Τι είναι τα βακτήρια Clostridium acetobutylicum

Το Clostridium acetobutylicum είναι ένα θετικό κατά Gram βακτήριο που προέρχεται από το γένος Clostridia. Δεδομένου ότι το βακτήριο είναι σε θέση να παράγει βουτανόλη και ακετόνη μέσω ενζύμων (ζυμωτικά), έχει ιδιαίτερη βιοτεχνολογική σημασία. Τα βακτήρια C. acetobutylicum βρίσκονται κυρίως σε ιζήματα υδάτινων σωμάτων, σε εδάφη, αλλά και σε πολλά άλλα ενδιαιτήματα. Σε πολλούς οργανισμούς, το βακτήριο C. acetobutylicum μπορεί επίσης να ανιχνευθεί στην εντερική χλωρίδα. Όπως πολλά κλοστερίδια, το βακτήριο χαρακτηρίζεται επομένως ως πανταχού παρόν, δηλαδή θεωρείται ότι απαντάται παντού.

Ποια είναι τα χαρακτηριστικά του βακτηρίου Clostridium acetobutylicum

Το Clostridium acetobutylicum είναι ένα θετικό κατά Gram βακτήριο που αποτελείται από ένα κυκλικό χρωμόσωμα και ένα κυκλικό πλασμίδιο. Ως αναερόβιο βακτήριο, το Clostridium acetobutylicum απαιτεί μια βάση χωρίς οξυγόνο για να σχηματίσει αναπαραγωγικά κύτταρα. Υπό αερόβιες συνθήκες, το βακτήριο είναι σε θέση να σχηματίσει ενδοσπόρια μετά από λίγες μόνο ώρες. Αυτά μπορούν να παραμείνουν ακόμη και για αρκετά χρόνια σε υποστρώματα πλούσια σε οξυγόνο. Υπό αναερόβιες συνθήκες, είναι στη συνέχεια και πάλι ικανά να σχηματίσουν ενδοσπόρια. Ανήκει στο γένος Clostridia, το βακτήριο μπορεί να μετακινείται ενεργά χάρη στις μαστίγιες του και ταξινομείται ως πανταχού παρόν. Το βακτήριο Clostridium acetobutylicum είναι σε θέση να διασπάσει τη ζάχαρη (σακχαρολυτικό) καθώς και να παράγει διάφορα εμπορικά πολύτιμα προϊόντα. Σε αυτά περιλαμβάνονται κυρίως οι ουσίες ακετόνη, βουτανόλη και αιθανόλη.

Πότε απομονώθηκε για πρώτη φορά το βακτήριο Clostridium acetobutylicum

Το βακτήριο απομονώθηκε για πρώτη φορά μεταξύ 1912 και 1914 από τον Chaim Weizmann. Ο Weizmann καλλιέργησε τα βακτήρια Clostridium acetobutylicum με μια διαδικασία που ονόμασε μέθοδο ABE. Η μέθοδος αυτή θα του χρησίμευε κυρίως για την παραγωγή των ουσιών ακετόνη, βουτανόλη και αιθανόλη. Κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, τα προϊόντα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή TNT, αλλά και για την παραγωγή πυρίτιδας. Ειδικά στη δεκαετία του 1950, η μέθοδος ΑΒΕ χρησιμοποιήθηκε ευρέως. Σήμερα, λόγω της κρίσης των ορυκτών καυσίμων, διεξάγεται έρευνα για τη χρήση της μεθόδου ABE για τον εντοπισμό νέων πετροχημικών διεργασιών.

Πόσο επικίνδυνο είναι το Clostridium acetobutylicum

Το βακτήριο Clostridium acetobutylicum είναι εντελώς ακίνδυνο τόσο για τα φυτά όσο και για τα ζώα. Αν και το βακτήριο έχει ανιχνευθεί στο ανθρώπινο παχύ έντερο, δεν μπορεί να θεωρηθεί μέρος της φυσιολογικής ανθρώπινης χλωρίδας. Ωστόσο, δεν φαίνεται να είναι τοξικό για τα θηλαστικά, εκτός εάν υπάρχει σε τεράστιες ποσότητες.

Πώς χρησιμοποιούνται τα βακτήρια Clostridium acetobutylicum στη βιοτεχνολογία

Από τον 20ό αιώνα, τα βακτήρια Clostridium acetobutylicum έχουν διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στη βιοτεχνολογία. Η ακετόνη που μπορεί να ληφθεί από τα βακτήρια είναι απαραίτητη για την παραγωγή συνθετικού καουτσούκ. Το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ προσέλαβε τον Chaim Weizmann για να ασχοληθεί με τη ζύμωση, δηλαδή τη μικροβιακή μετατροπή της οργανικής ύλης από μύκητες και προβιοτικά βακτήρια. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του την περίοδο μεταξύ 1912 και 1914, ο Weizmann κατάφερε να απομονώσει διάφορα στελέχη στη λεγόμενη διαδικασία ABE, από τα οποία έγινε γνωστό το Clostridium acetobutylicum. Σε σύγκριση με τις προηγουμένως γνωστές μεθόδους ζύμωσης, η μέθοδος ABE του Weizmann προσέφερε το πλεονέκτημα της αυξημένης αποτελεσματικότητας.

