Was sind Clostridium acetobutylicum-Bakterien?
Clostridium acetobutylicum ist ein grampositives Bakterium, welches aus der Gattung der Clostridien stammt. Da das Bakterium in der Lage ist, durch Enzyme (fermentativ) Butanol und Aceton herzustellen, kommt ihm eine besondere biotechnologische Bedeutung zu. C. acetobutylicum-Bakterien kommen vor allem in Sedimenten von Gewässern, Böden, aber auch in vielen anderen Lebensräumen vor. Bei vielen Organismen kann das C. acetobutylicum-Bakterium zudem in der Darmflora nachgewiesen werden. Wie viele Closteridien wird das Bakterium daher als ubiquitär eingestuft, d.h. es wird davon ausgegangen, dass es überall vorkommt.
Durch welche Eigenschaften zeichnen sich die Clostridium acetobutylicum-Bakterien aus?
Clostridium acetobutylicum zählt zu einem grampositiven Bakterium, bestehend aus einem zirkulären Chromosom und einem zirkulären Plasmid. Als anaerobes Bakterium benötigt das Clostridium acetobutylicum zur Bildung von Fortpflanzungszellen eine sauerstofffreie Basis. Das Bakterium ist unter aeroben Bedingungen in der Lage, bereits nach wenigen Stunden Endosporen auszubilden. Diese können sogar mehrere Jahre in sauerstoffreichen Substraten fortbestehen. Unter anaeroben Bedingungen sind sie dann wiederum dazu fähig, Endosporen zu bilden. Zu der Gattung der Clostridien gehörend, kann sich das Bakterium dank seiner Geißeln aktiv fortbewegen und wird als ubiquitär eingestuft. Das Clostridium acetobutylicum-Bakterium ist sowohl in der Lage Zucker abzubauen (saccharolytisch) als auch verschiedene kommerziell wertvolle Produkte herzustellen. Hierzu gehören vor allem die Stoffe Aceton, Butanol und Ethanol.
Wann wurde das Clostridium acetobutylicum-Bakterium erstmals isoliert?
Das Bakterium wurde zum ersten Mal zwischen 1912 und 1914 von Chaim Weizmann isoliert. Weizmann kultivierte hierzu die Clostridium acetobutylicum-Bakterien in einem Prozess, den er ABE-Methode nannte. Diese Methode sollte ihm vornehmlich zur Herstellung der Stoffe Aceton, Butanol und Ethanol dienen. Während des Ersten Weltkrieges kamen diese Produkte zur Produktion von TNT, aber auch für die Produktion von Schießpulver zum Einsatz. Vor allem in den 1950er Jahren fand die ABE-Methode weite Verbreitung. Derzeit wird aufgrund der Krise um die fossilen Brennstoffe Forschungen über die Nutzung der ABE-Methode angestellt, um neue petrochemische Verfahren aufzuzeigen.
Wie gefährlich ist das Clostridium acetobutylicum?
Das Clostridium acetobutylicum-Bakterium ist sowohl für Pflanzen als auch für Tiere völlig unbedenklich. Obwohl das Bakterium im menschlichen Dickdarm nachgewiesen werden konnte, kann es nicht als Teil der normalen menschlichen Flora bezeichnet werden. Allerdings scheint es für Säugetiere nicht toxisch zu sein, sofern es nicht in enormen Mengen vorkommt.
Wie werden Clostridium acetobutylicum-Bakterien in der Biotechnologie eingesetzt?
Seit dem 20. Jahrhundert spielen Clostridium acetobutylicum-Bakterien eine wichtige Rolle in der Biotechnologie. Das Aceton, das durch die Bakterien gewonnen werden kann, benötigt man für die Herstellung von Synthesekautschuk. Die Universität von Manchester stellte Chaim Weizmann an, um an der Fermentation, d.h. der mikrobiellen Umwandlung organischer Stoffe durch Pilze und probiotische Bakterien, zu arbeiten. Während seiner Arbeit im Zeitraum von 1912 und 1914 gelang Weizmann in seinem sogenannten ABE-Verfahren die Isolierung mehrere Stämme, von denen das Clostridium acetobutylicum bekannt wurde. Gegenüber den bislang bekannten Fermentationsverfahren bot Weizmanns ABE-Verfahren den Vorteil der Effizienzsteigerung.
