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Mikrobiologie

Vorbemerkungen

Fachliche Vorbemerkungen

1. Fachspezifischer Bildungsauftrag und Bildungswert des Faches Mikrobiologie
Die Mikrobiologie ist die klassische Basiswissenschaft für die Biotechnologie und als solche in der Ausbildung zur biotechnologischen Assistentin und zum biotechnologischen Assistenten unverzichtbar.
Das Fach „Mikrobiologie“ hat den Auftrag, den Schülerinnen und Schülern die mit dem bloßen Auge nicht sichtbare lebendige Natur zu erschließen, Verständnis für ihre Gesetzmäßigkeiten und Einzigartigkeit zu wecken und deren Bedeutung für das Fortbestehen von Leben auf der Erde insgesamt zu vermitteln. Zur Lösung der globalen Probleme wie z. B. Klimawandel und Ressourcenrückgewinnung sowie der Versorgung der Weltbevölkerung mit Nahrung, medizinischer Hilfe und Energie, muss und wird auch die Mikrobiologie in den kommenden Jahren einen maßgeblichen Beitrag leisten.
Anhand exemplarisch ausgewählter Themen wird die Vielfalt, die Kultivierung, das Wachstum und der Einsatz von Mikroorganismen dargestellt. Für den nachhaltigen Erwerb mikrobiologischer Fachkompetenzen werden die Sachinhalte mit lebensweltbezogenen Kontexten verknüpft. Das Unterrichtsfach „Mikrobiologie“ vermittelt zusammen mit dem „Mikrobiologischen Praktikum“ grundlegende Handlungskompetenzen für berufstypische Tätigkeiten. Dabei wird auch ein Schwerpunkt auf die Vernetzung mit den Fächern „Biotechnologie“, „Biologie“ und „Chemie“ sowie deren Praxisfächern gelegt. Daraus ergibt sich die Chance, Inhalte vernetzt zu lernen, zu denken und zu reflektieren, um komplexe Systeme zu analysieren, zu bewerten und sich naturwissenschaftlich fundiert an einem gesellschaftlichen Diskurs zu beteiligen. Darüber hinaus ist dieses fächervernetzende Wissen, Denken und Handeln in der heutigen Berufswelt eine unentbehrliche Leistungsanforderung an jeden Berufstätigen und jede Berufstätige.
Der Anspruch des Fachs“ Mikrobiologie“ ist es daher, neben den klassischen Methoden und Prozessen auch neue Entwicklungen aufzugreifen und den Schülerinnen und Schülern so ein tiefreichendes Verständnis moderner mikrobiologischer Themen zu ermöglichen, aber auch, sie in die Lage zu versetzen, Chancen und Risiken ihres eigenen Handelns zu reflektieren, zu beurteilen und zu kommunizieren.
Aufgrund der Komplexität der wissenschaftlichen Zusammenhänge und Strukturen ist der Einsatz digitaler Medien sinnvoll. Diese wissenschaftspropädeutische Unterrichtsgestaltung liefert ein anschlussfähiges Wissen, das eine gute Vorbereitung für eine Berufstätigkeit oder ein Studium darstellt, aber auch eine spätere Weiterqualifizierung ermöglicht.
Das Fach „Mikrobiologie“ baut auf die Inhalte des Fachs „Mathematik I“ auf und setzt diese anwendungsbezogen um.

2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb
Kompetenzorientierter Unterricht bietet die Möglichkeit, Wissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten selbstständig und nachhaltig aufzubauen, zu reflektieren und in verschiedenen Situationen verantwortungsvoll einzusetzen.
Die Schülerinnen und Schüler entwickeln im aktiven Umgang mit spezifischen Inhalten die Kompetenzen, die für die Naturwissenschaften von zentraler Bedeutung sind: Erkenntnisse gewinnen, Kommunizieren und Bewerten. Naturwissenschaftlich fachkompetente Schülerinnen und Schüler verfügen über Sach‑, Erkenntnisgewinnungs‑, Kommunikations- und Bewertungskompetenz. Diese vier Kompetenzbereiche durchdringen einander und bilden gemeinsam die Fachkompetenz.
Die Sachkompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich sowohl in der Kenntnis naturwissenschaftlicher Konzepte, Theorien und Verfahren als auch der Fähigkeit, diese zu beschreiben und zu erläutern sowie geeignet auszuwählen und zu nutzen, um Sachverhalte aus fach- und alltagsbezogenen Themen zu bearbeiten.
Die Erkenntnisgewinnungskompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis von naturwissenschaftlichen Denk- und Arbeitsweisen und in der Fähigkeit, diese Fachkompetenz zu beschreiben, zu erklären und zu verknüpfen, um Erkenntnisprozesse nachvollziehen oder gestalten zu können und deren Möglichkeiten und Grenzen zu reflektieren.
Die Kommunikationskompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis von Fachsprache, fachtypischen Darstellungen und Argumentationsstrukturen und in der Fähigkeit, die Fachkompetenz zu nutzen, um fachbezogene Informationen zu erschließen, adressaten- und situationsgerecht darzustellen und auszutauschen.
Die Bewertungskompetenz der Schülerinnen und Schüler zeigt sich in der Kenntnis von fachlichen und überfachlichen Perspektiven und Bewertungsverfahren und in der Fähigkeit, diese Kompetenz zu nutzen, um Aussagen und Daten anhand verschiedener Kriterien zu beurteilen, sich dazu Meinungen zu bilden, Entscheidungen zu treffen und Entscheidungsprozesse und deren Folgen zu reflektieren.
Für nachhaltig gewinnbringendes Lernen ist es von großer Bedeutung, dass alle Kompetenzbereiche im Unterricht bewusst und ausgewogen gefördert werden. Die Kompetenzen entwickeln sich bei den Schülerinnen und Schülern über die beiden Schuljahre hinweg und werden im Bildungsplan vielfältig inhaltsbezogen konkretisiert.
Die kompetenzorientierte Gestaltung des Unterrichts im Fach Mikrobiologie legt die Grundlagen für das Verständnis und die Interpretation wissenschaftlicher Erkenntnisse und damit für die berufliche Laufbahn sowie für die aktive Teilnahme der Schülerinnen und Schüler an gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Diskussionen auf der Basis fundierter inhalts- und prozessbezogener Kompetenzen.
Die inhaltsbezogenen Kompetenzen umfassen Fachwissen zu den Themenkomplexen Nutzung der Unterschiede der Mikroorganismen in Struktur und Physiologie für entsprechende Methoden zur Isolierung, Identifizierung und für die mikrobielle Stoffproduktion, sowie zur Wachstumskontrolle in der biotechnologischen Produktion. Die Schülerinnen und Schüler werden für das Gefährdungspotenzial von Mikroorganismen für Personen und Produktionsprozesse sensibilisiert. Die verwendete Fachsprache orientiert sich an der zukünftigen Arbeitsumgebung der Schülerinnen und Schüler in multinationalen Arbeitsgruppen. Damit erhalten die Schülerinnen und Schüler eine Ausbildung, die sie auf die vielfältigen Einsatzbereiche in der Praxis der Forschung und Produktion vorbereitet.
Die prozessbezogenen Kompetenzen werden durch eine entsprechende fachdidaktische Gestaltung des Unterrichts anhand der fachlichen Inhalte gemeinsam mit den inhaltsbezogenen Kompetenzen vermittelt.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Erkenntnisgewinnung“ setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit mikrobiologischen Fragestellungen auseinander. Sie werfen aus geeigneten Beobachtungen zielführende Fragestellungen auf und erstellen Hypothesen auf der Basis ihrer Vorkenntnisse. Durch problemorientierte Unterrichtskonzeptionen entwickeln die Schülerinnen und Schüler eine grundlegende Vorstellung des Weges der wissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung und fachspezifischer Problemlösestrategien.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Kommunikation“ beschaffen sich die Schülerinnen und Schüler Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen, tauschen die erworbenen Informationen aus, indem sie ihre Arbeitsergebnisse adressatengerecht unter Verwendung der Fachsprache präsentieren und auswerten. Dies berücksichtigt auch die in den Naturwissenschaften übliche Dokumentation und Aufbereitung von Experimentalergebnissen in Form von Texten, Bildern, Tabellen, Diagrammen und Grafiken. Ihren Standpunkt zu mikrobiologischen Sachverhalten können die Schülerinnen und Schüler fachlich begründet vertreten sowie fachlich begründete abweichende Standpunkte wahrnehmen und respektieren.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Bewertung“ werden die Schülerinnen und Schüler in die Lage versetzt, mikrobiologische Sachverhalte einzuordnen und zu reflektieren und auch ihre Ergebnisse und ihr Handeln kritisch zu hinterfragen. Im Rahmen von Recherchen lernen Schülerinnen und Schüler vertrauenswürdige und seriöse Quellen in verschiedenen analogen und digitalen Medien anhand geeigneter Kriterien zu erkennen und auch wissenschaftliche Inhalte, Aussagen, Darstellungen und Lösungsstrategien zu naturwissenschaftlichen Problemen in Medien kritisch zu prüfen und zu bewerten.

