23 alltagsbezogene Versuche zu biologischen Prozessen

Astrid Wasmann

Klasse 7–10

Biologie begreifen:

Pilze und Bakterien

Mit CD

Astrid Wasmann

Downloadauszug aus dem Originaltitel:

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Biologie begreifen:Pilz- und BakterienkolonienPilze und Bakterien – alltagsbezogene Versuche zu biologischen Prozessen

Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im eigenen Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gestattet, nicht jedoch für einen schulweiten Einsatz und Gebrauch, für die Weiterleitung an Dritte (einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kollegen), für die Veröffentlichung im Internet oder in (Schul-)Intranets oder einen weiteren kommerziellen Gebrauch. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Verstöße gegen diese Lizenzbedingungen werden strafrechtlich verfolgt.

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Diese Seite führt in die Besonderheiten mikrobiologischen Arbeitens ein.

Zur NomenklaturDer Begriff Mikroorganismen umfasst alle kleinsten Organismen wie einzellige Pilze, Bakterien und Viren. Auf Viren geht dieses Heft jedoch nicht ein – zum einen, weil viele Biologen sie nicht als Lebewesen betrachten, zum ande-ren, weil man sie nicht mit einem einfachen Mikroskop sichtbar machen kann. Statt von Mikroorganismen spricht man auch oft vereinfacht von Mikroben, vor allem im Zusammenhang mit der Besiedlung des Menschen.

Zu den NährbödenPilze und Bakterien wachsen auf Nährböden, die mit spezifischen Nährstoffen versorgt sind. Es gibt gekochte Nährböden, diese werden auch Nährbouillon genannt. Damit die Böden fest werden, gibt man in der Regel Agar- Agar hinzu, ein pflanzliches Geliermittel, das aus Algen gewonnen wird. Schon Louis Pasteur verwendete für die Kultivierung von Bakterien Agar-Agar. Diese Methode hält sich seit 150 Jahren in der Mikrobiologie, weshalb die Nährböden auch Nähragar oder Agarplatten heißen. Allerdings entwickeln sich nur etwa zehn Prozent der Keime auf Nährböden. Für die anderen Arten stimmen die Lebensbedingungen wie pH-Wert oder Nährstoffe nicht.Den unterschiedlichen Bedürfnissen der Mikroben wird man gerecht, indem man verschiedene Nährmedien ansetzt. Milchsäurebakterien etwa wachsen eher schlecht auf Standard-Nähragar. Gibt man aber zwei Gramm Milchzucker auf 1000 Milliliter Nährmedium hinzu, wachsen sie sehr wohl, denn nun liegt ihr Hauptnahrungsmittel vor. Ebenso geht es den Hefen. Sie benötigen Malz oder Zuckerrübensirup und schon gedeihen sie prächtig. Wenn Sie also mit Hefe als Modellorganismus arbeiten wollen, setzen Sie das für Hefe spezifische Nährmedium an.Die mikrobiologischen Ansätze hier im Heft sind so gewählt, dass Sie immer den Standard-Nähragar benutzen können, dem Sie dann entweder Milchzucker, Stärke oder Zuckerrübensirup zusetzen. Der Nähragar mit Zucker- rübensirup ist deutlich ocker bis hellbraun gefärbt, während die anderen Agarplatten sehr hell sind.

