Čo sú baktérie Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum je grampozitívna baktéria, ktorá pochádza z rodu Clostridia. Keďže baktéria je schopná produkovať butanol a acetón prostredníctvom enzýmov (fermentačne), má osobitný biotechnologický význam. Baktérie C. acetobutylicum sa vyskytujú predovšetkým v sedimentoch vodných plôch, pôdach, ale aj v mnohých iných pôdach. U mnohých organizmov možno baktériu C. acetobutylicum zistiť aj v črevnej flóre. Podobne ako mnohé klosterídie je preto táto baktéria klasifikovaná ako všadeprítomná, t. j. predpokladá sa, že sa vyskytuje všade.
Aké sú vlastnosti baktérie Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum je grampozitívna baktéria pozostávajúca z kruhového chromozómu a kruhového plazmidu. Ako anaeróbna baktéria potrebuje Clostridium acetobutylicum na tvorbu rozmnožovacích buniek bezkyslíkaté prostredie. V aeróbnych podmienkach je baktéria schopná tvoriť endospóry už po niekoľkých hodinách. Tie môžu v substrátoch bohatých na kyslík pretrvávať aj niekoľko rokov. V anaeróbnych podmienkach sú potom opäť schopné tvoriť endospóry. Baktérie patriace do rodu klostrídií sa môžu aktívne pohybovať vďaka svojim bičíkom a sú klasifikované ako všadeprítomné. Baktéria Clostridium acetobutylicum je schopná štiepiť cukry (sacharolytická), ako aj produkovať rôzne komerčne cenné produkty . Patria k nim predovšetkým látky acetón, butanol a etanol.
Kedy bola baktéria Clostridium acetobutylicum prvýkrát izolovaná?
Baktériu prvýkrát izoloval v rokoch 1912 až 1914 Chaim Weizmann. Weizmann kultivoval baktérie Clostridium acetobutylicum postupom, ktorý nazval metóda ABE. Táto metóda mu mala slúžiť predovšetkým na výrobu látok acetón, butanol a etanol. Počas prvej svetovej vojny sa tieto produkty používali na výrobu TNT, ale aj na výrobu streleckého prachu. Najmä v 50. rokoch 20. storočia sa široko používala metóda ABE. V súčasnosti sa vzhľadom na krízu týkajúcu sa fosílnych palív vykonáva výskum využívania metódy ABE na identifikáciu nových petrochemických procesov.
Ako nebezpečné je Clostridium acetobutylicum?
Baktéria Clostridium acetobutylicum je úplne neškodná pre rastliny aj zvieratá. Hoci bola táto baktéria zistená v ľudskom trubom čreve, nemožno ju považovať za súčasť normálnej ľudskej flóry. Nezdá sa však, že by bola toxická pre cicavce, pokiaľ nie je prítomná v enormnom množstve .
Ako sa baktérie Clostridium acetobutylicum využívajú v biotechnológiách?
Baktérie Clostridium acetobutylicum hrajú od 20. storočia dôležitú úlohu v biotechnológiách. Acetón, ktorý sa dá získať pomocou baktérií, je potrebný na výrobu syntetického kaučuku. Univerzita v Manchestri najala Chaima Weizmanna , aby sa zaoberal fermentáciou, t. j. mikrobiálnou premenou organických látok pomocou húb a probiotických baktérií. Počas svojej práce v rokoch 1912 a 1914 sa Weizmannovi podarilo jeho takzvanou metódou ABE izolovať niekoľko kmeňov, z ktorých sa stalo známe Clostridium acetobutylicum. V porovnaní s doteraz známymi metódami fermentácie mala Weizmannova metóda ABE výhodu väčšej účinnosti.
V dôsledku vypuknutia prvej svetovej vojny sa dopyt po acetóne dramaticky zvýšil. Okrem iného sa používal na výrobu bezdymového strelného prachu (korditu). Hoci po skončení prvej svetovej vojny už acetón nebol takmer vôbec potrebný , butanol bol teraz žiadaný ako rozpúšťadlo pri výrobe farieb pre automobilový priemysel. Dovtedy bol butanol odpadom z výroby acetónu . S rozvojom automobilového priemyslu v 20. rokoch 20. storočia sa zvýšil aj dopyt po butanole .
Keďže koncom 50. rokov 20. storočia sa ropný priemysel rozvíjal neuveriteľným tempom a v 60. rokoch 20. storočia a cena fermentácie zároveň rástla, metóda ABE, ktorú vynašiel Weizmann, nemohla konkurovať petrochemickej výrobe . Do roku 1957 bola väčšina fermentačných závodov zatvorená. Keďže však cena ropy neustále stúpa, v súčasnosti sa uvažuje o prehodnotení fermentácie na výrobu priemyselných rozpúšťadiel.
Súčasný stav výskumu Clostridium acetobutylicum
Najmä butanol, ale aj etanol ako produkty fermentácie Clostridium acetobutylicum sa v posledných rokoch mimoriadne intenzívne skúmajú ako možný alternatívny zdroj paliva pre automobily. Butanol má oproti etanolu tú výhodu, že produkuje nižšie emisie , ale má aj vyššiu účinnosť. Štúdia z roku 2006 navrhla fermentáciu butanolu novým patentovaným postupom, čím chcela nahradiť dovtedy bežnú metódu ABE. Nový výrobný proces zahŕňa využívanie kukuričných vlákien (ide najmä o xylém), ktoré nahrádzajú C. acetobutylicum ako substrát, a tak vyrábajú hospodárnejší butanol. Výhodou je aj to, že kukuričné vlákna sú aj tak vedľajším produktom mnohých poľnohospodárskych procesov, a preto predstavujú bohatý zdroj substrátu.
Okrem výroby butanolu je C. acetobutylicum v centre záujmu výskumu aj z hľadiska výroby vodíka ako alternatívneho zdroja energie. Plynný vodík má nielen veľké množstvo energie, ale mohol by byť mimoriadne užitočný aj ako alternatíva benzínu , najmä preto, že neprodukuje oxid uhličitý ani skleníkové plyny . V súčasnosti sa väčšina plynného vodíka vyrába z neobnoviteľných zdrojov, takže alternatívny spôsob výroby pomocou fermentačných procesov by bol mimoriadne cenný. Nedávny výskum Clostridium acetobutylicum sa preto zaoberá rôznymi fermentačnými procesmi s cieľom preskúmať lepšiu výrobu plynného vodíka. Doteraz bol ako možnosť výroby predstavený reaktor s trickle bed reaktorom . Reaktor s trickle bed reaktorom využíva ako substrát glukózu, ale zatiaľ produkuje len málo plynného vodíka na to, aby ho bolo možné využiť na priemyselné účely. Ak sa však metóda bude ďalej rozvíjať, trickle bed možno považovať za možný výrobný nástroj pre budúcnosť.