Hinweise zum Umgang mit dem Bildungsplan
Der Bildungsplan zeichnet sich durch eine Inhalts- und eine Kompetenzorientierung aus. In jeder Bildungsplaneinheit (BPE) werden in kursiver Schrift die übergeordneten Ziele beschrieben, die durch Zielformulierungen sowie in jeweils einer Inhalts- und Hinweisspalte konkretisiert werden. In den Zielformulierungen werden die jeweiligen fachspezifischen Operatoren als Verben verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die signalisieren, welche Tätigkeiten beim Bearbeiten von Aufgaben erwartet werden; eine Operatorenliste ist jedem Bildungsplan im Anhang beigefügt. Durch die kompetenzorientierte Zielformulierung mittels dieser Operatoren wird das Anforderungsniveau bezüglich der Inhalte und der zu erwerbenden Kompetenzen definiert. Die formulierten Ziele und Inhalte sind verbindlich und damit prüfungsrelevant. Sie stellen die Regelanforderungen im jeweiligen Fach dar. Die Inhalte der Hinweisspalte sind unverbindliche Ergänzungen zur Inhaltsspalte und umfassen Beispiele, didaktische Hinweise und Querverweise auf andere Fächer bzw. BPE.
Der VIP-Bereich des Bildungsplans umfasst die Vertiefung, individualisiertes Lernen sowie Projektunterricht. Im Rahmen der hier zur Verfügung stehenden Stunden sollen die Schülerinnen und Schüler bestmöglich unterstützt und bei der Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen gefördert werden. Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer nutzen diese Unterrichtszeit nach eigenen Schwerpunktsetzungen auf Basis der fächer- und bildungsgangspezifischen Besonderheiten sowie nach den Lernvoraussetzungen der einzelnen Schülerinnen und Schüler.
Der Teil „Zeit für Leistungsfeststellung“ des Bildungsplans berücksichtigt die Zeit, die zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung von Leistungsfeststellungen zur Verfügung steht. Dies kann auch die notwendige Zeit für die im Rahmen der Besonderen Lernleistungen erbrachten Leistungen, Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.

Schuljahr 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

30

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Erstellung von Steckbriefen verschiedener Mikroorganismen
ELISA-basierte Schnelltestverfahren
MLST-Methode zur Identifizierung
UV-Bestrahlung von Hefen und Selektion UV-resistenter Mutanten
Anwendungen von Viren in der Medizin
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit Mikroorganismen

7
Die Schülerinnen und Schüler nennen und beschreiben Erkrankungen aus ihrer Erlebniswelt, die durch Mikroorganismen hervorgerufen werden. Sie beschreiben die Übertragungswege für die Erkrankungen und leiten Maßnahmen zur Verhinderung von Infektionen ab. Sie erläutern die Pathogenität von Mikroorganismen bzw. Biostoffen.
Die Schülerinnen und Schüler erläutern am Beispiel von Mikroorganismen der Risikogruppe 1 bauliche, technische und organisatorische Maßnahmen, die sie vor den Gefahren beim Umgang mit Mikroorganismen schützen.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen Infektionskrankheiten und beschreiben die jeweiligen Übertragungswege sowie die entsprechenden Erreger. Sie leiten aus den Übertragungswegen Maßnahmen zur Verhinderung der Infektion mit Krankheitserregern ab.
Naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg:
Krankheit, Übertragungsweg, Erreger
von der Beobachtung zur Erkenntnis
z. B. Krankheitsverbreitung in der Familie, Coronapandemie, Aufstellung von Erregersteckbriefen
Infektionskrankheiten
z. B. Magen-Darm-Infektion, Scharlach, Grippe Windpocken, Legionellose, AIDS
Lebensmittelinfektion, Tröpfcheninfektion, Infektion über Aerosole, Infektion über Wasser, Kontaktinfektion

Erreger entsprechend der Infektionskrankheit
z. B. E. coli, EHEC, Salmonellen, Streptokokken, Staphylokokken, Clostridium spec., Influenzaviren, Variella-Zooster-Viren, Legionellen, HI-Viren
Reinigung des Lebensmittels, Durchgaren, Abstand halten, Schutzmaske, Schutzbrille, Dekontamination von Wasser, Reinigung kontaminierter Oberflächen, Handschuhe
z. B. Reinigungsmittel, Regeln bei Coronapandemie, Chlorierung, Erhitzen von Wasser in Leitungen auf über 60 °C, Händewaschen mit Seife, Oberflächenreinigung

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Ursachen der Pathogenität und die Einordnung von Mikroorganismen in Risikogruppen biologischer Arbeitsstoffe unter Berücksichtigung deren Pathogenität.
Definition Pathogenität

Ursachen und Definition: Endo‑, Exotoxine und Oberflächenstrukturen
EHEC, Salmonellen, C. botulium
Definition Biostoffe nach §2 BioStoffV
z. B. Mikroorganismen, Zellkulturen
Risikogruppen 1 bis 4 nach §3 BioStoffV

Definition Risikogruppe 1
z. B. Mikroorganismen, die in der Schule eingesetzt werden, wie E. coli, B. subtilis, Lactobacillus

BPE 1.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Regeln und Schutzmaßnahmen beim Arbeiten mit Mikroorganismen der Risikogruppe 1 im Labor. Sie nennen ausgewählte Schutzmaßnahmen höherer Schutzstufen.
STOP-Prinzip: Substitution, technische Schutzmaßnahmen, organisatorische Schutzmaßnahmen, persönliche Schutzmaßnahmen
Informationsquellen: z. B. Gesetze, Verordnungen, technische Regeln, Berufsgenossenschaften
Regeln nach TRBA 100 und „Gute mikrobiologische Technik“
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Bauliche Schutzmaßnahmen
z. B. Sicherheitstüren, Sicherheitsfenster, glatte Oberflächen
Steriltechnische Ausstattung
z. B. Autoklaven
Organisatorische Sicherheitsmaßnahmen, Veranlassung durch den Arbeitgeber
z. B. Gefährdungsbeurteilungen, Arbeitsschutzmaßnahmen, Betriebsanweisungen und Unterweisungen
Persönliche Schutzausrüstung (PSA)
z. B. Laborkittel, Schutzbrille, Schutzhandschuhe
vgl. „Allgemeine Labormethodik“
Beispiele für Sicherheitsmaßnahmen bei Arbeiten mit Biostoffen höherer Risikogruppen
z. B. Lüftungsanlagen mit Filtern, Vollschutzanzüge, arbeitsmedizinische Untersuchungen

BPE 2

Vielfalt und Klassifizierung von Mikroorganismen

11
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau und die Aufgaben der Feinstrukturen bakterieller Zellen und Endosporen sowie von Hefen und Pilzen. Sie ordnen Mikroorganismen nach morphologischen und physiologischen Eigenschaften systematischen Gruppen zu, kennen die Grundlagen der Taxonomie und beschreiben klassische und molekularbiologische Methoden zur Klassifizierung.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden die drei großen Reiche des Lebens und skizzieren exemplarisch Unterschiede zwischen den Reichen und Viren.
Einteilung von Mikroorganismen: Eukaryoten, Prokaryoten, Archaea

Taxonomie, binären Nomenklatur: Benennung von Organismen mit einem Gattungs- und Artnamen, Schreibweise: kursiv
z. B. Familie: Enterobacteriaceae, Gattung: Salmonella, Art: S. enterica
Hierarchie: Stamm, Art, Gattung, Familie

Viren
vgl. BPE 7

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Koloniemorphologie als makroskopische Unterscheidungsmöglichkeit für Mikroorganismen.