Λόγω του ξεσπάσματος του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, η ζήτηση για ακετόνη αυξήθηκε δραματικά. Μεταξύ άλλων, χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή άκαπνης πυρίτιδας (κορδίτης). Αν και μετά το τέλος του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου δεν υπήρχε σχεδόν καμία ανάγκη για ακετόνη, η βουτανόλη είχε πλέον ζήτηση ως διαλύτης στην παραγωγή χρωμάτων για την αυτοκινητοβιομηχανία. Μέχρι τότε, η βουτανόλη αποτελούσε απόβλητο προϊόν της παραγωγής ακετόνης. Καθώς η αυτοκινητοβιομηχανία αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1920, αυξήθηκε και η ζήτηση για βουτανόλη.

Καθώς η πετρελαϊκή βιομηχανία αναπτύχθηκε με απίστευτους ρυθμούς στα τέλη της δεκαετίας του 1950 και τη δεκαετία του 1960 και η τιμή της ζύμωσης αυξήθηκε ταυτόχρονα, η μέθοδος ABE που εφευρέθηκε από τον Weizmann δεν μπορούσε να ανταγωνιστεί την πετρελαϊκή παραγωγή. Μέχρι το 1957, τα περισσότερα εργοστάσια ζύμωσης είχαν κλείσει. Ωστόσο, έκτοτε η τιμή του πετρελαίου αυξάνεται σταθερά και υπάρχουν τώρα προσεγγίσεις για επανεξέταση της ζύμωσης για την παραγωγή βιομηχανικών διαλυτών.

Τρέχουσα κατάσταση της έρευνας για το Clostridium acetobutylicum

Ειδικά η βουτανόλη, αλλά και η αιθανόλη ως προϊόντα ζύμωσης του Clostridium acetobutylicum, έχουν διερευνηθεί εντατικά τα τελευταία χρόνια ως πιθανή εναλλακτική πηγή καυσίμου για τα αυτοκίνητα. Σε σύγκριση με την αιθανόλη, η βουτανόλη έχει το πλεονέκτημα ότι εκπέμπει λιγότερες εκπομπές, αλλά και μεγαλύτερη απόδοση. Μια μελέτη του 2006 πρότεινε τη ζύμωση βουτανόλης με μια νέα πατενταρισμένη διαδικασία για την αντικατάσταση της προηγουμένως χρησιμοποιούμενης μεθόδου ABE. Η νέα διαδικασία παραγωγής περιλαμβάνει τη χρήση ινών αραβοσίτου (κυρίως ξυλέμι) για την αντικατάσταση του C. acetobutylicum ως υποστρώματος και έτσι την παραγωγή πιο αποδοτικής βουτανόλης. Το πλεονέκτημα εδώ είναι επίσης ότι οι ίνες αραβοσίτου είναι ούτως ή άλλως παραπροϊόν πολλών γεωργικών διεργασιών και επομένως αποτελούν πλούσια πηγή υποστρώματος.

Εκτός από την παραγωγή βουτανόλης, το C. acetobutylicum βρίσκεται επίσης στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος για την παραγωγή αερίου υδρογόνου ως εναλλακτική πηγή ενέργειας. Το αέριο υδρογόνο όχι μόνο διαθέτει μεγάλη ποσότητα ενέργειας, αλλά θα μπορούσε επίσης να είναι εξαιρετικά χρήσιμο ως εναλλακτική λύση στη βενζίνη, ιδίως επειδή δεν παράγει διοξείδιο του άνθρακα ή αέρια του θερμοκηπίου. Επί του παρόντος, το μεγαλύτερο μέρος του αερίου υδρογόνου παράγεται από μη ανανεώσιμες πηγές, οπότε μια εναλλακτική μέθοδος παραγωγής με τη χρήση διεργασιών ζύμωσης θα ήταν εξαιρετικά πολύτιμη. Η πρόσφατη έρευνα για το Clostridium acetobutylicum εξετάζει επομένως διάφορες διεργασίες ζύμωσης για τη διερεύνηση της βελτιωμένης παραγωγής αερίου υδρογόνου. Μέχρι στιγμής, έχει παρουσιαστεί ένας αντιδραστήρας trickle bed ως επιλογή παραγωγής. Ο αντιδραστήρας trickle bed χρησιμοποιεί γλυκόζη ως υπόστρωμα, αλλά μέχρι στιγμής παράγει ελάχιστο αέριο υδρογόνο ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βιομηχανικούς σκοπούς. Ωστόσο, εάν η μέθοδος αναπτυχθεί περαιτέρω, η κλίνη με σταγονίδια μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πιθανό εργαλείο παραγωγής για το μέλλον.