bezeichnet. Haut, Schleimhäute, Verdauungssystem und Pflanzenoberflächen bieten unterschiedliche Lebensbedingungen.
Viele dieser Beziehungen sind nützlich oder notwendig. Darmmikroorganismen helfen beim Abbau von Nahrung, bilden Stoffwechselprodukte und beeinflussen das Immunsystem. Mikroorganismen auf Pflanzen können Krankheitserreger verdrängen oder das Wachstum fördern.
Bedeutung für Stoffkreisläufe
Mikroorganismen treiben zentrale Stoffkreisläufe an. Sie wandeln Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und andere Elemente in unterschiedliche chemische Formen um. Dadurch werden Nährstoffe verfügbar oder vorübergehend gebunden.
Abbau organischer Stoffe
Abgestorbene Pflanzen, Tiere und Ausscheidungen enthalten große Mengen organischen Materials. Bakterien und Pilze zersetzen diese Stoffe mit Hilfe von Enzymen. Komplexe Verbindungen werden in kleinere Bestandteile zerlegt.
Ein Teil der freigesetzten Stoffe wird in mikrobielle Biomasse eingebaut. Andere werden als Kohlendioxid, Wasser oder mineralische Nährstoffe an die Umwelt abgegeben. Dieser Prozess verhindert, dass abgestorbenes Material dauerhaft angehäuft wird.
Stickstoffkreislauf
Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil von Eiweißen und Erbmaterial. Obwohl die Atmosphäre große Mengen gasförmigen Stickstoff enthält, können Pflanzen diese Form nicht direkt aufnehmen.
Bestimmte Bakterien und Archaeen binden Luftstickstoff und wandeln ihn in verwertbare Verbindungen um. Andere Mikroorganismen überführen Ammonium in Nitrit und Nitrat. Unter sauerstoffarmen Bedingungen wandeln weitere Arten Nitrat wieder in gasförmige Stickstoffverbindungen um.
Diese Prozesse bestimmen, wie viel Stickstoff Pflanzen zur Verfügung steht und wie viel in Atmosphäre oder Gewässer gelangt. Störungen können zu Nährstoffverlusten, Überdüngung oder erhöhten Treibhausgasemissionen führen.
Kohlenstoffkreislauf
Fotosynthetisch aktive Mikroorganismen nehmen Kohlendioxid auf und bilden organische Stoffe. In Meeren tragen mikroskopisch kleine Algen erheblich zur globalen Primärproduktion bei.
Zersetzende Mikroorganismen setzen beim Abbau organischer Substanz wieder Kohlendioxid frei. Unter sauerstofffreien Bedingungen können methanbildende Archaeen Methan erzeugen. Andere Mikroorganismen nutzen Methan als Energiequelle und begrenzen dadurch seine Freisetzung.
Mikroorganismen und Pflanzen
Pflanzen leben in enger Verbindung mit Mikroorganismen. Besonders bedeutsam sind Symbiosen, bei denen beide Partner Vorteile erhalten. Ein bekanntes Beispiel ist die Mykorrhiza, eine Verbindung zwischen Pilzen und Pflanzenwurzeln.
Das Pilzgeflecht erschließt ein größeres Bodenvolumen als die Wurzel allein. Es liefert Wasser und Nährstoffe, insbesondere Phosphor. Im Gegenzug erhält der Pilz energiereiche Kohlenstoffverbindungen aus der Fotosynthese der Pflanze.
Knöllchenbakterien
Knöllchenbakterien leben in den Wurzeln bestimmter Pflanzen, vor allem von Hülsenfrüchtlern. Sie binden gasförmigen Stickstoff und wandeln ihn in pflanzenverfügbare Verbindungen um. Die Pflanze versorgt die Bakterien mit Kohlenhydraten.
Diese Symbiose erhöht die Stickstoffversorgung der Pflanze und kann auch nachfolgenden Kulturen zugutekommen. Deshalb spielen Hülsenfrüchtler in Fruchtfolgen und nachhaltigen Anbausystemen eine wichtige Rolle.
Nützliche Anwendungen
Mikroorganismen werden seit langer Zeit zur Herstellung von Lebensmitteln genutzt. Hefen vergären Zucker zu Alkohol und Kohlendioxid. Milchsäurebakterien sind an der Produktion von Joghurt, Käse, Sauerkraut und weiteren fermentierten Lebensmitteln beteiligt.
In der Biotechnologie dienen Mikroorganismen zur Herstellung von Enzymen, Vitaminen, Arzneimitteln und chemischen Grundstoffen. Durch gezielte Auswahl oder genetische Veränderung können bestimmte Stoffwechselprodukte gewonnen werden.