Unterscheidungsmöglichkeiten: Koloniegröße, ‑form, ‑konsistenz, ‑farbe, ‑ränder
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Micrococcus luteus, Bacillus mycoides, Rhodotorula mucilaginosa
vgl. BPE 3

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Zellformen und -verbände. Sie erläutern den Aufbau bakterieller Zellen und von Pilz- und Hefezellen und wenden diese Kriterien zur Unterscheidung und Eingruppierung von Mikroorganismen an.

Bakterielle Zellformen
Staphylokokken, Streptokokken, E. coli, Bacillus subtilis
  • Kokken: kugelförmig
  • coliforme Bakterien und Bacillen: stäbchenförmig
  • Vibrionen: kommaförmig
  • Spirillen: spiralig

Zellverbände

  • Mikrokokken: Einzelzellen
  • Streptokokken: Ketten
  • Staphylokokken: Trauben

Feinstruktur von Bakterienzellen mit Funktion: genomische und Plasmid-DNA, Cytoplasma, Ribosomen, Zellmembran mit Einstülpungen, Zellwand, Zellhülle, Geißeln, Pili
Licht- und elektronenmikroskopische Aufnahmen, vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“, vgl. „Biologie“
Vergleich mit eukaryotischen Zellstrukturen
vgl. „Biologie“
Größenvergleich verschiedener Mikroorganismen
Bacillus subtilis, Bacillus megaterium, Saccharomyces cerevisiae
Besonderheiten im Aufbau von Hefe‑, Pilzzellen: Narbe, Myzel, Hyphe
Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica, Aspergillus niger
Vergleich der Zellwände von Bakterien (Gram-negativ, Gram-positiv)
Murein als Heteropolymer: Rückgrat aus Polysacchariden quervernetzt durch Peptide
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“

BPE 2.4

Die Schülerinnen und Schüler formulieren einen Überblick zu biochemischen und molekularbiologischen Möglichkeiten zur Unterscheidung von Mikroorganismen.
Biochemische Unterscheidungsmöglichkeiten: Stoffwechselprofil, physiologische Eigenschaften
vgl. „Biotechnologie“, vgl. „Biologisches Praktikum“
Molekularbiologische Unterscheidungsmöglichkeiten: ELISA, DNA-Sequenzanalyse von 16SrRNA, GC-Gehalt, Barcoding
z. B.: Nachweis von Oberflächenstrukturen von Salmonellen, vgl. „Biotechnologie“
Vergleichskriterien: Einsatzmöglichkeit, Spezifität, (Zeit‑)Aufwand

BPE 2.5

Die Schülerinnen und Schüler skizzieren vergleichend zwei Dauerformen und erläutern den Aufbau und die Entstehung bakterieller Endosporen.

Mikrobielle Dauerformen: Endosporen, Exosporen

Vergleich hinsichtlich Vorkommen, Zweck, prinzipieller Aufbau

Detaillierter Aufbau, Bildung und Nachweis bakterieller Endosporen
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“

BPE 3

Wachstumsbedingungen von Mikroorganismen

10
Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Wachstumsbedingungen und erklären die allgemeinen Nährstoffansprüche von prototrophen sowie die besonderen Ansprüche einzelner auxotropher Mikroorganismen. Im Fokus stehen hier die jeweiligen Quellen im Nährmedium und deren Bedeutung für das Wachstum der Mikroorganismen. Sie führen die erforderlichen Berechnungen zu Konzentrationen der einzelnen Komponenten in Medien durch.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen die Definitionen und unterscheiden verschiedene Stoffwechseltypen von Mikroorganismen.

C-Quelle: Heterotrophie, Autotrophie

Energiequelle: Chemotrophie, Phototrophie
Tier, Pflanze, Cyanobakterien
Syntheseleistung: Prototrophie, Auxotrophie

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern unterschiedliche Wachstumsbedingungen und leiten daraus optimale Lebensbedingungen für ausgewählte Mikroorganismen ab, wobei sie als Erklärungsansatz auch die Aktivität von Enzymen aufzeigen.
Mikroorganismen: Aspergillus niger, E. coli, Bacillus subtilis, Thermophilus aquaticus, Clostridium botulinum

Nährstoff als Energie- und Kohlenstoffquelle

pH-Wert: Acidophil, neutrophil, alkaliphil

aw-Wert-Toleranzbereiche
manche Hefen ≥ 0,6, Schimmelpilze ≥ 0,8, Bakterien > 0,98
Temperatur: psychrophil, mesophil, thermophil

Sauerstoff: aerob, anaerob, fakultativ anaerob

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Nährstoffansprüche prototropher Mikroorganismen in Bezug auf Makro- und Spurenelemente sowie deren Funktionen für den Mikroorganismus.

Nährstoffquellen: Peptone, Hefeextrakt, Glucose, anorganische Salze
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Makroelemente:
Konzentration > 50 \(\frac{mg}{kg}\)
C, H, O, N, S, P, Ca‑, K‑, Mg-Ionen

Spurenelemente:
Konzentration <50 \(\frac{mg}{kg}\)
Zink-Ionen, Eisen(III)-Ionen, Cobalt-Ionen, Kupfer-Ionen

BPE 3.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern den besonderen Nährstoffanspruch auxotropher Mikroorganismen für den aufbauenden Stoffwechsel.

Suppline: Definition

Vitamine: Coenzyme
Biotin, Nicotinsäure
Aminosäuren: Proteinbaustein

Fettsäuren
Ölsäure in Cytoplasmamembran
Mangelmutanten, auch Definition
vgl. „Biotechnologie“, vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“

BPE 3.5

Die Schülerinnen und Schüler ordnen anhand der jeweiligen Definition und Medienzusammensetzung die Nährmedien bestimmten Medientypen zu. Sie beurteilen die Verwendbarkeit verschiedener Medienkomponenten für die Herstellung spezifischer Medien und berechnen erforderliche Größen zur Medienherstellung.

Konsistenz: Festmedium, Flüssigmedium

Inhaltsstoffe: Komplexe, definierte Medien
LB, M9, vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Nährstoffansprüche: Vollmedium, Minimalmedium
LB, M9
Untersuchungsziel: Selektivmedium, Differenzierungsmedium
LB mit Antibiotikum, McConkey-Agar, Endoagar
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Berechnungen von und mit
vgl. „Mathematik I“ (BPE 1)
  • Massenkonzentration

  • Volumenkonzentration: \(\sigma=\frac {V_G}{V_L}\)

  • Stoffmengenkonzentration

  • Verdünnungsfaktor

  • Verdünnungen: \(c_{Anfang}\cdot V_{Anfang} = c_{Ende}\cdot V_{Ende}\)

  • Molare Masse

  • Molares Volumen unter Standardbedingungen

  • Dichte

  • Volumenanteil

  • Massenanteil

BPE 4

Kultivierungsverfahren

10
Die Schülerinnen und Schüler erläutern auch quantitativ die Vermehrung von Bakterien und das Wachstum von Bakterienpopulationen. Sie ordnen Abschnitte in Wachstumsdiagrammen bestimmten Wachstumsphasen zu und begründen diese Zuordnung mit zellulären Vorgängen bei sich verändernden Wachstumsbedingungen. Die Schülerinnen und Schüler ermitteln Einflussfaktoren für das Wachstum und beurteilen mit deren Hilfe das Wachstumsverhalten von Kulturen.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Wachstum und Zellteilung bei Bakterien sowie geeignete Messmethoden, um das Wachstum zu quantifizieren.
Zellulärer Ablauf der Zellteilung

Messmethoden und Berechnungen für Lebend- und Gesamtkeimzahl
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
vgl. „Mathematik I“ (BPE 1 und BPE 4)
  • Zählkammerverfahren, Bestimmung der koloniebildenden Einheiten