Bedingt durch den Ausbruch des Ersten Weltkriegs stieg der Bedarf an Aceton sprunghaft an. Unter anderem wurde es für die Herstellung von rauchlosem Schießpulver (Cordit) verwendet. Zwar wurde mit Beendigung des Ersten Weltkrieges kaum noch Aceton gebraucht, jedoch war nun Butanol als Lösungsmittel bei der Produktion von Lacken für die Automobilindustrie gefragt. Butanol war bis dahin ein Abfallprodukt, welches bei der Herstellung von Aceton angefallen war. Als in den 1920er Jahren die Automobilindustrie wuchs, stieg auch der Bedarf an Butanol.
Als sich in den späten 1950er und 1960er Jahren die Erdölindustrie mit unglaublicher Geschwindigkeit entwickelte, und zeitgleich der Preis der Fermentation stieg, konnte die von Weizmann erfundene ABE-Methode mit der petrochemischen Produktion nicht konkurrieren. Bis 1957 wurden die meisten Fermentationsanlagen stillgelegt. Da jedoch seitdem der Erdölpreis kontinuierlich steigt, gibt es mittlerweile Ansätze, die Fermentation zur Herstellung von industriellen Lösungsmitteln zu überdenken.
Aktueller Forschungsstand um Clostridium acetobutylicum
Insbesondere Butanol, aber auch Ethanol als Fermentationsprodukte von Clostridium acetobutylicum wurde in den letzten Jahren als mögliche alternative Kraftstoffquelle für Automobile besonders intensiv untersucht. Butanol hat gegenüber Ethanol dabei den Vorteil, dass es geringere Emissionen ausstößt, aber auch eine erhöhte Effizienz aufweist. Eine Studie aus dem Jahre 2006 schlug die Butanol-Fermentation durch eine neuartiges patentiertes Verfahren vor und wollte damit die bislang übliche ABE-Methode ablösen. Das neue Produktionsverfahren beinhaltet die Verwendung von Maisfasern (hierunter fällt vor allem Xylem), um C. acetobutylicum als Substrat abzulösen und auf diese Weise kostengünstigeres Butanol zu produzieren. Der Vorteil besteht dabei auch darin, dass Maisfasern ohnehin ein Nebenprodukt vieler landwirtschaftlicher Prozesse sind und daher eine reichhaltige Substratquelle präsentieren.
Neben der Herstellung von Butanol steht C. acetobutylicum auch für die Herstellung der Wasserstoffgasproduktion als alternative Energiequelle im Mittelpunkt des Forschungsinteresses. Wasserstoffgas verfügt nicht nur über eine große Menge an Energie, sondern könnte auch als Alternative zu Benzin äußerst nützlich sein, zumal es kein Kohlendioxid oder Treibhausgase erzeugt. Momentan werden die meisten Wasserstoffgase aus nicht erneuerbaren Quellen produziert, weswegen eine alternative Herstellungsweise durch Fermentationsverfahren äußerst wertvoll wären. Neuste Forschungen um Clostridium acetobutylicum beschäftigen sich daher mit verschiedenen Fermentationsverfahren, um eine verbesserte Erzeugung von Wasserstoffgas zu untersuchen. Dabei wurde bislang ein Rieselbettreaktor als Herstellungsmöglichkeit vorgestellt. Der Rieselbettreaktor verwendet Glucose als Substrat, produziert dabei bislang jedoch nur wenig Wasserstoffgas, um es für einen industriellen Nutzen verwenden zu können. Bei einer Weiterentwicklung der Methode kann ein Rieselbett allerdings als mögliches Produktionsmittel für die Zukunft angesehen werden.