Zu den MikroorganismenAn entsprechender Stelle der Experimente weise ich mehrfach auf die Gefährlichkeit von nicht bekannten Mikro- organismen hin! Behandeln Sie eine unbekannte Probe immer so, als enthielte sie Krankheitserreger. Also: abkle-ben, nicht wieder öffnen und autoklavieren, erst dann entsorgen!Reinkulturen bestimmter Bakterienarten werden in Forschungslabo-ren gezüchtet. Man kann sie über den Versand bestellen. Diese Kulturen darf man öffnen und überimpfen, zum Beispiel für die Versuche mit Hemmstoffen. Die Laborkulturen sind nicht pathogen. Solche Bakterienstämme sind: Escherichia coli K-12; Bacillus subtilis; Micrococcus luteus.Schulen als Bildungseinrichtungen erhalten diese Reinkulturen bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) zu günstigen Preisen (Adresse siehe rechts).Die Mikroorganismen lassen sich im Kühlschrank gut ein halbes Jahr lagern. Danach funktionieren sie immer noch.Die hier vorgestellten Versuche kommen aber auch ohne Labor- kulturen aus, wenn Sie selbst eine Hefesuspension mit Wasser ansetzen. Hefezellen dienen bei den Experimenten dieses Hefts als Modellorganismen, um die Hemmung des Wachstums und eine Infektionskette zu zeigen. Andere Versuche basieren auf Abklatsch-techniken.

Zur SicherheitFür Mikrobiologie in Schulen brauchen Sie folgende Mindestaus-stattung: sterile Petrischalen, Impfösen, Parafilm, Standard-Nähr- boden, Agar-Agar, Autoklavierbeutel und einen Autoklav (Dampf-kochtopf geht auch) sowie Desinfektionsmittel. Bestelladressen sind rechts angegeben. Die im Umgang mit Bakterien erforderlichen Sicherheitsbestim-mungen können Sie in den Empfehlungen der Kultusministerkonfe-renz (KMK) nachlesen: www.kmk.org/fileadmin/doc/Bildung/PDF-IID/RISU-KMK_Empf-03.pdf (letzter Aufruf 30.01.2015).

Mikrobiologisches Arbeiten in der Schule

Bestellung von Mikroorganismen

DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)Inhoffenstraße 7 B38124 BraunschweigTelefon: 0049-(0)531/2616-0Telefax: 0049-(0)531/2616-418www.dsmz.de

Bestellung von mikrobiologischem Labormaterial

Windaus-Labortechnik GmbH & Co. KGBauhofstraße 938678 Clausthal-ZellerfeldTelefon: 0049-(0)5323/718-0Telefax: 0049-(0)5323/718-111E-Mail: info@windaus.dewww.winlab.de

Klüver & Schulz GmbH Osterbrooksweg 13a 22869 SchenefeldTelefon: 0049-(0)40/840 52 18-0 Telefax: 0049-(0)40/840 52 18-55 E-Mail: info@klueverundschulz.de Internet: www.klueverundschulz.de

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Abklatschversuche I und II

ZieleDie Schüler lernen, dass viele verschiedene Bakterien den Menschen besiedeln.

SachanalyseDie Besiedelung des Menschen durch Bakterien und Pilze erfolgt bald nach der Geburt. Zählt man das Gewicht aller Mitbewohner am und im Menschen zusammen, kommt man auf ca. ein Kilogramm zusätzliches Gewicht. Der Mensch ist sogar von mehr Bakterienzellen besiedelt, als er selbst Zellen hat. Ohne Bakterien würde der Mensch keine pflanzliche Nahrung verdauen können. Nur Bakterien sind in der Lage, Zellulose abzubauen, einen chemischen Stoff der pflanzlichen Zellwände. Je nach Bakterienflora im Darm verdauen Menschen verschiedene Nahrungsmittel unterschiedlich gut. Beispielsweise ist Escherichia coli ein wichtiger Darmbewohner, ohne den die Verdauung schwierig wäre. Echerichia coli ist mittlerweile zum „Haustier“ der Mikro-biologen geworden. Es wird als nicht-virulente Variante E. coli K 12 gezüchtet und zu Forschungszwecken in allen möglichen Varianten verwendet. Man kann ihn auch für die Schule einfach bestellen.Besonders gehäuft finden sich Bakterien an Händen, in den Achseln, im Schambereich und an den Füßen. Auch der Mund ist intensiv besiedelt. Bakterien bilden ein Schutzschild aus Säure gegen pathogene (= krankmachende) fremde Erreger und schützen so den Menschen vor Infektionen. Die Zusammensetzung der Bakterienflora unter-scheidet sich von Mensch zu Mensch. Sie ist sozusagen wie ein individueller Fingerabdruck. An einigen Fingern überwiegen die gelben Bakterienkolonien der Luft, bei anderen sind eher Pilzkolonien gewachsen.