  • Fotometer, Bio(trocken)massebestimmung
Störgröße: Größenwachstum

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden verschiedene Wachstumsphasen und begründen den Verlauf des Wachstums mit zellulären Vorgängen und den sich ändernden Wachstumsbedingungen.
Anlaufphase, exponentielle Phase, stationäre Phase, Absterbephase
Übergangsphasen
Induktion abbauender Stoffwechselwege
vgl. „Biotechnologie“
Abnahme der Substratkonzentration, Anhäufung wachstumslimitierender Produkte

Diauxie
vgl. „Biotechnologie“

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler stellen Diagramme zum zeitlichen Verlauf des Wachstums bei statischer Kultivierung dar und interpretieren diese. Sie ermitteln aus den Graphen Wachstumsparameter.
Definition: Batch- und Fed-Batch-Kultivierung
vgl. „Biotechnologie“
Wachstumskurven, auch halblogarithmische Auftragung

Darstellung von Daten in Tabellen und Diagrammen
vgl. „Mathematik I“ (BPE 4)
Maximale und mittlere Wachstumsrate, Teilungsraten, Generationszeit, Verdoppelungszeit

BPE 4.4

Die Schülerinnen und Schüler berechnen Parameter, die das Wachstumsverhalten beschreiben und beurteilen die Ergebnisse mit dem Ziel der Wachstumsoptimierung.
Ermittlung und Berechnung von Zellzahl N, Anzahl Teilungen n, Teilungsrate ν und Generationszeit g auf Grundlage der Zellzahl

Wachstumsrate µ und maximaler Wachstumsrate µmax sowie der Verdoppelungszeit tD auf Grundlage der Biomasse

Darstellung von Daten in Tabellen und Diagrammen
vgl. „Mathematik I“ (BPE 4)
Für die Standardzelle vereinfachend: v = µ und Generationszeit g = tD
Standardzelle: Zunahme Zellzahl und Zellmasse in gleichem Maße
\(N_{t} = N_{0} \cdot 2^{n}\);
\(n = \frac{log N_{t} - log N_{0}}{log2}\); \(g = \frac{t}{n}\);
\(ν = \frac {n}{t} = \frac{1}{g}\);
\(x = x_{0} \cdot e^{\mu \cdot t}\);
\(\mu = \frac{ln2}{t_{d}}\)

BPE 5

Isolierung von Mikroorganismen

8
Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Notwendigkeit der Herstellung einer Reinkultur aus einer Mischkultur, da nur diese die Charakterisierung des Mikroorganismus mit mikrobiologischen Methoden ermöglicht. Durch den Vergleich unterschiedlicher Kultivierungszwecke stellen die Schülerinnen und Schüler fest, dass nur die Reinkulturen für den Einsatz in der biotechnologischen Produktion geeignet ist und nur die Mischkultur die Möglichkeit bietet, die Diversität einer mikrobiellen Gemeinschaft zu analysieren. Sie wenden die Prinzipien der Herstellung einer Reinkultur aus einer Mischkultur bei gegebenen optimalen Kultivierungsbedingungen auch auf ihnen unbekannte Sachverhalte an.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben verschiedene Kultivierungstechniken und vergleichen exemplarisch deren Einsatzmöglichkeiten. Sie begründen exemplarisch das prinzipielle Vorgehen zur Isolierung einer Mikroorganismenspezies, indem sie die Konsequenzen der Durchführung der Schritte für die zunehmende Einschränkung der Mikroorganismenvielfalt erläutern.
Definitionen: Mischkultur, Anreicherungskultur, Reinkultur
Elektivmedium, Selektivmedium,
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Verdünnungsreihe mit Plattierungsverfahren, fraktionierter Ausstrich
Flüssigkultur, Kultivierung auf Festmedium,
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Einsatzmöglichkeiten: Analyse der Vielfalt einer Mikroorganismenpopulation, biotechnologische Produktion, Mikroorganismensammlung

Kultivierung unter nicht- bzw. wenig selektiven Bedingungen, Selektion, Reinheitskontrolle, Identifizierung
vgl. BPE 2, vgl. BPE 3

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler formulieren einen Steckbrief für eine Mikroorganismenspezies und leiten auf Grundlage spezieller Wachstumsansprüche dieser Spezies das prinzipielle methodische Vorgehen zu deren Isolierung aus einer Mischkultur ab.
Steckbrief mit Anforderungen an Wachstumsbedingungen, morphologischen und physiologischen Eigenschaften
z. B. Schleimkapsel-bildendender, stäbchenförmiger, aerober, mesophiler, stickstofffixierender, Mannitol-oxidierender, gram-negativer Azotobacter-Spezies aus einer Bodenprobe, vgl. BPE 3
Isolierung aus Mischkultur
Entnahme einer Bodenprobe
Anreicherung als Mischkultur
z. B. in mineralischem Medium ohne Stickstoff mit Mannitol als einziger Kohlenstoffquelle, Kahmhaut
Vereinzelung
z. B. durch Plattieren oder durch wiederholtes Picken und Ausstreichen
Zellmorphologische Identifizierung mit Färbemethoden, molekularbiologische Identifizierung
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“

BPE 6

Wachstumshemmung und Keimabtötung

8
Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden Verfahren zur Keimreduktion und erläutern jeweils das Wirkprinzip. Sie beschreiben die prinzipielle Wirkungsweise ausgewählter Antibiotika und die entsprechenden Resistenzmechanismen sowie den molekularen Resistenzmechanismus gegen \(\beta\)-Lactam-Antibiotika. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen die Effektivität von Inaktivierungsmethoden anhand des berechneten D-Wertes.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen bestimmte Verfahren zur Keimreduktion hinsichtlich der Effektivität, der verwendeten Methode und nennen beispielhaft Einsatzmöglichkeiten.
Pasteurisierung: kurzzeitiges Erhitzen, Teilentkeimung, Lebensmittelkonservierung
80 °C, 10 min
Desinfektion: desinfizierende Lösungen, Teilentkeimung, Flächen und Geräte

Sterilisation: feuchte Hitze und trockene Hitze, Keimfreiheit, hitzestabile Lösungen

BPE 6.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das jeweilige Wirkprinzip und nennen Anwendungsbereiche verschiedener Keimreduktionsverfahren.
UV-Strahlung: Mutagenese durch hohe Energiedosis
z. B. Sicherheitswerkbank, Raum
Ethanol: Zerstörung der Zellhülle durch Lösungsmitteleinwirkung
z. B. Sicherheitswerkbank, Raum
Feuchte und trockene Hitze: Denaturierung von Makromolekülen durch Hitzeeinwirkung

  • feuchte Hitze: Autoklavieren
z. B. Lösungen, Medien und Plastik
  • trockene Hitze: Heißluftsterilisation
z. B. hitzestabile Materialien
Mikrofiltration: physikalische Abtrennung von Mikroorganismen durch Membranfilter mit Porengrößen 0,1 – 0,4 µm
bei thermolabilen Lösungen z. B. Glucoselösung, Antibiotikalösung, Vitaminlösung

BPE 6.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern prinzipielle Wirkungsweisen bestimmter Antibiotika als Hemmungen zentraler Zellteilungs- und Stoffwechselvorgänge und sie beschreiben prinzipielle Resistenzmechanismen gegen diese Antibiotika.
Zellwandsynthese: Hemmung der Quervernetzung des Mureins durch \(\beta\)-Lactam-Antibiotika
verringerte Zellwandstabilität, Lyse, vor allem sich teilender, grampositiver Bakterien, z. B. Penicillin, Cephalosporine, vgl. „Biotechnologie“
Zentrale Enzyme: Hemmung der bakteriellen
z. B. Quinolone, Rifamycine, vgl. „Biotechnologie“
  • Topoisomerase
keine Replikation
  • RNA-Polymerase
keine Genexpression
Proteinbiosynthese: Bindung an die große oder kleine Untereinheit bakterieller Ribosomen
Hemmung der Elongation der Translation z. B. Tetracycline, Chloramphenicole, vgl. „Biotechnologie“
Synthese essenzieller Metabolite: Hemmung der bakteriellen Tetrahydrofolatsynthese
Fehlender Metabolit zur Nukleinsäuresynthese z. B. Sulfonamide
Resistenzmechanismen

  • zelluläres Ziel: Veränderung
z. B. Mutation
  • Antibiotikum: Abbau oder Inaktivierung, Ausschleusen, Umgehung

BPE 6.4

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den molekularen Mechanismus, der Resistenz gegenüber \(\beta\)-Lactam-Antibiotika.

