Clostridien

Clostridien
Clostridium botulinum
Systematik
Domäne: Bakterien Stamm: Firmicutes Klasse: Clostridia Ordnung: Clostridiales Familie: Clostridiaceae Gattung: Clostridien
Wissenschaftlicher Name
Clostridium
Prazmowski 1880

Clostridien (von griech. „Spindel“) sind grampositive, obligat anaerobe, Sporen bildende Bakterien aus der Familie der Clostridiaceae. Clostridium botulinum verursacht Botulismus, Clostridium tetani verursacht Tetanus (Wundstarrkrampf). Andere Arten rufen Gasbrand, Bradsot, Rauschbrand und Labmagenpararauschbrand hervor. Weitere Arten verursachen keine Krankheiten (apathogen) und werden in der Biotechnologie eingesetzt.

Die Endosporen sind hitzeresistent und können in siedendem Wasser viele Stunden, einige bei 110 °C etwa eine Stunde, überleben. Clostridien können sich, mit Ausnahme von C. perfringens, mit peritrich angeordneten Geißeln aktiv bewegen. Die Bakterien kommen überall vor (ubiquitär), vor allem in Böden und im Verdauungstrakt von höheren Lebewesen. Sie gelangen durch Staub- und Erdpartikel auch in Lebensmittel.

Unter dem Aspekt ihrer bevorzugten Energiequelle können Clostridien in drei große Gruppen eingeteilt werden:

1. Proteolytische Clostridien: Spaltung von Eiweißen und/oder paarweise Umsetzung von Aminosäuren
2. Harnsäure-spaltende Clostridien, z. B. C. acidi-urici
3. Saccharolytische Clostridien: Vergärung von Kohlenhydraten (Zucker, Zellulose, Stärke)

Hauptgärungprodukte der saccharolytischen Clostridien sind Buttersäure, Aceton, Butanol, Kohlenstoffdioxid und molekularer Wasserstoff (H₂).

Biotechnische Bedeutung

Produktion organischer Lösemittel

Clostridium acetobutylicum ist in der Lage, Zucker zu den Lösemitteln Aceton, 1-Butanol, Ethanol und zu den organischen Säuren Essigsäure und Buttersäure zu vergären. Das Bakterium wurde bis Mitte des 20. Jahrhunderts zur biotischen Produktion der genannten organischen Lösemittel im industriellen Maßstab genutzt. Das erste Mal beschrieben wurde es von Chaim Weizmann, dem ersten Präsidenten des Staates Israel.

Darüber hinaus werden zahlreiche weitere Clostridienarten für die biotechnologische Produktion von verschiedenen Produkten eingesetzt bzw. werden als potenzielle Produzenten erforscht, unter anderem das für die Synthesegas-Fermentation nutzbare Clostridium ljungdahlii. ^[1]

Clostridien in der Landwirtschaft

Clostridien sind in Böden weit verbreitet. Saccharolytische Clostridien (nicht jedoch Vertreter der übrigen Clostridiengruppen) sind in der Lage, molekularen Stickstoff (N₂) zu reduzieren und somit zu fixieren. Sie werden deshalb als diazotroph bezeichnet und sind damit natürliche Düngerproduzenten im Erdboden. Aktivster N₂-Fixierer der Gattung ist Clostridium pasteurianum in anoxischen Sedimenten.

In der Ausgabe 10/2005 des dlz-Agrarmagazins ^[2] wird vor der Aufschaukelung von Clostridien in landwirtschaftlichen Biogasanlagen (Co-Vergäranlagen) gewarnt. In solchen Anlagen werden Gülle aus der Tierhaltung und Grünabfälle von Kommunen, Gewerbe und Industrie in der Regel bei unter 40 °C anaerob vergoren. In diesem Prozess fänden Clostridien beste Vermehrungsbedingungen. Die Autorin empfiehlt, Gärsubstrate einzupflügen und nicht auf Grünflächen aufzubringen. Mit dem Einsatz von "effektiven Mikroorganismen" soll zudem die Aufschaukelung reduziert werden.

Die Landwirtschaftskammer NRW hat bezüglich Clostridien und Biogasgülle vor "Panikmache" gewarnt. Eine Vermehrung des häufig als problematisch genannten Bakteriums Clostridium perfringens sei bislang nicht festgestellt worden. In Übereinstimmung mit dem Bayerischen Landesamt für Landwirtschaft ^[3] wird jedoch vor der Ausbringung von Fleischfresserkot und Guano (Vogeltrockenkot) gewarnt, weil darin einhunderttausendmal mehr krankheitserregende Bakterien vom Typ Clostridium perfringens vorkommen als im Kot von Pflanzenfressern. Hier liegt die Keimzahl bei 100 - 10000 pro 1 ml. In der Ausbringung von Gärresten aus Biogasanlagen auf Futterpflanzen und Weiden könnte sich eventuell eine Gesundheitsgefahr ergeben, wenn diese Produkte eingesetzt werden.

