Clostridium aceticum
Clostridium aceticum ist eine Bakterienart. Das Bakterium kann Kohlendioxid (CO2) zur Energiegewinnung nutzen.[1] Dabei wird Essigsäure (Acetat) gebildet, man spricht von der Acetogenese, darauf bezieht sich auch der Artname. Der Stoffwechsel ist hierbei chemolithoautotroph, es werden keine organischen Stoffe zur Energie- und Zellbildung benötigt. Das Bakterium kann allerdings auch mit Nutzung von Kohlenhydraten chemoorganotroph wachsen.
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| Wissenschaftlicher Name | ||||||||||||
| Clostridium aceticum | ||||||||||||
| (ex Wieringa 1940) Gottschalk and Braun 1981 |
Merkmale
BearbeitenClostridium aceticum ist stäbchenförmig und beweglich durch eine peritriche Begeißelung. Die Zellgröße liegt bei 0,3-1,0 μm × 4,0- 8,0 μm. Es toleriert keinen Sauerstoff, es ist anaerob. Mit Fructose als Substrat können die Zellen bis zu 40 μm lang werden. Die Sporen sind rund und liegen endständig. Die Sporenbildung lässt sich am besten bei einer Kultur auf Fructose-Agar-Medium nach 2 Tagen Inkubation beobachten. Das Wachstum erfolgt im Temperaturbereich von 25-37 °C mit einer optimalen Wachstumstemperatur von 30 °C. Bei 45 °C findet nur noch geringes Wachstum statt. Das Wachstum erfolgt im pH-Bereich von 7,5-9,5 mit einem Optimum für autotrophes Wachstum bei 8,3.[2]
Der Gram-Test verläuft positiv, Clostridium aceticum zählt zu den grampositiven Bakterien.
Stoffwechsel
BearbeitenClostridium aceticum kann unter Sauerstoffausschluss (anaerob) mit Hilfe von CO2 und H2 zur Energiegewinnung chemolithoautotroph wachsen und bildet aus diesen Substraten Essigsäure (Acetat). Dieser Vorgang wird als Acetogenese bezeichnet. Kohlenstoffdioxid (CO2) wird hierbei zu Acetat reduziert, H2 dient als Elektronenspender. Da von Clostridium aceticum hierbei nur Acetat als Stoffwechselendprodukt gebildet wird, spricht man hierbei von der Homoacetogenese, bzw. von homoacetogenen Bakterien.[3] Dieser Stoffwechselweg ist chemolithoautotroph, da als Kohlenstoffquelle für den Aufbau von eigener Zellsubstanz ebenfalls CO2 genutzt wird und dazu kein Kohlenstoff aus organischen Verbindungen (organischer Kohlenstoff) benötigt wird. Über den reduktiven Acetyl-CoA-Weg (auch als Wood-Ljungdahl-Weg bezeichnet) wird hieraus organische Substanz für den weiteren Stoffwechsel und das Wachstum gebildet.[4] Zur Acetogenese fähigen Bakterien zählen zum größten Teil grampositive Bakterien, wie neben Clostridium aceticum z. B. noch Moorella thermoacetica und Acetobacterium woodii.
C. aceticum ist auch in der Lage, Kohlenstoffmonoxid (CO) zu nutzen. Kohlenstoffmonoxid dient hierbei, wie auch CO2, als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle für die chemolithoautotrophe Kohlenstofffixierung.[5][6] Allerdings zeigt es wenig Toleranz gegenüber hohen CO-Konzentrationen.[7]
Die Art kann auch chemoorganotroph wachsen, hierbei werden verschiedene organische Substanzen genutzt, wie z. B. Fruktose, Ribose, Glutamat, Fumarat, Malat und Ethanol. CO2 wird in der Gegenwart von organischen Stoffen nicht genutzt. Gluconsäure wird zu Pyruvat fermentiert. Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) kann durch einen modifizierten Entner-Doudoroff-Weg genutzt werden. Atmosphärischer Stickstoff wird fixiert (Stickstofffixierung).[2]
Systematik
BearbeitenClostridium aceticum zählt zu den Firmicutes und hier zu der Familie Clostridiaceae.[8] Die Art wurde zuerst 1940 von Wieringa erstbeschrieben.[9] Der beschriebene Fund stammte aus Kanalschlamm in Wageningen, Niederlande.[10] Nach dem Zweiten Weltkrieg schien es so, dass der Stamm verloren gegangen war. Im Jahr 1981 wurde jedoch der Stamm von C. aceticum in einer Laborkultursammlung in Kalifornien wiedergefunden.[11] Das Bakterium wurde zu dieser Zeit auch in Wageningen erneut isoliert.[10]
C. aceticum war die erste entdeckte Art, die unter Sauerstoffausschluss, also unter anaeroben Bedingungen mit Nutzung von CO2 und H2 autotroph wachsen kann.[10]
Ökologie
BearbeitenClostridium aceticum ist anaerob und kommt in Klärschlamm und Boden vor.