\(\beta\)-Lactam-Antibiotika-neutralisierendes Enzym: \(\beta\)-Lactamase
Gen: bla, ampR
vgl. BPE 2
Hydrolyse des \(\beta\)-Lactamrings, keine Bindung des Spaltprodukts an Murein-synthetisierende Enzyme möglich, keine Hemmung der Zellwandsynthese
kein Zelltod

BPE 6.5

Schülerinnen und Schüler wenden den D-Wert zur Berechnung der Effektivität von Inaktivierungsmethoden an.
Fachbezogenes Rechnen
vgl. „Mathematik I“ (BPE 4)
D-Wert (Dezimale Reduktionszeit): für die Abtötung von 90 Prozent der Keime erforderliche Zeit
auch D10-Wert
  • Faktor= \(\frac{Dauer}{D-Wert}\)
  • überlebende Zellen \(= \frac{N_{0}}{10^{Faktor}}\)

Variation abhängig von Keimart und Sterilisationsbedingungen

BPE 7

Vielfalt und Vermehrung von Viren

8
Die Schülerinnen und Schüler skizzieren den Aufbau und die Entwicklung human- und bakterienspezifischer Viren, ordnen sie in Klassen ein und nennen typische Vertreter. Diese Kenntnis bildet die Grundlage für das Verständnis der prinzipiellen Vorgänge in den Wirtszellen, die in biologischen Zusammenhängen dargestellt und erfasst werden. Die Schülerinnen und Schüler wenden ihre Kenntnisse übergeordneter, wiederkehrender Prinzipien auch auf neue Sachverhalte an.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler formulieren einen Überblick zur Wirtsspezifität von Viren.
Bakterien: Phage Lambda, T-Phagen
Mensch: Influenzaviren, humanes Immunschwächevirus (HIV)

Wirtsspezifität durch Schlüssel-Schloss-Prinzip von Oberflächenproteinen des Virus und von Zelloberflächenproteinen des Wirts

BPE 7.2

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen den Aufbau von Viren, beschreiben auch die Funktion der Komponenten und ordnen Viren unter Anwendung der Kriterien des Baltimore-Schemas ein.
Kriterien des Baltimore-Schemas

  • Genom

DNA, RNA, linear, ringförmig, doppelsträngig (ds), einzelsträngig (ss) mit Polarität (+) oder (‑)
Erbgut, mRNA
z. B. HIV: (+)-ssRNA, Reverse Transkriptase, vgl. „Biotechnologie“
  • Capsid

Einfache Viren
z. B. M13, Herpes-simplex-Virus
Komplexe Viren
z. B. T4-Phage
  • Schutz des Genoms

  • bei unbehüllten Viren: Andockmechanismus, Beförderung des Genoms in die Zelle

  • Hülle

Unbehüllte Viren
z. B. T-Phagen
Behüllte Viren
z. B. SARSCoV-2, HIV
  • Andockmechanismus, Beförderung des Genoms in die Zelle

  • Cytoplasmamembran der Wirtszelle, virale Membranproteine, Spike-Proteine

BPE 7.3

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden den lytischen vom lysogenen Entwicklungszyklus und benennen typische Vertreter. Sie beschreiben Abwehrmechanismen der Wirtszellen.
Lytischer Zyklus

  • Adsorption
  • Injektion
  • Latenzphase
  • Assembling
  • Freisetzung neuer Viren i. d. R. mit Zelllyse, ggf. Exozytose-ähnlicher Vorgang ohne Zerstörung der Wirtszelle

Produktion sehr vieler Viren in kurzer Zeit, bei Freisetzung i. d. R. Zelllyse
z. B. T4-Phage, 25 min
Rabiesvirus
Lysogener Zyklus

  • ortsspezifische Rekombination ins Wirtsgenom, bei Retroviren nach reverser Transkription
  • Replikation viraler DNA (Prophage oder Provirus) mit Wirtsgenom, keine Expression
  • spontaner oder durch äußeren Reiz induzierter Übergang in den lytischen Zyklus, dabei Ausscheren des viralen Genoms
z. B. \(\lambda\)-Phage, HIV, vgl. BPE 8
Abwehrmechanismen der Wirtszelle: Mutation der Rezeptoren; bei Bakterien: Restriktion viraler DNA, CRISPR/Cas-System
vgl. „Biotechnologie“

BPE 7.4

Die Schülerinnen und Schüler interpretieren Diagramme und Tabellen zum Virustiter und Virusvermehrung

Wachstumskurven von Viren
vgl. „Mathematik I“ (BPE 1 und BPE 4)
  • intrazellulär: Eklipsephase, Reifephase
  • extrazellulär: Latenzphase, lytische Phase
  • Wurfgröße

Virentiter mit Berechnungen, Bestimmung über Plaque-Assay
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“

BPE 8

Erzeugung natürlicher genetischer Variabilität

13
Die Schülerinnen und Schüler leiten aus beispielhaften historischen Experimenten Ursachen und Bedeutung natürlicher genetischer Variabilität für die Mikroorganismen selbst und für die Erhaltung der Art ab. Sie stellen exemplarisch intrinsische und extrinsische Ursachen und deren genverändernde Wirkung auf molekularer Ebene dar. Die Schülerinnen und Schüler erläutern den horizontalen Gentransfer und die sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Zelle ab. Die neu erworbenen Eigenschaften werden durch Selektion auf diese Eigenschaft oder molekularbiologisch nachgewiesen.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler charakterisieren die Entstehung natürlicher genetischer Variabilität von Mikroorganismen hinsichtlich ihrer Ursachen und Bedeutung.
Schreibfehler der DNA-Polymerase, Mutagene
5-Bromuracil, Salpetrige Säure, Akridinorange
Horizontaler Gentransfer: Konjugation, Transformation, Transduktion
Übertragung von Erbinformation innerhalb einer Generation, z. T. auch über Artgrenzen hinweg
Selektionsvorteil, Kompensation für fehlende sexuelle Vermehrung
z. B. Resistenzen, Erschließen neuer Nährstoffquellen, Reparatur negativer Mutationen, vgl. „Biotechnologie“, vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“

BPE 8.2

Die Schülerinnen und Schüler leiten molekulare Auswirkungen von Genmutationen auf die Funktionstüchtigkeit von Proteinen ab.
Punktmutation, Basenaustausch

Silent, stille Mutation: Funktionserhalt

Missense, Fehlsinnmutation: Erhalt bis Verlust der Funktionstüchtigkeit

Nonsense, Unsinnmutation: Erhalt bis Verlust der Funktionstüchtigkeit des Proteins

Insertion und Deletion

  • bei Vielzahl von drei: entsprechende Verlängerung bzw. Verkürzung der Aminosäurekette, Funktionserhalt bis ‑verlust
  • bei ungleich Vielzahl von drei: Leserastermutation, abhängig von der Position, Funktionseinschränkung bis ‑verlust

BPE 8.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Verfahren zum Screening und zur Isolierung von Mutanten.
Experiment: Ames-Test
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“
Screeningverfahren für Stoffwechselprodukte und Resistenzen
Wiederholung der Mutagenese und der Screening-Schritte mit bereits selektierten Mutanten, Anlegen von Dauerkulturen des besten Klons
Plattierung einer großen Anzahl von Mutanten und Kultivierung unter selektiven Bedingungen, vgl. BPE 3

BPE 8.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern den konjugativen DNA-Transfer mittels F-Plasmids bei E. coli sowie dessen Bedeutung.
Experiment: J. Lederberg und E. Tatum

Unterscheidung von F+- und F--Zellen bzw. Donor und Rezipient

Kontaktaufnahme, Annäherung, Plasmabrückenbildung, Übertragung des F-Plasmids, Trennung der Zellen
Dauer: Übertragung eines 100 kb großen F-Plasmids, etwa 5 min
Übertragungsvorgang: Einzelstrangbruch am oriT, Transfer der ss-DNA des F-Plasmids beginnend mit 5'-Ende vom Donor zum Rezipienten, Replikation im Donor und im Rezipienten, Ringschluss

