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Kontinuierliche Co-Kultur von Tetrahymena thermophila und Pseudomonas putida in einem Bioreaktor

Hauptmann, Ulla


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Tetrahymena thermophila , Pseudomonas putida , Bioreaktor
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Biochemie und Endokrinologie, AG Angewandte Biochemie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.06.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 07.07.2000
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein mikrobielles Ökosystem in einem kontinuierlich betriebenen gerührten Bioreaktor (CSTR) im
Labormaßstab etabliert und seine Wachstumskinetik untersucht. In diesem in vitro Räuber-Beute-System wurden der Ciliat Tetrahymena
thermophila und das Bakterium Pseudomonas putida über einen Zeitraum von mehr als 400 Stunden gemeinsam kultiviert. Die Interaktion
von Bakterien und Protozoen stellt einen elementaren Prozess in der Ökologie nahezu jedes Gewässers dar.


Den Fraß von Bakterien, einzelligen Algen und Protozoen durch andere Protozoen kann man als Prädation im mikroskopischen Maßstab
bezeichnen. Protozoen stellen ein Glied innerhalb des mikrobiellen Nahrungsnetzes dar und sind daher ein wichtiger Bestandteil
aquatischer Ökosysteme. Da Protozoen partikuläres Material sammeln, konzentrieren und die Konkurrenz zwischen den Populationen von
Zersetzern regulieren, spielen sie eine wichtige Rolle in der Abwasserbehandlung. Die vorliegende Arbeit hat diesen elementaren Prozess
aus der Natur isoliert und unter kontrollierten Laborbedingungen studiert.


Als kinetische Parameter für das Wachstum von Tetrahymena thermophila im Batch-Verfahren wurden eine spezifische
Wachstumsgeschwindigkeit µmax = 0,16/h und eine Verdopplungszeit von tD = 4,3 Stunden ermittelt. Die maximal erreichten Zelldichten
lagen bei 6·108 Zellen/l. Pseudomonas putida wuchs in Batch-Kultur mit einer maximalen spezifischen Zuwachsrate von µmax = 0,52/h und
einer Verdopplungszeit von tD = 80 min und erreichte eine maximale Populationsdichte von 3·1012 Zellen/l.


Die Co-Kultivierung von Tetrahymena thermophila und Pseudomonas putida wurde sowohl im Fed-Batch- als auch in kontinuierlichen
Verfahren durchgeführt. Zur Co-Kultivierung wurde ein synthetisches Medium (BC-Medium) verwendet. Die Glucosekonzentrationen wurden
zwischen 0,55 g/l und 11 g/l variiert. Durch die Erhöhung der Konzentration von Glucose wurde eine verbesserte Kohlenstoffversorgung
gewährleistet und Glucose als Mangelfaktor ausgeschlossen.


Die Experimente mit kontinuierlichem Reaktorbetrieb, bei denen kontinuierlich frisches Medium zu- und verbrauchtes Kulturmedium
abgeführt wurde, lieferten Zelldichten von Tetrahymena thermophila von maximal 4·108 Zellen/l. Hohe Zelldichten von etwa 1,7·108 Zellen/l
konnten außerdem über einen Zeitraum von mehr als 100 Stunden aufrecht erhalten werden. Bei Co-Kulturen im Batch-Verfahren wurden
8·107 Zellen/l erreicht. Wie in der Literatur beschrieben, konnte auch mit der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass der
Räuberorganismus Tetrahymena thermophila seine Beute, die Bakterienpopulation, nicht vollständig ausrottet. Die Zelldichte von
Pseudomonas putida wurde in keinem der Experimente unter einen Wert von 109 Zellen/l reduziert.


Es werden verschiedene mathematische Modelle zur Beschreibung mikrobieller Räuber-Beute-Systeme vorgestellt und ihre
Anwendbarkeit auf die Versuchsergebnisse diskutiert.


Die vorliegende Arbeit zeigt, wie sinnvoll eine Verknüpfung von biologischen Fragestellungen, moderner Technologie und mathematischer
Modellbildung sein kann.
Kurzfassung auf Englisch: Predation of bacteria, unicellular algae and protozoa through other protozoa can be described as predation in a microscopic scale.
Protozoa are part of the microbial food web and therefore an important component of aquatic ecosystems. Since they collect and
concentrate particles and regulate the competition between populations of destruents, they are an important part in activated sludge
treatment. Within this thesis the elementary process has been isolated from nature and studied under controlled laboratory conditions.


As kinetic parameters for growth of Tetrahymena thermophila in batch-culture, the specific growth rate µmax = 0,16/h and the doubling time
tD = 4,3 were determined. The maximum cell density was 6·108 cells/l. Pseudomonas putida grew in batch-culture with a specific growth
rate of µmax = 0,52/h and a doubling time of tD = 80 min reaching maximum cell densities of 3·1012 cells/l.


Fed-batch and continuous fermentation has been used to co-cultivate Tetrahymena thermophila and Pseudomonas putida. For
co-cultivation experiments a synthetic medium (BC-medium) was used. The concentration of glucose was varried between 0,55 g/l and 11
g/l. Increase of glucose concentration ensured a better supply with carbon and glucose was excluded as a limiting factor.


Experiments of continuous fermentation with constant supply of fresh medium and constant removal of used medium showed cell densities
for Tetrahymena thermophila of 4·108 cells/l. High cell densities of 1,7·108 cells/l were maintained over a time period of more than 100
hours. During co-cultivation in batch-culture, cells reached densities of 8·107 cells/l. As reported in literature it could be shown that the
predator Tetrahymena thermophila did not eliminate the bacterial population completely. In none of the experiments the population density
of Pseudomonas putida was reduced below 5·107 cells/l.


Different mathematic models describing microbial predator-prey systems are presented and their applicability on the experiments are
being discussed.