Buttersäuregärung

Grundprinzip und beteiligte Mikroorganismen

Buttersäuregärung ist der mikrobielle Abbau organischer Stoffe, vor allem von Kohlenhydraten. Dabei entstehen hauptsächlich Buttersäure beziehungsweise ihr Anion Butyrat, elementarer Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoffdioxid (CO₂); in kleineren Mengen werden auch Essigsäure (Acetat) und Ethanol gebildet. Für die Buttersäuregärer ist dieser Abbau eine Energiequelle.

Die Gärung wird vor allem von grampositiven, anaeroben Endosporenbildnern der Gattung Clostridium durchgeführt. Anaerob bedeutet, dass sie nur unter Ausschluss von Sauerstoff wachsen. Die Organismen sind neutrophil bis alkaliphil, wachsen also bei neutralem bis alkalischem pH-Wert. Ähnliche Gärwege kommen auch bei nicht sporenbildenden Vertretern der Gattungen Eubacterium, Sarcina, Ruminococcus, Peptococcus, Acidaminococcus und Sporomusa vor.

Vorkommen und verwertete Stoffe

Buttersäuregärer kommen unter anderem im Pansen von Wiederkäuern, in Gewässersedimenten und im Boden vor.

Nach der Herkunft des vergorenen Substrats werden verschiedene Gruppen unterschieden:

• Saccharolytische Buttersäuregärer vergären Kohlenhydrate wie Stärke, Cellulose und Zucker.
• Peptolytische Vergärer nutzen Aminosäuren, Peptide oder Nukleinbasen.

Abbauweg zu Butyrat, Acetat und Ethanol

Saccharolytische Buttersäuregärer bauen beispielsweise Glucose zunächst durch Glykolyse zu Pyruvat ab. Pro Glucose entstehen dabei je zwei Moleküle ATP und NADH. NADH ist ein Reduktionsäquivalent, also ein Elektronenüberträger, der in den verschiedenen Zweigen der Gärung wieder reoxidiert werden muss.

Pyruvat wird durch die Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase oxidativ decarboxyliert: CO₂ wird abgespalten und Coenzym A eingebaut, sodass Acetyl-CoA entsteht. Anders als bei der entsprechenden Reaktion der Pyruvatdehydrogenase werden die Elektronen auf Ferredoxine übertragen. Eine Hydrogenase reoxidiert reduziertes Ferredoxin; dabei entsteht H₂.

Acetyl-CoA kann zwei Nebenwege einschlagen. Es kann über Acetaldehyd unter Verbrauch von zwei Molekülen NADH zu Ethanol reduziert werden. Oder es wird mit anorganischem Phosphat zu Acetylphosphat umgesetzt. Dessen energiereiche Anhydridbindung ermöglicht die Übertragung eines Phosphatrests auf ADP. Bei dieser Substratkettenphosphorylierung entsteht ATP und als Produkt Acetat.

In Clostridien wird Acetyl-CoA hauptsächlich zum namensgebenden Butyrat weiterverarbeitet. Zwei Moleküle Acetyl-CoA kondensieren, katalysiert durch eine Thiolase, zu Acetacetyl-CoA. Über 3-Hydroxybutyryl-CoA und Crotonyl-CoA entsteht durch zwei Reduktionsschritte und Wasserabspaltung Butyryl-CoA. Dieses wird mit anorganischem Phosphat zu Butyrylphosphat umgeestert. Schließlich bildet eine Butyrat-Kinase aus diesem ATP und Butyrat.

Energiebilanz und Lösungsmittelgärung

Wenn Glucose vollständig zu Buttersäure vergoren wird, werden unter Standardbedingungen 247 kJ/mol freigesetzt. Bei Clostridium pasteurianum ermöglicht dies die Bildung von drei Molekülen ATP:

Glucose + 3 ADP + 3 Pᵢ → Butyrat + 2 CO₂ + 2 H₂ + 3 ATP

Tatsächlich entstehen jedoch immer auch geringe Mengen Acetat und Ethanol.

Die anfallende Essigsäure und Buttersäure senken während der Gärung den pH-Wert. Einige Clostridien wechseln bei sinkendem pH-Wert zur Lösungsmittel- oder Butanolgärung. Statt Säuren entstehen dann die neutralen Produkte Butanol, Aceton und 2-Propanol, welche die Umgebung nicht weiter ansäuern. Die Bezeichnung beruht darauf, dass diese Produkte in der chemischen Industrie als Lösungsmittel verwendet werden.

Besonders gut untersucht ist Clostridium acetobutylicum, das rasch von der Buttersäure- zur Lösungsmittelgärung wechselt. Dabei wird Butyrat wieder zu Butyryl-CoA umgesetzt und durch zwei Dehydrogenasen zu Butanol reduziert. Acetyl-CoA wird zu Acetacetat überführt, das eine Decarboxylase zu Aceton decarboxyliert. Aceton kann durch eine 2-Propanol-Dehydrogenase zu 2-Propanol reduziert werden; dies geschieht beispielsweise bei Clostridium butyricum. Die Lösungsmittelgärung war von den 1930er bis 1960er Jahren wirtschaftlich interessant, weil aus einfachen Polysacchariden Lösungsmittel hergestellt werden konnten. Die Produktionsmengen sind auf diesem Weg jedoch begrenzt.