Erwerb neuer, extrachromosomaler Eigenschaften, abhängig von codierter Information
i. d. R. danach Rezipient auch F+-Zelle, Erhalt nur bei Selektionsvorteil, R-Plasmide, Col-Plasmide, degradative Plasmide, Virulenzplasmide

BPE 8.5

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die Konjugation von F-Plasmiden mit R-Plasmiden und dem Transfer bei Hfr-Stämmen hinsichtlich beteiligter Arten, des Vorgangs und der sich ergebenden Konsequenzen.
Übertragung von R-Plasmiden: identische prinzipielle Schritte, nicht unbedingt Zugehörigkeit zur selben Art, Vermittlung von Resistenzen gegen ein oder mehrere Antibiotika oder Wachstumshemmer
z. B. Schwermetalle
Hfr-Stämme: homologe Rekombination von Donor-DNA in die genomische DNA des Rezipienten, ohne Abbruch ggf. Übertragung des ganzen Genoms, neue Stoffwechseleigenschaften
Anwendung: Lokalisation von Genen auf bakteriellen Genomen

BPE 8.6

Die Schülerinnen und Schüler charakterisieren die Transduktion.
Experiment: Zinder und Lederberg

Übertragung von DNA-Fragmenten zwischen Bakterien: Verpackung auch bakterieller DNA im Phagen, nach Freisetzung der Phagen Invasion weiterer Bakterien und homologe Rekombination des DNA-Konstrukts aus viraler und bakterieller DNA in das Genom des nächsten Bakteriums

BPE 8.7

Die Schülerinnen und Schüler erschließen die prinzipiellen Schritte der bakteriellen Transformation und die damit verbundene Rekombination genetischer Information anhand eines historischen Experiments.
Experiment: Avery und Griffith mit Streptococcus S- und R-Zellen
vgl. „Biotechnologie“
Aufnahme nackter DNA durch kompetente Zellen, auch über Artgrenzen hinweg, Rekombination ins Genom
z. B. bei Nährstoffmangel vgl. „Biotechnologie“, vgl. „Biotechnologisches Praktikum“
Neue genetische Eigenschaften für den aufnehmenden Organismus

Zeit für Leistungsfeststellung

15

105

120

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht
z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
Bakterielle Brennstoffzelle
Biogasanlage
Quorum sensing am Beispiel der Biolumineszenz bei Vibrio fischeri und V. harveyi
Biologische Kläranlage
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 9

Aerobe Dissimilation

20
Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass Stoffwechselleistungen Kennzeichen aller Lebewesen und Grundlage für die biotechnologische Produktion sind. Sie erkennen, dass die Generierung zellulär nutzbarer Energie in Form von ATP die Voraussetzung für den Ablauf endergonischer Prozesse ist. Die Schülerinnen und Schüler wenden ihre Kenntnisse übergeordneter, wiederkehrender Stoffwechsel-Prinzipien auch auf unbekannte Stoffwechselprozesse an und erfassen deren biologische Bedeutung.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler nennen Stoffwechselabschnitte der aeroben Dissimilation und beschreiben deren biologische Bedeutung. Sie stellen die Bilanzreaktionsgleichung der aeroben Dissimilation dar.
Glycolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus, Atmungskette
Kohlenstoffkreislauf: aerobe Dissimilation und Fotosynthese, vgl. BPE 10
Biologische Bedeutung: Gewinnung von Substraten
Energieäquivalenten: ATP/ADP, GTP/GDP, Pi
Reduktionsäquivalenten: NAD+/NADH+H+, FAD/FADH2 für Anabolismus
Pi: anorganisches Phosphat
Stoffbilanz in Summenformelschreibweise

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler benennen Enzymklassen, beschreiben deren Wirkungsweise anhand von Beispielen und benennen die entsprechenden Reaktionstypen.
Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen
vgl. „Biologie“, vgl. „Biologisches Praktikum“
Oxidation, Reduktion
Hydrierung, Dehydrierung
Phosphorylierung, Dephosphorylierung
Hydrolyse, Kondensation
Carboxylierung, Decarboxylierung
Addition an Doppelbindung
Hydratisierung, Dehydratisierung
Isomerisierung

Oxidationszahlen
vgl. „Chemie“

BPE 9.3

Die Schülerinnen und Schüler stellen die Glykolyse im Überblick dar und leiten aus vorliegenden Reaktionen Reaktionstypen, Enzymklassen, fehlende Metabolite oder Cofaktoren ab. Sie skizzieren die biologische Bedeutung der Glykolyse.
Lokalisation

Reaktionsschritte: Metabolite in Strukturformeln
vgl. Formelsammlung
Energie‑, Elektronen- und Protonenüberträger: Cofaktoren in Kurzschreibweise
Donor-Akzeptor-Prinzip, Prinzip der Energiekopplung

Biologische Bedeutung, Gesamtreaktionsbilanz: Stoffbilanz, Energie- und Reduktionsäquivalente
Summenformelschreibweise

BPE 9.4

Die Schülerinnen und Schüler fassen die Reaktionen der oxidativen Decarboxylierung und ihre biologische Bedeutung zusammen.

Lokalisation
Pro‑, Eukaryoten
Pyruvat-Carrier
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, Cofaktoren
Multienzymkomplex
Biologische Bedeutung: Decarboxylierung, Reduktionsäquivalente, Aktivierung: HS-CoA, Acetyl-S-CoA
Coenzym A
Bilanzreaktionsgleichung

BPE 9.5

Die Schülerinnen und Schüler stellen den Citratzyklus im Überblick dar. Sie leiten aus vorliegenden Reaktionen die fehlenden Cofaktoren und Metabolite, die Enzymklassen der beteiligten Enzyme und die Reaktionstypen begründet ab. Die Schülerinnen und Schüler erläutern bei vorliegenden Reaktionen des Citratzyklus Prinzipien des Stoffwechsels und stellen die Energiebilanz des Citratzyklus mit ATP und Reduktionsäquivalenten dar. Sie beschreiben die Bedeutung des Citratzyklus und erläutern die Notwendigkeit auffüllender Reaktionen.
Lokalisation, Kreisprozess
Pro‑, Eukaryoten im Vergleich
Biologische Bedeutung: Decarboxylierungen, vollständige Oxidation, Akzeptor-Regeneration, Ausgangspunkt für Biosynthesen, Energie‑, Reduktionsäquivalente, auffüllende Reaktion: Pyruvat-Carboxylase
vgl. BPE 11 und BPE 13
GTP äquivalent zu ATP

BPE 9.6

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Kompartimentierung als Voraussetzung für die ATP-Synthese mithilfe der chemiosmotischen Theorie. Sie begründen anhand des Redoxpotenzials die Richtung des Elektronentransports bei vorgegebenen Redoxpaaren. Sie erläutern die biologische Bedeutung der Atmungskette und ermitteln die Gesamtreaktionsbilanz der aeroben Dissimilation.
Lokalisation
Pro‑, Eukaryoten im Vergleich
Elektronentransportkette, Protonenpumpen, ATP-Synthase

Chemiosmose: Redoxsysteme, Elektronenübertragung, Protonenpumpen, elektrochemischer Protonengradient, oxidative Phosphorylierung
Konzentrationsgradient, vgl. „Chemie“
Definition: Redoxpotenzial
Elektronenaffinität, vgl. „Chemie“
Biologische Bedeutung, Gesamtreaktionsbilanz: Oxidation der Reduktionsäquivalente, Regeneration von NAD+ und FAD, Energiegewinn: 38 mol ATP pro mol Glucose
verringerte Ausbeute durch z. B. Transportvorgänge

BPE 10

Anaerobe Dissimilation

6

Die Schülerinnen und Schüler erkennen Konsequenzen für den Stoffwechsel, wenn molekularer Sauerstoff als Elektronenakzeptor fehlt, und lernen zwei Beispiele für anaerobe Dissimilation kennen.

BPE 10.1

Schülerinnen und Schüler erläutern die homofermentative Milchsäuregärung von Lactobacillus-Arten.

