Gärung

Begriff und heutige Bedeutung

Gärung ist ein mikrobieller Abbau organischer Stoffe zur Energiegewinnung. Nach der neueren naturwissenschaftlichen Definition geschieht er ohne externe Elektronenakzeptoren, etwa Sauerstoff (O₂) oder Nitrat (NO₃⁻). Ein Elektronenakzeptor ist ein Stoff, der bei einer chemischen Reaktion Elektronen aufnimmt.

Gärung kann damit unter anaeroben, also sauerstofffreien, Bedingungen stattfinden. Entscheidend ist nicht nur, ob kein Sauerstoff vorhanden ist, sondern dass kein externer Elektronenakzeptor einbezogen wird. Zu den genannten Gärungsarten zählen unter anderem alkoholische Gärung, Milchsäuregärung, Buttersäuregärung, Propionsäuregärung, Ameisensäuregärung, 2,3-Butandiol-Gärung und Aceton-Butanol-Ethanol-Gärung.

Früherer Sprachgebrauch

Ursprünglich bezeichnete Gärung erkennbare Veränderungen biotischer, also von Lebewesen gebildeter, Stoffe. Dazu gehörten Veränderungen der Masse, Gasbildung, Erwärmung und Zersetzung, jedoch ohne Fäulnisgeruch. Ob Luft zutrat, wurde dabei nicht berücksichtigt.

Nach diesem älteren Begriff galten beispielsweise die Umwandlung von Most zu Wein, von Bierwürze zu Bier und von Wein zu Essig als Gärung. Dieser technische Sprachgebrauch ist teilweise weiterhin üblich. Deshalb kann die Essigsäuregärung im Alltag oder in der Technik als Gärung bezeichnet werden, obwohl sie der neuen naturwissenschaftlichen Definition nicht entspricht.

Abgrenzung und Fermentation

Organische Stoffe können anaerob oder aerob, also mit Sauerstoff, abgebaut werden. Bei der sogenannten Essigsäuregärung wird Sauerstoff verbraucht. Sie ist daher keine Gärung im neuen naturwissenschaftlichen Sinn.

Der englische Ausdruck fermentation führt zu zusätzlicher Unsicherheit. Das deutsche Wort Fermentation wird in mindestens drei Bedeutungen verwendet:

• als Gärung im neueren Sinn, also als biotischer Energiestoffwechsel ohne Einbeziehung von Sauerstoff;
• für Veränderungen biotischen Rohmaterials bei der Herstellung bestimmter Produkte, etwa bei Tabakblättern oder beim Inhalt von Kakaofrüchten einschließlich ihrer Samen; Sauerstoff wird dabei nicht oder nur unvollständig ausgeschlossen;
• in der Biotechnik für die gesteuerte Produktion biotischer Stoffwechselprodukte, mit oder ohne Einbeziehung von Sauerstoff.

Wissenschaftliche Klärung

Bereits um 1650 unterschied Johann Joachim Becher Fäulnis und Gärung. Er trennte außerdem alkoholische („geistige“) Gärung von saurer Gärung mit Essig- und Milchsäurebildung. Um 1815 stellte Joseph Louis Gay-Lussac die chemische Gleichung der alkoholischen Gärung auf.

Untersuchungen von Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann und Friedrich Traugott Kützing zeigten, dass Gärung zuckerhaltiger Flüssigkeiten mit Ethanol- und Kohlenstoffdioxidbildung ein biotischer Vorgang ist und Bierhefe aus Mikroorganismen besteht. Louis Pasteur erforschte 1857 die Milchsäuregärung und 1861 die Buttersäuregärung. Er zeigte, dass deren Mikroorganismen ohne Sauerstoff leben, Stoffwechsel betreiben und wachsen können; bei der Buttersäuregärung wirkt Sauerstoff hemmend.

Zunächst nahm man an, alle Gärungen liefen ohne Sauerstoff ab. Die später erkannte Einbeziehung von Sauerstoff bei der Essigsäuregärung führte zu neueren Definitionen, die Sauerstoff als Elektronenakzeptor ausschließen.

Biologische und technische Bedeutung

Im Vergleich zur Atmung liefert Gärung nur wenig Energie. Statt Citratzyklus und anschließender Atmungskette nutzt sie ausschließlich die Substratkettenphosphorylierung, eine Art der ATP-Bildung. ATP (Adenosintriphosphat) ist ein wichtiger Energieträger der Zelle. Durch Substratkettenphosphorylierung kann ATP jedoch schnell gebildet werden. Das ist besonders für anaerob wachsende Organismen vorteilhaft, weil sie nicht auf Sauerstoff als externen Elektronenakzeptor angewiesen sind.

Auch in sauerstoffarmen Lebensräumen höherentwickelter, sonst aerob lebender Organismen kann Gärung zur Energieversorgung beitragen. Quastenflosser und andere Meereswirbeltiere nutzen sie in Tiefen mit geringer Konzentration gelösten Sauerstoffs. Tintenfische gewinnen einen Teil ihrer Energie durch Vergärung von Pyruvat; dabei entsteht Octopin.

Organismen mit eigener Gärung heißen primäre Gärer. Sekundäre Gärer nehmen deren Gärprodukte auf und vergären sie weiter zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), Acetat oder Wasserstoff (H₂). Technisch dienen Gärungen, besonders alkoholische Gärung und Milchsäuregärung, der Herstellung, Veredelung und Konservierung von Lebensmitteln und Futtermitteln.