KompetenzenDie Schüler erwerben Kompetenzen im sterilen Arbeiten, Experimentieren und Protokollieren. Sie bauen Bewusst-sein zur Körperhygiene auf.

Methodische HinweiseDie Petrischalen dürfen auf keinen Fall mehr geöffnet werden. Nach Auswertung der Kolonien muss man sie in einem Autoklavierbeutel wieder abkochen oder besser noch autoklavieren. Dann können Sie sie im normalen Müll entsorgen.Machen Sie Ihren Schülern deutlich, dass die Besiedlung durch Bakterien nichts Unnormales ist, sondern etwas ganz Natürliches. Hält man sich durch ständiges Desinfizieren Keime vom Leib, kann das Immunsystem mit allergi-schen Reaktionen außer Balance geraten. Zwei farbige Bestimmungstafeln mit Bakterien- bzw. Pilzkolonien siehe Seite 9 und 10.

Tipps Motivieren Sie Ihre Schüler, einmal Mund, Zunge oder den großen Zeh auf eine sterile Platte zu drücken. Die Abdrücke sind voller Bakterienkolonien, da hier die Besiedlung besonders intensiv ist.

Tafelbild/Ergebnis

ein Bakterium (nicht sichtbar) eine Bakterienkolonie besteht aus Millionen

einzelner Bakterien- zellen.

Anordnung der Kolonien nach zwei Tagen: Die Petrischale enthält acht Bakterienkolonien. Bei der Beimpfung waren also acht einzelne Bakterien auf dem Nährboden gelandet. Sie sehen alle gleich aus: gelb und kreisrund. Sie gehören also zu derselben Bakterienart.

Man zeichnet:

Bakterienkolonie

nach zwei Tagen Inkubationszeit

Original Zeichnung

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Pilz- und Bakterienkolonien erkennen

Nur zehn Prozent der Bakterien und Pilze wachsen auf den Nährböden zu Kolonien heran. Hefe wächst besonders gut auf Zuckerrübensirup, Milchsäurebakterien benötigen Milchzucker zum Gedeihen. Bacillus subtilis und Escherichia coli wachsen auf Standard-Nährboden gut.

Um die Bakterienarten herauszufinden, sind chemische Analysen nötig, die nicht schulgeeignet sind. Beschränken Sie sich daher darauf, die Vielfalt und Zahl der Kolonien zu bestimmen.

Aussehen von Kolonien

Pilze (Seitenansicht)

watteartig, wächst auch im Nährboden

Bakterien (Seitenansicht)

konvex gewölbt, kreisrund

unregelmäßi-ger Hügel, gewellt oder eingedellt

Spitze in der Mitte, rund

Was wächst auf den Petrischalen?

Foto Zeichnung

Diese Petrischale enthält 21 Bak- terienkolonien. Davon sind vier gelb. Das lässt darauf schließen, dass diese aus typischen Luftbak-terien bestehen. Die anderen Kolonien sind weiß und beige. Die gelben sind gewölbt. Die anderen haben eine flache Struktur. Kolo- nien können auch nach Merkma-len wie schleimig, glänzend oder glatt unterschieden werden.

Kolonien auf Nähragar

Auf dieser Petrischale wachsen eine Bakterienkolonie und drei verschiedene Pilzkolonien. Die Hyphen wachsen von einer Spore aus konzentrisch. Sie bilden fadenförmige Kolonien. Die dunklen Stellen sind die Sporen, die hellen die Hyphen. Pilze brauchen länger als Bakterien, um eine Kolonie zu bilden.

Gewachsene Pilzkulturen auf Nähragar

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SAbklatschversuch I

BeschriftenVerkleben mit ParafilmDrücken

Versuchsfrage Wie viele verschiedene Mikroorganismen leben an unseren Händen?