Technische Nutzung
BearbeitenClostridium aceticum wird für Produktion von Essigsäure (Acetat) genutzt. Essigsäure wird in der Industrie u. a. für die Herstellung von Vinylacetat und Essigsäureanhydrid eingesetzt. Außer C. aceticum werden noch Moorella thermoacetica (früher als Clostridium thermoaceticum bezeichnet) und Acetobacterium woodii für die Produktion von Acetat und auch Calcium-Magnesium-Acetat genutzt[12]
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ Harald A. B. Linke: CO2-Fixierung durch Clostridium aceticum: 14CO2-Kurzzeiteinbau und Pyruvatstoffwechsel In: Archiv für Mikrobiologie (1969), Band 64. doi:10.1007/BF00425625
- ↑ a b Paul Vos, George Garrity, Dorothy Jones, Noel R. Krieg, Wolfgang Ludwig, Fred A. Rainey, Karl-Heinz Schleifer, William B. Whitman: Bergey's Manual of Systematic Bacteriology Volume 3: The Firmicutes. ISBN 978-0-387-95041-9
- ↑ Homoacetogene Bakterien - Spektrum "Lexikon der Biologie"
- ↑ Gerhard Fuchs: Allgemeine Mikrobiologie, 8. Auflage, Thieme Verlag ISBN 9783134446081
- ↑ An-Ping Zeng, Nico J. Claassens: One-Carbon Feedstocks for Sustainable Bioproduction, Springer Cham, 2022. ISBN 978-3-031-06854-6 doi:10.1007/978-3-031-06854-6
- ↑ Alexander Mayer, Dirk Weuster-Botz: Reaction engineering analysis of the autotrophic energy metabolism of Clostridium aceticum In: FEMS Microbiology Letters, Band 364, Ausgabe 22, November 2017, doi:10.1093/femsle/fnx219
- ↑ Alexander Mayer, Torben Schädler, Sascha Trunz, Thomas Stelzer und Dirk Weuster‐Botz: Carbon monoxide conversion with Clostridium aceticum In: Chemical Engineering Journal, Band 428, doi:10.1002/bit.26808
- ↑ J. P. Euzéby, Aidan C. Parte et al.: List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature – Clostridium aceticum Garrity et al. 2006 (Stand 24. September 2022)
- ↑ Jean Euzéby, Aidan C. Parte: Genus Brevibacterium. In: List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN). Abgerufen am 25. September 2022.
- ↑ a b c Frank R. Bengelsdorf und Peter Dürre: Biokatalytische Konversion, S. 102. In: Manfred Kircher, Thomas Schwarz: CO2 und CO – Nachhaltige Kohlenstoffquellen für die Kreislaufwirtschaft, Springer Spektrum Berlin, Heidelberg, 2020, ISBN 978-3-662-60648-3
- ↑ M. Braun, F. Mayer und G. Gottschalk Clostridium aceticum (Wieringa), a microorganism producing acetic acid from molecular hydrogen and carbon dioxideIn: Archives of Microbiology (1981) Band 128, S. 288-293 Open Access doi:10.1007/BF00422532
- ↑ James Daniell, Michael Köpke und Séan Dennis Simpson: Commercial Biomass Syngas Fermentation In: Energies (2012), Band 5, Ausgabe 12, S. 5372-5417 doi:10.3390/en5125372
Literatur
Bearbeiten- Paul Vos, George Garrity, Dorothy Jones, Noel R. Krieg, Wolfgang Ludwig, Fred A. Rainey, Karl-Heinz Schleifer und William B. Whitman: Bergey's Manual of Systematic Bacteriology: Volume 3: The Firmicutes Springer, 2009
- Gerhard Fuchs: Allgemeine Mikrobiologie, 8. Auflage, Thieme Verlag ISBN 978-3-13-444608-1
Weiterführende Literatur
Bearbeiten- An-Ping Zeng, Nico J. Claassens: One-Carbon Feedstocks for Sustainable Bioproduction Springer Cham, 2022. ISBN 978-3-031-06854-6 doi:10.1007/978-3-031-06854-6