Milchsäuregärung in Strukturformeln: Glycolyse, Reduktion von Pyruvat zu Lactat

BPE 10.2

Schülerinnen und Schüler vergleichen die alkoholische Gärung bei Saccharomyces cerevisiae mit der Milchsäuregärung und vergleichen aeroben und anaeroben Stoffwechsel in einer Energie- und Stoffbilanz.
Alkoholische Gärung in Strukturformeln: Glycolyse, Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetaldehyd, Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol
vgl. „Mikrobiologisches Praktikum“, vgl. „Biotechnologie“
Vergleichskriterien: Endprodukte mit chemischen Eigenschaften, Energiebilanz, Notwendigkeit für zellulären Stoffwechsel

Energie- und Stoffbilanz von anaerobem mit aerobem Stoffwechsel einschließlich Wirkungsgradberechnung

BPE 11

Besondere Seitenwege des Stoffwechsels

7

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben exemplarisch bakterielle Stoffwechselwege, die für die Vielfalt mikrobieller Biochemie stehen. Sie stellen die Reaktionswege in Strukturformelschreibweise dar. Schülerinnen und Schüler erkennen Zusammenhänge mit der biotechnologischen Produktion.

BPE 11.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Auf- und Abbau der glucoplastischen Aminosäure L-Glutaminsäure bei Prokaryoten und stellen die Verknüpfung mit den ihnen bekannten Stoffwechselwegen dar.
Aufbau von L-Glutaminsäure: reduktive Aminierung in Strukturformeln, Verknüpfung mit Citratzyklus
vgl. BPE 13
Abbau von L-Glutaminsäure: oxidative Desaminierung, Reaktion mit Strukturformeln

BPE 11.2

Die Schülerinnen und Schüler stellen den Stoffwechsel zum Speicherstoff Poly-3-hydroxybutyrat (Poly(3HB)) dar.

Stoffwechselweg ausgehend von Acetyl-CoA zum Poly-3-hydroxybutyrat in Strukturformeln

Anwendung als biologisch abbaubares Polymer

BPE 12

Mikrobielle Ökologie am Beispiel des Elements Stickstoff

7
Die Schülerinnen und Schüler stellen den biogeochemischen Kreislauf von Stickstoff dar und erläutern dessen Bedeutung für die belebte und unbelebte Umwelt. Sie beschreiben am Beispiel Boden den Aufbau eines mikrobiellen Habitats und stellen die grundsätzliche Rolle von Mikroorganismen im Boden dar. Sie erklären die Funktion der Mikroorganismen bei einzelnen Teilschritten des Stickstoffkreislaufs unter Berücksichtigung deren Stoffwechselleistungen.

BPE 12.1

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die biogeochemischen Kreisläufe von Kohlenstoff und Stickstoff schematisch anhand von Schaubildern.
Biogeochemische Kreisläufe von Kohlenstoff, Stickstoff
vgl. „Biologie“
Kreisprozess, Produzenten, Konsumenten, Destruenten, Fixierung

BPE 12.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben exemplarisch den Aufbau des mikrobiellen Habitats Boden und erläutern die grundsätzliche Bedeutung von Mikroorganismen in diesem Habitat.
Definition Habitat

Boden als Standort für Mikroorganismen: Bodenfeuchte, Salzgehalte, Sauerstoffgehalte

Pilze, Bakterien, Verteilung im Boden, Bodenverbesserung durch Mikroorganismen
z. B. Mineralisation, Abbau von organischem Material, Humusbildung

BPE 12.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Nitrifikation und Denitrifikation im Zusammenhang mit dem Stickstoffkreislauf unter Berücksichtigung der Stoffwechselleistungen anaerober bzw. aerober Mikroorganismen.

Stickstofffixierung durch frei lebende und symbiotische Mikroorganismen
Vergleich zu Haber-Bosch-Verfahren
Beteiligte Verbindungen diffundieren zwischen aeroben und anaeroben Bereichen

Nitrifikation: Ammoniakoxidation über Nitrit zu Nitrat (aerobe Mikroorganismen), Reduktion durch Anaerobier zu molekularem Stickstoff (Denitrifikation)
z. B. biologische Abwasserreinigung
Ionen als Form des Stickstoffs zur Assimilation durch Pflanzen

BPE 13

Industrielle Mikrobiologie

10
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben anhand von Beispielen die Rolle von Mikroorganismen in der industriellen Mikrobiologie. Der Unterschied zwischen Wildstämmen und Produktionsstämmen wird von ihnen analysiert. Am Beispiel der Glutamatproduktion erläutern die Schülerinnen und Schüler die biochemischen Synthesen, die Regulation der Bildung sowie die Ausscheidung des Produkts ins Medium. Außerdem werden Verfahren zur Produktionskontrolle von den Schülerinnen und Schülern dargestellt.

BPE 13.1

Die Schülerinnen und Schüler formulieren einen Überblick der Veränderungen im Produktionsstamm zur Optimierung der Produktausbeute. Sie stellen die Unterschiede von Produktionsstämmen zu den ursprünglichen Wildstämmen dar.

Sicherheit: GRAS-Status (Generally Recognized As Safe)

Ungerichtete Mutagenese, optimierte Genregulation, Genduplikation

Verbesserte Substrataufnahme, Bereitstellung biochemischer Vorstufen und Reduktionsäquivalenten, Aufhebung limitierender Biosyntheseschritte, Verhinderung der Nebenproduktbildung, verbesserter Export, Verhinderung des Abbaus

Vergleichskriterien: Gefährdungen, gesetzliche Regelungen, Akzeptanz, Produktausbeute, Kultivierung

BPE 13.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern Veränderungen in biochemischen Abläufen im Produktionsstamm sowie optimierte Produktionsbedingungen zur biotechnologischen Gewinnung von Glutamat.

Anaplerotische Reaktionen: Pyruvat-Carboxylase und Phosphoenolpyruvat-Carboxylase

Regulation: Aktivität der Ketoglutarat-Dehydrogenase

Exportprotein mit erhöhter Aktivität

Produktionsbedingungen: Stabilisierung des pH-Werts durch Basenzugabe, ausreichende Versorgung mit Sauerstoff und Ammoniak

BPE 13.3

Die Schülerinnen und Schüler skizzieren Methoden der Überwachung des mikrobiellen Produktionsprozesses und vergleichen die Kontrollverfahren.

Hygiene- und Kontaminationskontrollen: Abklatschproben, Mikroskopie, Indikatornährböden, PCR
vgl. BPE 5
Bestimmung von Zellzahl- bzw. Biomassenkonzentration
vgl. BPE 4.1
Bestimmung von: \(v\), \(\mu\) und \(\mu\)max, \(t_D\) und \(g\)
vgl. BPE 4.4
Kriterien: Genauigkeit, Aufwand

Zeit für Leistungsfeststellung

10

70

80

Operatorenliste

In den Zielformulierungen der Bildungsplaneinheiten werden Operatoren (= handlungsleitende Verben) verwendet. Diese Zielformulierungen legen fest, welche Anforderungen die Schülerinnen und Schüler in der Regel erfüllen. Zusammen mit der Zuordnung zu einem der drei Anforderungsbereiche (AFB; I: Reproduktion, II: Reorganisation, III: Transfer/Bewertung) dienen Operatoren einer Präzisierung der Zielformulierungen. Dies sichert das Erreichen des vorgesehenen Niveaus und die angemessene Interpretation der Standards.