Material 3 Petrischalen mit sterilem Nährboden, Seife, Sterillium, Parafilm, Schere, Wärmeschrank

Durchführung

Das Vorhandensein der Bakterien und Pilze erkläre ich so:

Öffnet die erste Petrischale leicht und drückt vorsichtig einen Daumen auf den Nährboden. Verschließt dann die Petrischale mit Parafilm und beschriftet, wer wo einen Abdruck gemacht hat.Stellt die verschlossene Petrischale bei 30 Grad Celsius in den Wärmeschrank.

BeobachtungZeichne, wie es nach zwei Tagen in den Schalen aussieht.

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Besiedlung der Daumen

Daumenabdrücke

Man erkennt die Abdrücke der verschiedenen Schülerdaumen genau. Sie kommen durch intensives Bakterien- und Pilzwachstum zustande. Verschiedene Bakterienkolonien sind ineinander gewachsen. Es sind beige, gelbe, hell-rosa und weißliche Kolonien zu erkennen. Die Bakterienarten, die diese Kolonien bilden, gehören zu der normalen Bakterienflora an den Händen eines gesunden Menschen. Mikroorganismen nutzen die in den Fingerrillen sitzenden Eiweiße und Fette als Nahrungsquelle. Als Endprodukt des Nahrungsabbaus wird Säure gebildet. Diese Säure hält andere, möglicherweise krankmachende Bakterien und Pilze davon ab, den Menschen zu infizieren. Insofern sind die Mikro- organismen auf dem Menschen ein Schutzschild gegen Angriffe durch Krankheitserreger. Die unterschiedliche Besiedlung der Daumen zeigt, dass jeder Mensch von einer etwas anderen Bakterienflora besiedelt wird. Der mikrobielle Daumenabdruck ist so spezifisch wie der Personal- ausweis. Solche Abdrücke könnten verwendet werden, um Verbrechen aufzuklären.

Daumen 1

Daumen 2

Daumen 3

Daumen 4

Daumen 5

Daumen 4

Daumen 4 ist überwiegend von Luftbakterien besiedelt. Das erkennt man an der gelben Farbe der Bakterien-Kolonien. Mikrococcus luteus, das gelbe Luftbakterium, kommt sehr häufig vor. Es hat Carotine eingelagert, daher die gelbe Farbe. Dieser Farbstoff, den wir auch aus Karotten und Paprika kennen, dient dem Abschirmen gegen die UV-Strahlung der Sonne. Diese würde das Innenleben der Bakterienzellen zerstören. Das Bakterium ist harmlos. Es lebt in der Luft und kann daher auch auf der Oberfläche des Menschen siedeln.

Daumen 3

Auf Daumen 3 wachsen viele kleine weiße und flache Kolonien. Die Kolonien in der Mitte des Abdrucks sind kleiner als die äußeren. Das wird auch bei Daumen 1 sehr deutlich. Das liegt daran, dass die Konkur-renz durch umliegende Bakterien ihnen die Nährstoffe nimmt. Sie können sich daher nicht vermehren. Da alle Kolonien gleich aussehen, kann man davon ausgehen, dass es sich um die gleiche Bakterienart handelt: Sie brauchen die selben Nährstoffe, diesel-be Temperatur, denselben Säuregrad, um zu leben und zu wachsen. Aber sie machen sich gegenseitig starke Konkurrenz. Da wir an Daumen 3 nur einen Kolonietyp erken-nen, können wir schließen, dass dieses Bak-terium alle anderen Bakterienstämme davon abhält, auf dem Daumen Fuß zu fassen.

Daumen 2

Daumen 2 weist am wenigsten Kolonien auf. Man kann sie noch zählen. Einzelne Kolonien könnten Pilzkolonien sein. Diese neigen dazu, bakterientötende Stoffe auszusenden. So schaffen sie sich ein Umfeld, in dem sie selbst gut gedeihen. Eine der Kolonien ist größer als alle anderen.

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SAbklatschversuch II: Besiedlungsdichte am Menschen

So deute ich die Ergebnisse:

VersuchsfrageWie viele verschiedene Mikroorganismen leben an unserem Körper?