Auch die Gefahr von Botulismus, die von Clostridium botulinum ausgeht, soll eingeschränkt werden: So dürfen in NRW Geflügelexkremente nur auf Ackerland und in Biogasanlagen eingesetzt werden, jedoch nicht auf Grünland und Feldgrasflächen ausgebracht werden.^[4]

Ob käsereischädliche Clostridien mit Biogasanlagen in Zusammenhang gebracht werden können, erscheint unwahrscheinlich: Die Erfahrungen mit zwei Betrieben in NRW über 8 Jahren zeigen sogar eine besonders niedrige Belastung.^[5]

Clostridien als Lebensmittelverderber oder -vergifter

• C. botulinum - Lebensmittelvergifter
• C. butyricum - Lebensmittelverderber
• C. estertheticum – Lebensmittelverderber, besonders gekühltes Fleisch
• C. pasteurianum - Lebensmittelverderber
• C. perfringens - Lebensmittelvergifter
• C. putrefaciens - Lebensmittelverderber
• C. sporogenes - Lebensmittelverderber
• C. tyrobutyricum - Lebensmittelverderber, besonders in Hartkäsen

Clostridien in Dosenkonserven

Clostridium-Endosporen können wegen ihrer ausgeprägten Resistenz gegen hohe Temperaturen bei der Sterilisation von Dosenkonserven bei unzureichender Erhitzung überleben. Sie keimen während der Lagerung der Konserven aus, und die Clostridien vermehren sich darin, da sie für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff benötigen (sie sind obligat anaerob). Ihr Stoffwechsel führt zum Verderb der Konserven: Das Konservengut wird zersetzt, es bilden sich unangenehm riechende und schmeckende Säuren, die gebildeten Gase Kohlenstoffdioxid (CO₂) und molekularer Wasserstoff (H₂) blähen die Konservendosen auf (sogenannte „Bombage“).

Medizinische Bedeutung

Medizinisch wichtige Clostridien-Arten

• Clostridium botulinum, Erreger des Botulismus
• Clostridium chauvoei, Erreger von Rauschbrand bei Rind und Schaf
• Clostridium difficile, Erreger der durch Antibiotika induzierten Darmentzündung, der Pseudomembranösen Colitis. Bei den Erkrankten sind häufig Entero- und Cytotoxine nachweisbar
• Clostridium gigas, Erreger des Deutschen Bradsot (ebenfalls ein Gasbrand)
• Clostridium histolyticum, ein seltener und besonders gefährlicher Gasbranderreger
• Clostridium sordelii, ein weiterer seltener Gasbranderreger
• Clostridium perfringens, der klassische Gasbranderreger, der auch Lebensmittelvergiftungen verursacht
• Clostridium piliforme, Erreger der Tyzzer’s Disease, die insbesondere bei Nagetieren vorkommt
• Clostridium septicum, Erreger von Gasbrand bei Mensch und Tier und Labmagenpararauschbrand der Schafe
• Clostridium novyi, Erreger des Deutschen Bradsot (ebenfalls ein Gasbrand)
• Clostridium tetani, Erreger des Wundstarrkrampfes (Tetanus)

Virulenzfaktoren

Clostridium botulinum produziert das Botulinumtoxin, das bereits nach 30-minütiger Erhitzung bei 80 °C inaktiviert ist. Die unterschiedlichen Typen spalten hydrolytisch Proteine, die die Verschmelzung mit der synaptischen Membran vermitteln (Synaptobrevin, Synaptotaxin, SNAP-25). Das wiederum hemmt die Ausschüttung von Acetylcholin aus den Synapsen. Clostridium tetani produziert das Tetanustoxin. Es wird beim Zerfall der Bakterienzelle freigesetzt. Synaptobrevin wird gespalten, und so wird die Freisetzung der inhibitorischen Neurotransmitter Glycin und GABA gehemmt (daher der Name Wundstarrkrampf). Clostridium perfringens produziert unter anderem das Toxin-Alpha (= Lecithinase), das Zellmembranen zerstört, und es produziert Enterotoxine und porenbildende Toxine. Clostridium difficile produziert die Toxine A (Enterotoxin-Wirkung) und B (zytolytische Wirkung).

Einzelnachweise

1. ↑ Michael Köpke, Claudia Held, Sandra Hujer, Heiko Liesegang, Arnim Wiezer Antje Wollherr, Armin Ehrenreich, Wolfgang Liebl, Gerhard Gottschalk, Peter Dürre: Clostridium ljungdahlii represents a microbial production platform based on syngas. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States (PNAS) 107 (29), 20. Juli 2010. Volltext, PMID 20616070.
2. ↑ Monika Krüger, in: dlz-Agrarmagazin. 56.2005,10, S.14. ISSN 0340-787X
3. ↑ LfL - Umwelttechnik
4. ↑ Neue Regeln für den Gülleimport
5. ↑ Clostridien in Biogasanlagen - keine Risiken für Tiergesundheit und Milchqualität

Literatur

• Martin Dworkin, Stanley Falkow, Eugene Rosenberg, Karl-Heinz Schleifer, Erko Stackebrandt (Hrsg.): The Prokaryotes. Bd 4. Bacteria - Firmicutes, Cyanobacteria. 3.Aufl. Springer, New York 2006. ISBN 0-387-25494-3. DOI 10.1007/0-387-30744-3

Weblinks

 Commons: Clostridien – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien