Czym są bakterie Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum to gram-dodatnia bakteria należąca do rodzaju Clostridia. Ponieważ bakteria ta jest w stanie produkować butanol i aceton za pomocą enzymów (fermentacyjnych), ma ona szczególne znaczenie biotechnologiczne. Bakterie C. acetobutylicum występują głównie w osadach zbiorników wodnych, glebach, ale także w wielu innych siedliskach. U wielu organizmów bakterię C. acetobutylicum można również wykryć we florze jelitowej. Podobnie jak wiele Closteridia, bakteria ta jest zatem klasyfikowana jako wszechobecna, tj. zakłada się, że występuje wszędzie.
Jakie są cechy charakterystyczne bakterii Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum to gram-dodatnia bakteria składająca się z kolistego chromosomu i kolistego plazmidu. Jako bakteria beztlenowa , Clostridium acetobutylicum wymaga bazy beztlenowej, aby utworzyć komórki rozrodcze. W warunkach tlenowych bakteria jest w stanie utworzyć endospory po zaledwie kilku godzinach. Mogą one przetrwać nawet kilka lat w podłożach bogatych w tlen. W warunkach beztlenowych są one ponownie zdolne do tworzenia endospor. Należąca do rodzaju Clostridia bakteria może aktywnie poruszać się dzięki wici i jest klasyfikowana jako wszechobecna. Bakteria Clostridium acetobutylicum jest w stanie rozkładać cukry (sacharolityczne), a także wytwarzać różne produkty o wartości handlowej . Należą do nich przede wszystkim aceton, butanol i etanol.
Kiedy po raz pierwszy wyizolowano bakterię Clostridium acetobutylicum?
Bakteria została po raz pierwszy wyizolowana w latach 1912-1914 przez Chaima Weizmanna. Weizmann hodował bakterie Clostridium acetobutylicum w procesie, który nazwał metodą ABE. Metoda ta miała mu służyć przede wszystkim do produkcji substancji aceton, butanol i etanol. Podczas pierwszej wojny światowej te produkty były wykorzystywane do produkcji trotylu, ale także do produkcji prochu strzelniczego. Szczególnie w latach pięćdziesiątych metoda ABE była szeroko stosowana. Obecnie, ze względu na kryzys związany z paliwami kopalnymi, prowadzone są badania nad wykorzystaniem metody ABE do identyfikacji nowych procesów petrochemicznych.
Jak niebezpieczna jest bakteria Clostridium acetobutylicum?
Bakteria Clostridium acetobutylicum jest całkowicie nieszkodliwa zarówno dla roślin, jak i zwierząt. Chociaż bakteria ta została wykryta w ludzkiej okrężnicy, nie można jej uznać za część normalnej ludzkiej flory. Jednak nie wydaje się być toksyczna dla ssaków, chyba że jest obecna w ogromnych ilościach .
W jaki sposób bakterie Clostridium acetobutylicum są wykorzystywane w biotechnologii?
Od XX wieku bakterie Clostridium acetobutylicum odgrywają ważną rolę w biotechnologii. Aceton uzyskiwany przez bakterie jest potrzebny do produkcji kauczuku syntetycznego . Uniwersytet w Manchesterze zatrudnił Chaima Weizmanna do pracy nad fermentacją, czyli mikrobiologiczną konwersją materii organicznej przez grzyby i bakterie probiotyczne. Podczas swojej pracy w latach 1912-1914 Weizmannowi udało się swoją tak zwaną metodą ABE wyizolować kilka szczepów, z których znany stał się Clostridium acetobutylicum. W porównaniu z dotychczas znanymi metodami fermentacji, metoda ABE Weizmanna oferowała zaletę zwiększonej wydajności.
Ze względu na wybuch pierwszej wojny światowej, zapotrzebowanie na aceton gwałtownie wzrosło. Wykorzystywano go między innymi do produkcji bezdymnego prochu strzelniczego (kordytu). Chociaż po zakończeniu pierwszej wojny światowej zapotrzebowanie na aceton było niewielkie , butanol był teraz poszukiwany jako rozpuszczalnik w produkcji farb dla przemysłu motoryzacyjnego. Do tego czasu butanol był produktem odpadowym z produkcji acetonu . Wraz z rozwojem przemysłu motoryzacyjnego w latach dwudziestych XX wieku, wzrosło również zapotrzebowanie na butanol.
Ponieważ przemysł naftowy rozwijał się w niewiarygodnym tempie w późnych latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, a cena fermentacji wzrosła w tym samym czasie, metoda ABE wynaleziona przez Weizmanna nie mogła konkurować z produkcją petrochemiczną . Do 1957 r. większość zakładów fermentacyjnych została zamknięta. Jednakże, ponieważ cena ropy naftowej stale rośnie, istnieją obecnie podejścia do ponownego przemyślenia fermentacji w celu produkcji rozpuszczalników przemysłowych.
Aktualny stan badań nad Clostridium acetobutylicum
W szczególności butanol, ale także etanol jako produkty fermentacji Clostridium acetobutylicum, były szczególnie intensywnie badane w ostatnich latach jako możliwe alternatywne źródło paliwa dla samochodów. Butanol ma tę przewagę nad etanolem, że emituje mniej zanieczyszczeń , ale także ma wyższą wydajność. W badaniu z 2006 roku zaproponowano fermentację butanolu w nowym opatentowanym procesie, a tym samym chciano zastąpić metodę ABE, która była powszechna do tego czasu. Nowy proces produkcji obejmuje wykorzystanie włókien kukurydzy (w szczególności ksylemu) w celu zastąpienia C. acetobutylicum jako substratu, a tym samym produkcję bardziej opłacalnego butanolu. Zaletą jest również to, że włókna kukurydzy są produktem ubocznym wielu procesów rolniczych, a zatem stanowią bogate źródło substratów.
Oprócz produkcji butanolu , C. acetobutylicum jest również przedmiotem zainteresowania badawczego w zakresie produkcji wodoru jako alternatywnego źródła energii. Wodór ma nie tylko dużą ilość energii, ale może być również niezwykle przydatny jako alternatywa dla benzyny , zwłaszcza że nie wytwarza dwutlenku węgla ani gazów cieplarnianych . Obecnie większość wodoru jest produkowana z nieodnawialnych źródeł, więc alternatywna metoda produkcji wykorzystująca procesy fermentacji byłaby niezwykle cenna. Ostatnie badania nad Clostridium acetobutylicum dotyczą zatem różnych procesów fermentacji w celu zbadania ulepszonej produkcji wodoru gazowego. Do tej pory jako opcję produkcji przedstawiono reaktor ze złożem ściekowym . Reaktor ze złożem ściekowym wykorzystuje glukozę jako substrat, ale jak dotąd produkuje tylko niewielką ilość wodoru, aby można go było wykorzystać do celów przemysłowych . Jednakże, jeśli metoda będzie dalej rozwijana, złoże trikularne może być postrzegane jako możliwe narzędzie produkcyjne dla przyszłości.