Anforderungsbereiche


Anforderungsbereiche:
Anforderungsbereich I umfasst die Reproduktion und die Anwendung einfacher Sachverhalte und Fachmethoden, das Darstellen von Sachverhalten in vorgegebener Form sowie die Darstellung einfacher Bezüge.
Anforderungsbereich II umfasst die Reorganisation und das Übertragen komplexerer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Anwendung von technischen Kommunikationsformen, die Wiedergabe von Bewertungsansätzen sowie das Herstellen von Bezügen, um technische Problemstellungen entsprechend den allgemeinen Regeln der Technik zu lösen.
Anforderungsbereich III umfasst das problembezogene Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Auswahl von Kommunikationsformen, das Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten.
Operator Erläuterung Zuordnung
Anforderungsbereiche
ableiten
auf der Grundlage relevanter Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen
 II
abschätzen
auf der Grundlage von begründeten Überlegungen Größenordnungen angeben
 II
analysieren, untersuchen
für eine gegebene Problem- oder Fragestellung systematisch bzw. kriteriengeleitet wichtige Bestandteile, Merkmale oder Eigenschaften eines Sachverhaltes oder eines Objektes erschließen und deren Beziehungen zueinander darstellen
 II
anwenden, übertragen
einen bekannten Zusammenhang oder eine bekannte Methode zur Lösungsfindung bzw. Zielerreichung auf einen anderen, ggf. unbekannten Sachverhalt beziehen
 II, III
aufbauen
Objekte und Geräte zielgerichtet anordnen und kombinieren
 II
aufstellen
fachspezifische Formeln, Gleichungen, Gleichungssysteme, Reaktionsgleichungen oder Reaktionsmechanismen entwickeln
 II
auswerten
Informationen (Daten, Einzelergebnisse o. a.) erfassen, in einen Zusammenhang stellen und daraus zielgerichtete Schlussfolgerungen ziehen
 II, III
begründen
Sachverhalte oder Aussagen auf Regeln, Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Zusammenhänge oder weitere nachvollziehbare Argumente zurückführen
II
benennen, nennen, angeben
Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten oder Fakten ohne Erläuterung und Wertung aufzählen
 I
beraten
eine Entscheidungsfindung fachkompetent und zielgruppengerecht unterstützen
 III
berechnen
Ergebnisse aus gegebenen Werten/Daten durch Rechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen
 II
beschreiben
Strukturen, Situationen, Zusammenhänge, Prozesse und Eigenschaften genau, sachlich, strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten darstellen, dabei wird auf Erklärungen oder Wertungen verzichtet
 I, II
bestimmen
Sachverhalte und Inhalte prägnant und kriteriengeleitet darstellen
 I
bestätigen, beweisen, nachweisen, überprüfen, prüfen
die Gültigkeit, Schlüssigkeit und Berechtigung einer Aussage (z. B. Hypothese, Modell oder Naturgesetz) durch ein Experiment, eine logische Herleitung oder sachliche Argumentation belegen bzw. widerlegen
 III
beurteilen, Stellung nehmen
zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf Fachwissen sowie fachlichen Methoden und Maßstäben begründete Position über deren Sinnhaftigkeit vertreten
III
bewerten, kritisch Stellung nehmen
zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf gesellschaftlich oder persönliche Wertvorstellungen begründete Position über deren Annehmbarkeit vertreten
III
charakterisieren
spezifischen Eigenheiten von Sachverhalten, Objekten, Vorgängen, Personen o. a. unter leitenden Gesichtspunkten herausarbeiten und darstellen
 II
darstellen, darlegen
Sachverhalte, Strukturen, Zusammenhänge, Methoden oder Ergebnisse etc. unter einer bestimmten Fragestellung in geeigneten Kommunikationsformaten strukturiert und ggf. fachsprachlich wiedergeben
 I, II
diskutieren, erörtern
Pro- und Kontra-Argumente zu einer Aussage bzw. Behauptung einander gegenüberstellen und abwägen
 III
dokumentieren
Entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzen zu einem Sachverhalt bzw. Vorgang angeben und systematisch ordnen
 I, II
durchführen
eine vorgegebene oder eigene Anleitung bzw. Anweisung umsetzen
 I, II
einordnen, ordnen, zuordnen, kategorisieren, strukturieren
Begriffe, Gegenstände usw. auf der Grundlage bestimmter Merkmale systematisch einteilen; so wird deutlich, dass Zusammenhänge unter vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten begründet hergestellt werden
 II
empfehlen
Produkte und Verhaltensweisen kunden- und situationsgerecht vorschlagen
 II
entwickeln, entwerfen, gestalten
Wissen und Methoden zielgerichtet und ggf. kreativ miteinander verknüpfen, um eine eigenständige Antwort auf eine Annahme oder eine Lösung für eine Problemstellung zu erarbeiten oder weiterzuentwickeln
 III
erklären
Strukturen, Prozesse oder Zusammenhänge eines Sachverhalts nachvollziehbar, verständlich und fachlich begründet zum Ausdruck bringen
I, II
erläutern
Wesentliches eines Sachverhalts, Gegenstands, Vorgangs etc. mithilfe von anschaulichen Beispielen oder durch zusätzliche Informationen verdeutlichen
 II
ermitteln
einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren
 I, II
erschließen
geforderte Informationen herausarbeiten oder Sachverhalte herleiten, die nicht explizit in dem zugrunde liegenden Material genannt werden
 II
formulieren
Gefordertes knapp und präzise zum Ausdruck bringen
 I
herstellen
nach anerkannten Regeln Zubereitungen aus Stoffen gewinnen, anfertigen, zubereiten, be- oder verarbeiten, umfüllen, abfüllen, abpacken und kennzeichnen
 II, III
implementieren
Strukturen und/oder Prozesse mit Blick auf gegebene Rahmenbedingungen, Zielanforderungen sowie etwaige Regeln in einem System umsetzen
 II, III
informieren
fachliche Informationen zielgruppengerecht aufbereiten und strukturieren
 II
interpretieren, deuten
auf der Grundlage einer beschreibenden Analyse Erklärungsmöglichkeiten für Zusammenhänge und Wirkungsweisen mit Blick auf ein schlüssiges Gesamtverständnis aufzeigen
 III
kennzeichnen
Markierungen, Symbole, Zeichen oder Etiketten anbringen, die geltenden Konventionen und/oder gesetzlichen Vorschriften entsprechen
 II
optimieren
einen gegebenen technischen Sachverhalt, einen Quellcode oder eine gegebene technische Einrichtung so verändern, dass die geforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfüllt werden
 II, III
planen
die Schritte eines Arbeitsprozesses antizipieren und eine nachvollziehbare ergebnisorientierte Anordnung der Schritte vornehmen
 III
präsentieren
Sachverhalte strukturiert, mediengestützt und adressatengerecht vortragen
 II
skizzieren
Sachverhalte, Objekte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und übersichtlich darstellen
 I
übersetzen
einen Sachverhalt oder einzelne Wörter und Phrasen wortgetreu in einer anderen Sprache wiedergeben
 II
validieren, testen
Erbringung eines dokumentierten Nachweises, dass ein bestimmter Prozess oder ein System kontinuierlich eine Funktionalität/Produkt erzeugt, das die zuvor definierten Spezifikationen und Qualitätsmerkmale erfüllt
 I
verallgemeinern
aus einer Einsicht eine Aussage formulieren, die für verschiedene Anwendungsbereiche Gültigkeit besitzt
 II
verdrahten
Betriebsmittel nach einem vorgegebenen Anschluss‑/ Stromlaufplan systematisch elektrisch miteinander verbinden
 I, II
vergleichen, gegenüberstellen, unterscheiden
nach vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten problembezogen Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln und gegenüberstellen sowie auf dieser Grundlage ggf. ein gewichtetes Ergebnis formulieren
 II
wiedergeben
wesentliche Information und/oder deren Zusammenhänge strukturiert zusammenfassen
 I
zeichnen
einen beobachtbaren oder gegebenen Sachverhalt mit grafischen Mitteln und ggf. unter Einhaltung von fachlichen Konventionen (z. B. Symbole, Perspektiven etc.) darstellen
 I, II
zeigen, aufzeigen
Sachverhalte, Prozesse o. a. sachlich beschreiben und erläutern
 I, II
zusammenfassen
das Wesentliche sachbezogen, konzentriert sowie inhaltlich und sprachlich strukturiert mit eigenen Worten wiedergeben
I, II

Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg

Stuttgart, 07.09.2024
Bildungsplan für das Berufskolleg
hier: Berufskolleg für biotechnologische Assistenten
Berufskolleg für technische Assistenten (Bildungsplan zur Erprobung)
Vom
Aktenzeichen KM 41-6623-3/4/1

I.

II.

Für das Berufskolleg gilt der als Anlage beigefügte Bildungsplan.
Der Bildungsplan gilt
für das Schuljahr 1 ab 1. August 2023.
für das Schuljahr 2 ab 1. August 2024.

Mikrobiologie– Bildungsplan zur Erprobung
Bildungsplan für das Berufskolleg
Biotechnologische Assistenten

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