Что представляют собой бактерии Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum - это грамположительная бактерия, которая происходит из рода Clostridia. Поскольку бактерия способна производить бутанол и ацетон посредством ферментов (ферментативных), она имеет особое биотехнологическое значение. Бактерии C. acetobutylicum встречаются преимущественно в осадках водоемов, почвах, а также во многих других средах обитания. У многих организмов бактерию C. acetobutylicum можно обнаружить и в кишечной флоре. Поэтому, как и многие клостридии, эта бактерия классифицируется как вездесущая, то есть предполагается, что она встречается повсеместно.
Каковы характеристики бактерий Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum - это грамположительная бактерия, состоящая из кольцевой хромосомы и кольцевой плазмиды. Будучи анаэробной бактерией, Clostridium acetobutylicum требует бескислородной основы для формирования репродуктивных клеток. В аэробных условиях бактерия способна образовывать эндоспоры всего через несколько часов. Они могут даже сохраняться в течение нескольких лет в богатых кислородом субстратах. В анаэробных условиях они снова способны образовывать эндоспоры. Принадлежа к роду Clostridia, бактерия может активно передвигаться благодаря своим жгутикам и классифицируется как вездесущая. Бактерия Clostridium acetobutylicum способна расщеплять сахара (сахаролитическая), а также производить различные коммерчески ценные продукты . К ним относятся, прежде всего, вещества ацетон, бутанол и этанол.
Когда впервые была выделена бактерия Clostridium acetobutylicum?
Впервые бактерия была выделена между 1912 и 1914 годами Хаимом Вейцманом. Вейцман культивировал бактерии Clostridium acetobutylicum в процессе, который он назвал методом ABE. Этот метод должен был служить ему в первую очередь для производства веществ ацетона, бутанола и этанола. Во время Первой мировой войны эти продукты использовались для производства тротила, а также для производства пороха. Особенно в 1950-х годах широко использовался метод ABE. В настоящее время, в связи с кризисом вокруг ископаемого топлива, проводятся исследования по использованию метода ABE для выявления новых нефтехимических процессов.
Насколько опасен Clostridium acetobutylicum?
Бактерия Clostridium acetobutylicum совершенно безвредна как для растений, так и для животных. Хотя эта бактерия была обнаружена в толстой кишке человека , ее нельзя считать частью нормальной флоры человека. Однако, похоже, она не токсична для млекопитающих, если только не присутствует в огромных количествах .
Как бактерии Clostridium acetobutylicum используются в биотехнологиях?
Начиная 20-го века, бактерии Clostridium acetobutylicum играют важную роль в биотехнологии. Ацетон, который могут получать бактерии, необходим для производства синтетического каучука. Манчестерский университет нанял Хаима Вейцмана для работы над ферментацией, то есть микробным преобразованием органических веществ с помощью грибков и пробиотических бактерий. Во время работы в период 1912 и 1914 годов Вейцману удалось своим так называемым методом ABE выделить несколько штаммов, из которых стал известен Clostridium acetobutylicum. По сравнению с известными до сих пор методами ферментации, метод ABE Вейцмана предлагал преимущество в виде повышенной эффективности.
В связи с началом Первой мировой войны спрос на ацетон резко возрос. Помимо прочего, он использовался для производства бездымного пороха (кордита). Хотя после окончания Первой мировой войны потребность в ацетоне практически не возникала, бутанол стал востребован в качестве растворителя при производстве красок для автомобильной промышленности. До этого времени бутанол был отходом производства ацетона . По мере роста автомобильной промышленности в 1920-х годах увеличивался и спрос на бутанол.
Поскольку нефтяная промышленность развивалась невероятными темпами в конце 1950-х и 1960-х годов, и одновременно росла цена ферментации, метод ABE, изобретенный Вейцманом, не мог конкурировать с нефтехимическим производством . К 1957 году большинство ферментационных заводов были закрыты. Однако, поскольку цена на нефть постоянно росла, сейчас существуют подходы к переосмыслению ферментации для производства промышленных растворителей.
Текущее состояние исследований Clostridium acetobutylicum
В частности, бутанол, но также и этанол как продукты ферментации Clostridium acetobutylicum, в последние годы особенно интенсивно исследуются как возможный альтернативный источник топлива для автомобилей. Бутанол имеет преимущество перед этанолом в том, что он выбрасывает меньше вредных веществ , но при этом обладает более высокой эффективностью. Исследование, проведенное 2006 году, предложило ферментацию бутанола по новому запатентованному процессу и таким образом хотело заменить распространенный до того времени метод ABE. Новый производственный процесс предполагает использование волокон кукурузы (сюда в основном входит ксилема) для замены C. acetobutylicum в качестве субстрата и, таким образом, получения более рентабельного бутанола. Преимуществом здесь также то, что волокна кукурузы в любом случае являются побочным продуктом многих сельскохозяйственных процессов и поэтому представляют собой богатый источник субстрата.
Помимо производства бутанола , C. acetobutylicum также является центром исследовательского интереса для производства газообразного водорода в качестве альтернативного источника энергии. Водородный газ не только обладает большим количеством энергии, но и может быть чрезвычайно полезен в качестве альтернативы бензину , тем более что он не производит углекислый газ и парниковые газы . В настоящее время большая часть газообразного водорода производится из невозобновляемых источников, поэтому альтернативный метод производства с использованием процессов ферментации был бы чрезвычайно ценным. Поэтому недавние исследования Clostridium acetobutylicum рассматривают различные процессы ферментации для изучения улучшенного производства газообразного водорода. До сих пор в качестве варианта производства был представлен реактор с каскадным слоем. Реактор с "каскадным слоем" использует глюкозу в качестве субстрата, но пока производит лишь небольшое количество газообразного водорода, чтобы его можно было использовать в промышленных целях. Однако, если метод будет доработан, струйный слой можно рассматривать как возможный производственный инструмент будущего.