MaterialMehrere Petrischalen mit sterilem Nährboden, Parafilm, Schere, Wärmeschrank, wasserfester Stift

DurchführungStelle von verschiedenen Körperbereichen einen Abklatsch her:

(1) Arbeitet zu zweit.(2) Drücke deine Zähne, deine Zunge oder deine Lippen leicht auf eine Agarplatte. Verschließe die

Petrischale mit Parafilm und beschrifte.(3) Halte eine sterile Agarplatte kurz an das Ohrläppchen deines Partners und drücke leicht an.

Verschließt die Petrischale mit Parafilm und beschriftet. (4) Wiederholt den Versuch mit einer Zehe, Ellenbogen oder was euch sonst noch einfällt. (5) Stellt die Proben für zwei Tage in einen Wärmeschrank.(6) Findet mithilfe der Bestimmungstafeln heraus, welche Bakterien gewachsen sind.

BeobachtungZeichne hier die Verteilung deines Abklatsches.

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Besiedlungsdichte und Vielfalt am Menschen

Bakterien auf den Lippen

Die Form der Lippen ist an den gewachsenen Bakterienkolonien noch zu erkennen, denn auf den Lippen siedeln viele harmlose Bakterien. Sie bilden die natürliche Mundflora. Also keine Angst vorm Küssen! Einem gesunden Mensch können die Mund- bakterien nichts anhaben. Im Gegenteil: Sie sind sozusagen die „Türsteher“, die so manchen krankmachenden Keim nicht hineinlassen.

Bakterien auf der Zunge

Auf der Zunge befinden sich besonders viele Bakterien. Hier ist es immer feucht und es gibt genug Essensreste, von denen noch viele Millionen Bakterien satt werden. Nehmen allerdings zum Beispiel Milchsäurebakterien im Mund überhand, kommt es zur Zahnkaries und die Zähne bekommen Löcher. Andere Bakterien im Übermaß können das Zahnfleisch schädigen. Der Zahnarzt stellt dann eine Parodontitis fest. Durch tägliches Zähneputzen kann man die Mundflora aber einigermaßen im Griff halten.

Bakterien am Ohrläppchen

Die Verteilung der Bakterien am menschlichen Körper ist sehr unterschiedlich. Am Ohr siedeln wenige Bakterien. Ihre Kolonien sind klein. Warum? Am Ohr ist es recht trocken – eine ungüns- tige Lebensgrundlage für Bakterien.

Übrigens wachsen nur etwa zehn Prozent der Bakterien und Pilze, die am Menschen vorkommen, auf den vorbereiteten Nährböden. Für die restlichen Mikroorganismen stimmen die Lebensbedingungen der vorbereiteten Petrischalen nicht.

Bakterien am großen Zeh

Am großen Zeh tummeln sich die meisten Bakterien. Der dichte Besatz vieler kleiner Kolonien lässt die Form des Zehs deutlich erkennen. Die gelben Kolonien bestehen aus dem Luftbakterium Micrococcus luteus.

Vergleicht man dieses Ergebnis mit dem der Daumenabrücke, fällt auf, dass es hier am Zeh viel mehr Bakterien als am Daumen gibt: Am Zeh ist es feucht und die abgestoßene Hornhaut mit toten Zellen ist ein gefundenes Fressen für die Bakterien.

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Lebensraum Mensch für Bakterien

Ein gesunder Mensch ist von zahlreichen Bakterienarten besiedelt. Die meisten von ihnen sind harmlose Mitbewohner der Haut oder des Darms. Sie schaden unserem Körper nicht. Im Gegenteil, sie bilden einen Säureschutzmantel, der die Besiedlung durch krankmachende (= pathogene) Keime von außen erschwert.

