Bakterienkultur

Allgemeines

Eine Bakterienkultur benötigt für ihr Wachstum unter anderem bestimmte Nährstoffe, die den Nährmedien hinzugefügt werden. Das Wachstum der Bakterien findet dabei in bestimmten Phasen und je nach Bakterienart unterschiedlich schnell statt.

Bakterien benötigen zum Leben und zur Vermehrung eine geeignete Umgebung. Diese muss neben Nährstoffen auch Salze, Spurenelemente und andere Wachstumsfaktoren enthalten. Ferner werden für optimale Wachstumsbedingungen ein bestimmter Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt sowie ein geeigneter pH-Wert und die richtige Temperatur benötigt.

Während diese Bedingungen in der natürlichen Umgebung eines Bakteriums in mehr oder weniger idealer Weise vorliegen, gelingt ein Bakterienwachstum unter Laborbedingungen nur, wenn die natürlichen Umweltbedingungen möglichst gut simuliert werden. Man verwendet zur Bakterienkultur daher speziell für die Bedürfnisse der jeweiligen Bakterienart zusammengestellte Nährmedien. Diese können in flüssiger Form als "Nährbouillon" oder in halbfester Gelform (sog. Nähragar, Nährboden) vorliegen. Diesen Trägern werden alle benötigten Nährmittel zugesetzt.

Gelförmige Nährböden, die man auch als Nähragar oder Agarböden bezeichnet, enthalten das Geliermittel Agar. Agar wird aus Algen, meistens aus Rotalgen, gewonnen. In Agar ist das Polysaccharid Agarose enthalten, welches sich oberhalb von 90 Grad Celsius verflüssigt und unterhalb von 45 Grad Celsius in einen gelförmigen Zustand übergeht. Agar ist durchsichtig, farblos und geschmacklos. Es kann von Bakterien nicht abgebaut werden.

In der Regel enthalten Nährböden eine einprozentige Agarlösung und werden erhitzt und flache Schalen aus Kunststoff oder Glas mit einem Deckel (Petrischalen) gegossen. Das Nährmedium erstarrt beim Abkühlen und bildet eine feste Oberfläche. Auf der Oberfläche der Nährplatten können die Bakterien wachsen. Durch eine geeignete Variation der Zusatzstoffe in einem Nährmedium lässt dieses sich je nach Bakterienart und Untersuchungsziel an vielfältige Bedürfnisse anpassen.

Definierte Nährmedien

Definierte Nährmedien enthalten nur Zusätze, die im Einzelnen bekannt und exakt chemisch definiert sind. Definierte Nährmedien sind auf die Bedürfnisse bestimmter Bakterienarten zugeschnitten und können auch zur Selektion (Auslese) einer Bakterienart benutzt werden.

Komplexe Nährmedien

Komplexe Nährmedien enthalten Nährstoffe, die nicht näher chemisch definiert sind, wie zum Beispiel Fleischextrakte, Hefeextrakte und Albumin. Komplexmedien werden sehr häufig verwendet und erlauben das Wachstum fast aller Bakterienarten.

Selektive Nährmedien

Die Bestandteile von selektiven Nährmedien sind speziell zusammensetzt und ermöglichen dadurch bevorzugt das Wachstum einer bestimmten Bakterienart und unterdrücken das Wachstum einer anderen. Sie erlauben das Wachstum von Bakterien, die bestimmte Eigenschaften besitzen, um sich auf dem selektiven Nährmedium vermehren zu können. Reichert man zum Beispiel das Medium mit einem bestimmten Antibiotikum an, können nur Bakterien wachsen, die resistent gegen dieses Antibiotikum sind.

Indikatornährmedien

Manche Bakterien stellen charakteristische Stoffwechselprodukte her oder verbrauchen einen bestimmten Anteil des Nährmediums. Veränderungen in diesem Bereich kann man durch die Zugabe eines spezifischen Farbstoffs (Indikator) zum Nährmedium sichtbar machen. Auf diese Weise kann man mithilfe der Indikatornährmedien Bakterien typisieren.

Bakterienwachstum

Bakterien benötigen zu ihrer Vermehrung keiner sexuellen Vorgänge. Sie vermehren sich vor allem durch einfache Zweiteilung. Auf diese Weise entsteht ein genetisch identischer Klon der bakteriellen Zelle. Die Zeit, die für einen Vermehrungszyklus benötigt wird (die sog. Generationszeit), schwankt zwischen 15 Minuten und 24 Stunden. E.-coli-Bakterien benötigen beispielsweise nur circa 20 Minuten für einen Vermehrungszyklus, Tuberkulosebakterien dagegen im Durchschnitt 20 Stunden.

Die Wachstumsdauer beziehungsweise Generationszeit hängt neben der Bakterienart auch stark vom Milieu ab, in dem diese wächst. Beobachtet man das Bakterienwachstum einer Kultur über die Zeit, so ergibt sich eine charakteristische Wachstumskurve. Diese lässt sich in vier Phasen unterteilen:

1. Lagphase (Latenzphase):
   In der Lagphase passt sich der Stoffwechsel der Bakterien an die Bedingungen des umgebenden Nährmediums an. Nährstoffe aus dem Medium werden aufgenommen und die für die Verarbeitung notwendigen Enzyme hergestellt. Es kommt noch nicht zu einer Teilung der Zellen, sondern nur zu einer Vermehrung ihres Volumens.
2. Logphase (logarithmische Phase, exponentielle Phase):
   Die Bakterien teilen sich und die Zellzahl nimmt exponentiell bzw. logarithmisch zu. Das bedeutet, dass es nicht zu einem stetigen, linearen Wachstum kommt. Vielmehr vermehren sich die Bakterien in kurzer Zeit sehr stark.
3. Stationäre Phase:
   Nach einer Weile sind die Nährstoffe im Medium erschöpft und es haben sich giftige Stoffwechselprodukte der Bakterien im Nährmedium angesammelt. Die Bakterien unterbrechen ihre Wachstumsvorgänge, die Zellteilungen werden eingestellt und die Zellzahl nimmt nicht weiter zu.
4. Absterbephase:
   In der Absterbephase können fehlende Nährstoffe den Energiebedarf der ruhenden, stationären Bakterien nicht mehr decken. Giftige Stoffwechselprodukte im Nährmedium behindern den Zellstoffwechsel. Es setzen Absterbevorgänge ein und es kommt zum fortschreitenden Untergang von Bakterienzellen.