Abwasserreinigung
In Kläranlagen bauen Mikroorganismen gelöste und fein verteilte organische Stoffe ab. In Belebungsbecken entstehen vielfältige mikrobielle Gemeinschaften. Sie wandeln Kohlenstoffverbindungen um und beteiligen sich an der Entfernung von Stickstoff und Phosphor.
Die Reinigungsleistung hängt von Sauerstoffversorgung, Temperatur, Nährstoffverhältnis und Aufenthaltszeit ab. Werden die Lebensbedingungen gestört, kann die Qualität des gereinigten Wassers sinken.
Kompostierung und Biogas
Bei der Kompostierung zersetzen Bakterien und Pilze organische Abfälle unter Sauerstoffzufuhr. Dabei entsteht Wärme, und leicht abbaubare Stoffe werden in stabilere Humusverbindungen überführt.
In Biogasanlagen erfolgt der Abbau ohne Sauerstoff. Verschiedene Gruppen von Mikroorganismen arbeiten dabei schrittweise zusammen. Als Endprodukt entsteht ein Gasgemisch mit einem hohen Methananteil, das energetisch genutzt werden kann.
Krankheitserregende Mikroorganismen
Ein Teil der Mikroorganismen kann Krankheiten verursachen. Pathogene Bakterien, Pilze, Protozoen und Viren gelangen über Luft, Wasser, Lebensmittel, Tiere oder direkten Kontakt in geeignete Wirte.
Ob eine Erkrankung entsteht, hängt von der Art des Erregers, seiner Menge, dem Eintrittsweg und der Abwehrlage des Wirts ab. Viele Mikroorganismen sind nur unter bestimmten Bedingungen schädlich. Sie können beispielsweise Krankheiten auslösen, wenn das Immunsystem geschwächt ist oder natürliche Schutzbarrieren verletzt wurden.
Resistenzen
Bakterien können Widerstandsfähigkeit gegen Antibiotika entwickeln. Solche Resistenzen entstehen durch genetische Veränderungen oder den Austausch von Erbmaterial. Der häufige und unsachgemäße Einsatz von Antibiotika begünstigt die Ausbreitung resistenter Stämme.
Resistente Bakterien kommen nicht nur in Krankenhäusern vor. Sie können über Abwasser, Böden, Tiere, Lebensmittel und Gewässer verbreitet werden. Der Umgang mit Antibiotika ist deshalb zugleich eine medizinische und ökologische Aufgabe.
Mikroorganismen und Umweltbelastungen
Mikroorganismen reagieren empfindlich auf Veränderungen ihrer Lebensräume. Schadstoffe, Versauerung, Überdüngung, Trockenheit und Temperaturveränderungen können mikrobielle Gemeinschaften verschieben.
Einige Arten bauen Schadstoffe wie Erdölbestandteile oder bestimmte Lösungsmittel ab. Dieser biologische Abbau wird bei der Sanierung belasteter Böden und Gewässer genutzt. Andere Stoffe sind kaum abbaubar oder wirken bereits in geringer Konzentration toxisch.
Bedeutung für den Klimawandel
Mikroorganismen beeinflussen die Bildung und den Abbau wichtiger Treibhausgase. Erwärmung und veränderte Niederschläge können ihre Aktivität steigern oder vermindern. Tauen dauerhaft gefrorene Böden auf, wird bisher gebundenes organisches Material für Mikroorganismen verfügbar.
Beim Abbau können Kohlendioxid und unter sauerstoffarmen Bedingungen Methan entstehen. Dadurch kann sich die Erwärmung zusätzlich verstärken. Gleichzeitig binden fotosynthetische Mikroorganismen große Mengen Kohlendioxid und wirken als bedeutender Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs.
Zusammenfassung
Mikroorganismen sind mikroskopisch kleine Organismen wie Bakterien, Archaeen, Pilze, einzellige Algen und Protozoen. Sie besiedeln nahezu alle Lebensräume und bilden komplexe Gemeinschaften in Böden, Gewässern sowie auf und in Pflanzen und Tieren.
Ihre Tätigkeit ist für den Abbau organischer Stoffe und für Kohlenstoff-, Stickstoff- und weitere Nährstoffkreisläufe unverzichtbar. Mikroorganismen fördern Pflanzenwachstum, reinigen Abwasser und werden zur Herstellung von Lebensmitteln, Arzneimitteln und Energie genutzt.
Einige Arten können Krankheiten verursachen oder Schadstoffe bilden. Die große Mehrheit erfüllt jedoch grundlegende ökologische Funktionen. Veränderungen mikrobieller Gemeinschaften wirken sich deshalb häufig auf ganze Ökosysteme, die Bodenfruchtbarkeit, die Wasserqualität und das Klima aus.