Im Mund

In einem Milliliter Speichel befinden sich etwa eine Billion Bakterien. Denn auf den Zähnen und am Zahnfleisch lebt es sich gut von den Essensresten des Menschen. Eiweiße und Kohlenhydrate (Zucker, Stärke) sind klassische Nahrungsquellen für Bakterien. Zahnkaries wird durch ein Bakterium namens Streptococcus mutans ausgelöst.

Auf der Haut

Die menschliche Haut ist von rund zehn Milliarden (1010) Mikroorganis-men besiedelt. Je nach Körperregion leben unterschiedlich viele Bakterien und Pilze. In bestimmten Hautregio-nen kommen 1000 Mikroorganismen auf einen Quadratzentimeter Haut. Früher haben Kinder barfuß Weiß-kohl und Weinreben getreten. Auf diese Weise gelangten natürliche „Starterkulturen“ der Milchsäure- bakterien in großen Mengen in den Verarbeitungsprozess. Die Gärung wurde quasi per Fußabdruck aus- gelöst.

Mensch und Bakterien

Weit über 1000 verschiedene Bakterienar-ten leben im oder am menschlichen Körper. Jeder Mensch trägt etwa zehnmal so viele Bakterienzellen, wie er Körperzel-len hat. Der Mensch wiegt durch die Bakterien, die er mit sich schleppt, unge-fähr ein Kilogramm mehr. Die meisten Bakterienarten sind gutartig, nur wenige machen den Menschen krank. Manche Bakterien werden erst bei einem ge-schwächten Immunsystem gefährlich.

Im Darm

Im Darm siedeln unvorstellbar viele Bakterien. Es sollen 70 Billionen sein. Ohne sie würde der Mensch wichtige Nahrungsmittel nicht verdauen können. So sind ausschließlich Bakterien in der Lage, Zellulose abzubauen, den Stoff der pflanzlichen Zellwände. Also alle Salate, Gemüsesorten und Obst sowie Getreide können wir nur mithilfe von Bakterien verdauen. Andere Bakterien schließen die Nahrungsmittel so auf, dass Vitamine entstehen, beispielsweise Vitamin K. Der Magen hingegen beherbergt wenige Bakterien. Das liegt an dem stark sauren Magenmilieu mit einem pH von 1.

Verteilung der Bakterien am Körper

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Bestimmungstafel: Vielfalt der Bakterienkolonien

Milchsäurebakterien:weiße Kolonien

Bakterienkolonien: weiß und flach

Gelbes Luftbakterium Micrococcus luteus: gelb, rund, häufiger Luftkeim

Kolonie typisch für Bakterien aus der Luft

Verschiedene Kolonien: konvex, glänzend

Milchsäurebakterien auf Komplett-Agar

Bacillus subtilis, Heubazillus

Escherichia coli, K 12 auf Komplett-Agar

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Bestimmungstafel: Vielfalt der Pilzkolonien

Hefepilz: Yarrowia lipolyticatypisch: die Falten

Strahlenpilz

Pilz: überwuchert schnell die gesamte Petrischale

Hefepilz: Candida utilis

Schimmelpilz: Penicillium spec., Hyphen bilden konzentrische Kreise

Bäckerhefe: Saccharomyces cerevisiae

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Redaktion: Daniel MarquardtLektorat: Cornelia Reichert, BremenSatz: Satzpunkt Ursula Ewert GmbH, BayreuthCoverfoto: © nikkytok – Fotolia.comIllustrationen: Dr. Astrid Wasmann

Bestellnr.: 10339DA10

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Biologie begreifen: Pilze und Bakterien

Dr. Astrid Wasmann ist verheiratet und hat drei erwachsene Kinder. Sie war als Oberstudienrätin an einer Gesamtschule und einem Gymnasium tätig und war Kreisfachberaterin für Umwelt und Natur. Dazu hat sie viele Lehrerfortbildungen gehalten. Im naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht hat sie innovative Konzepte erprobt. Ihr Schwerpunkt ist offener, experimenteller Unterricht. Sie ist Autorin zahlreicher Veröffentlichungen. Von 2012 bis 2014 arbeitete sie als Vertretungsprofessorin für Biologiedidaktik.

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