Co jsou bakterie Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum je grampozitivní bakterie, která pochází z rodu klostridií. Vzhledem k tomu, že tato bakterie je schopna produkovat butanol a aceton prostřednictvím enzymů (fermentačně), má zvláštní biotechnologický význam. Bakterie C. acetobutylicum se vyskytují především v sedimentech vodních nádrží, půdách, ale také v mnoha dalších předmětech. U mnoha organismů lze bakterii C. acetobutylicum detekovat také ve střevní flóře. Stejně jako mnoho klosteridií je proto tato bakterie klasifikována jako všudypřítomná, tj. předpokládá se, že se vyskytuje všude.
Jaké jsou vlastnosti bakterie Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum je grampozitivní bakterie skládající se z kruhového chromozomu a kruhového plazmidu. Jako anaerobní bakterie potřebuje Clostridium acetobutylicum k tvorbě rozmnožovacích buněk bezkyslíkatou základnu. Za aerobních podmínek je bakterie schopna tvořit endospory již po několika hodinách. Ty mohou v substrátech bohatých na kyslík přetrvávat i několik let. V anaerobních podmínkách jsou pak opět schopny tvořit endospory. Bakterie patřící do rodu klostridií se může díky bičíkům aktivně pohybovat a je klasifikována jako všudypřítomná. Bakterie Clostridium acetobutylicum je schopna štěpit cukry (sacharolyticky) a také produkovat různé komerčně cenné produkty . Patří mezi ně především látky aceton, butanol a etanol.
Kdy byla bakterie Clostridium acetobutylicum poprvé izolována?
Bakterie byla poprvé izolována v letech 1912 až 1914 Chaimem Weizmannem. Weizmann kultivoval bakterie Clostridium acetobutylicum postupem, který nazval metoda ABE. Tato metoda mu měla sloužit především k výrobě látek aceton, butanol a etanol. Během první světové války se tyto produkty používaly k výrobě TNT, ale také k výrobě střelného prachu. Zejména v padesátých letech 20. století byla metoda ABE hojně využívána. V současné době, vzhledem ke krizi kolem fosilních paliv, probíhá výzkum využití metody ABE k identifikaci nových petrochemických procesů.
Jak nebezpečné je Clostridium acetobutylicum?
Bakterie Clostridium acetobutylicum je zcela neškodná jak pro rostliny, tak pro živočichy. Přestože byla tato bakterie zjištěna v lidském tlustém střevě, nelze ji považovat za součást normální lidské flóry. Nezdá se však, že by byla toxická pro savce, pokud není přítomna v enormním množství .
Jak se bakterie Clostridium acetobutylicum používají v biotechnologiích?
Od 20. století hrají bakterie Clostridium acetobutylicum důležitou roli v biotechnologiích. Aceton, který lze získat pomocí bakterií, je potřebný pro výrobu syntetického kaučuku. Manchesterská univerzita najala Chaima Weizmanna , aby se zabýval fermentací, tj. mikrobiální přeměnou organických látek pomocí hub a probiotických bakterií. Během své práce v letech 1912 a 1914 se Weizmannovi podařilo jeho takzvanou metodou ABE izolovat několik kmenů, z nichž se stalo známé Clostridium acetobutylicum. Ve srovnání s dosud známými kvasnými metodami nabízela Weizmannova metoda ABE výhodu vyšší účinnosti.
V důsledku vypuknutí první světové války se dramaticky zvýšila poptávka po acetonu. Mimo jiné se používal k výrobě bezdýmného střelného prachu (korditu). Ačkoli po skončení první světové války nebyl aceton téměř vůbec potřeba , butanol byl nyní žádaný jako rozpouštědlo při výrobě barev pro automobilový průmysl. Do té doby byl butanol odpadním produktem z výroby acetonu . S rozvojem automobilového průmyslu ve dvacátých letech 20. století se zvýšila i poptávka po butanolu.
Protože se ropný průmysl koncem 50. a 60. let 20. století rozvíjel neuvěřitelným tempem a zároveň rostla cena fermentace, nemohla metoda ABE, kterou vynalezl Weizmann, konkurovat petrochemické výrobě . Do roku 1957 byla většina fermentačních závodů zavřena. Protože však cena ropy neustále stoupá, nyní se přistupuje k přehodnocení fermentace pro výrobu průmyslových rozpouštědel.
Současný stav výzkumu Clostridium acetobutylicum
Zejména butanol, ale také ethanol jako produkty fermentace Clostridium acetobutylicum se v posledních letech obzvláště intenzivně zkoumají jako možný alternativní zdroj paliva pro automobily. Butanol má oproti etanolu tu výhodu, že vypouští nižší emise , ale má také vyšší účinnost. Studie z roku 2006 navrhla fermentaci butanolu novým patentovaným postupem a chtěla tak nahradit do té doby běžnou metodu ABE. Nový výrobní proces zahrnuje využití kukuřičných vláken (jedná se především o xylém), která nahrazují C. acetobutylicum jako substrát, a tím produkují hospodárnější butanol. Výhodou je také to, že kukuřičná vlákna jsou tak jako tak vedlejším produktem mnoha zemědělských procesů, a proto představují bohatý zdroj substrátu.
Kromě výroby butanolu je C. acetobutylicum také středem výzkumného zájmu pro výrobu vodíku jako alternativního zdroje energie. Plynný vodík má nejen velké množství energie, ale mohl by být také velmi užitečný jako alternativa k benzínu , zejména proto, že neprodukuje oxid uhličitý ani skleníkové plyny . V současné době se většina plynného vodíku vyrábí z neobnovitelných zdrojů, takže alternativní způsob výroby pomocí fermentačních procesů by byl nesmírně cenný. Nedávný výzkum Clostridium acetobutylicum se proto zabývá různými fermentačními procesy s cílem prozkoumat lepší výrobu plynového vodíku. Dosud byl jako možnost výroby představen reaktor s trickle ložem. Reaktor s trickle ložem využívá jako substrát glukózu, ale zatím produkuje jen malé množství plynného vodíku, aby jej bylo možné využít pro průmyslové účely. Pokud však bude metoda dále rozvíjena, lze trickle bed považovat za možný výrobní nástroj pro budoucnost.