Penicillium-Citratausscheidung in kontinuierlicher Kultur

Myzelbildende Pilze nehmen in der Biotechnologie einen bedeutenden Platz ein. Penicillin, Vitamin B und Zitronensäure werden zum Beispiel mit Hilfe myzelbildender Pilze produziert. In den letzten Jahren haben sich neue, vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Pilze aus dieser Gruppe eröffnet. Eines davon ist die umweltschonende Laugung von Metallen aus Armerzen bzw. Industrierückständen mit Hilfe organischer Säuren. In diesem Projekt wird die Regulation der Ausscheidung organischer Säuren, vor allem von Zitronensäure, in dem schwermetalltoleranten Pilz Penicillium simplicissimum untersucht. Die Ausscheidung von Zitronensäure durch Penicillium simplicissimum kann zum umweltschonenden Recycling von Filterstäuben aus der metallverarbeitenden Industrie bzw. aus Verbrennungsanlagen eingesetzt werden. Penicillium simplicissimum scheidet noch andere organische Säuren neben Zitronensäure aus. Welche Säuren tatsächlich ausgeschieden werden, und in welcher Menge, hängt zum Großteil von der Zusammensetzung des Nährmediums bzw. von anderen Wachstumsbedingungen wie Sauerstoffversorgung, pH-Wert etc. ab. In diesem Projekt wird der Einfluß ausgewählter Wachstumsbedingungen auf die Säureausscheidung dieser drei Pilze untersucht. Um die Auswirkung einer einzelnen Komponente des Nährmediums: feststellen zu können, müssen die Konzentrationen der anderen Komponenten, sowie die Kultivierungsparameter konstant gehalten werden. Diese Forderung ist nur bei der Methode der "kontinuierlichen Kultivierung" erfüllt. Bei allen anderen Kultivierungsmethoden ändern sich während des Wachstums mehrere Faktoren gleichzeitig, wodurch die Bedeutung eines einzelnen Parameters nicht mehr beurteilt werden kann. In diesem Projekt wird daher die Regulation der Säureausscheidung mit Hilfe der Methode der kontinuierlichen Kultivierung untersucht. Die Ergebnisse dieses Projektes werden einerseits unser Wissen über die Regulation des Primärstoffwechsels bei myzelbildenden Pilzen erweitern (Grundlagenforschung), andererseits werden Kriterien erarbeitet, die es erlauben, Wachstumssubstrate danach zu beurteilen, wie gut sie für die Säureproduktion durch Penicillium simplicissimum geeignet sind (angewandte Forschung).

Zusammenfassung Die Ausscheidung von Citronensäure durch den Pilz Penicillium simplicissimum wird durch einen Mangel an Phosphor, sowie durch zusätzliche Stressfaktoren, wie eine hohe Salzkonzentration, besonders stark gesteigert. Diese Erkenntnisse sind ein weiterer Schritt auf dem Weg, diesen Pilz in umweltfreundlichen Metallgewinnungsverfahren biotechnologisch einzusetzen. Kurzfassung des Endberichtes Schimmelpilze scheiden unter bestimmten Wachstumsbedingungen große Mengen an Säuren aus. Dieses Phänomen wird z. B. genutzt, um mit dem Schimmelpilz Aspergillus niger Citronensäure industriell zu produzieren. Eine weitere biotechnologische Anwendung dieses Phänomens ist der Einsatz säureproduzierender Pilze zur Gewinnung von Metallen aus Industrierückständen und Armerzen ("biohydrometallurgische Laugungsverfahren"). Will man den Stoffwechsel gezielt in Richtung Steigerung der Säureproduktion beeinflussen, dann müssen wir die Gründe verstehen, die eine Zelle dazu "zwingen", Säuren auszuscheiden. Die Säureausscheidung ist zu einem guten Teil an ein Wachstum des Pilzes gekoppelt. Daher braucht man zur Untersuchung dieses Phänomens eine Methode, mit der die Wachstumsgeschwindigkeit des Pilzes in kontrollierter Weise verändert werden kann. Diese Methode wird als "kontinuierliche Kultur" bezeichnet. Mit dieser Kultivierungs-Methode kann der Einfluss von Umweltfaktoren und Wachstumsgeschwindigkeit auf die Säureausscheidung eindeutig festgestellt werden. Bis zum Beginn dieses Projektes wurde noch bei keinem Pilz eine systematische Untersuchung der Säureausscheidung mittels kontinuierlicher Kultur durchgeführt. Das ist umso erstaunlicher, als bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts Citronensäure mit dem Schimmelpilz Aspergillus niger produziert wird. Gründe dafür sind sicherlich, dass diese Kultivierungs-Methode apparativ aufwendig und gerade bei Pilzen mit speziellen Schwierigkeiten verbunden ist. Wir untersuchten in diesem Projekt die Säureausscheidung durch den Pilz Penicillium simplicissimum. Dieser Pilz kommt weltweit im Boden vor und wird wegen seiner Toleranz gegenüber Schwermetallen in Metall- Laugungsverfahren eingesetzt. Die Säureausscheidung durch Penicillium simplicissimum weist folgende Charakteristika auf: (i) Säuren werden dann ausgeschieden, wenn dem Pilz nur langsames Wachstum möglich ist, aber gleichzeitig ein Überangebot an Zucker vorliegt; (ii) die Menge der ausgeschiedenen Säuren hängt u. a. davon ab, welcher Nährstoff das Wachstum des Pilzes begrenzt (als am günstigsten erwies sich ein Mangel an Phosphor); und (iii) zusätzliche Stressfaktoren - wie z. B. eine hohe Salzkonzentration im Medium - erhöhen die Säureausscheidung. Die Ergebnisse dieses Projektes (die übrigens durchaus auf andere Schimmelpilze übertragbar sind) sind in zweierlei Hinsicht von Bedeutung. Einerseits wird dadurch unser Wissen über die Physiologie einer biotechnologisch wichtigen Gruppe von Mikroorganismen erweitert. Andererseits kann der Stoffwechsel dieses Pilzes damit gezielt in Richtung höherer Säureproduktion beeinflusst werden. Damit sind wir dem Ziel, umweltfreundliche Laugungsverfahren zur Metallgewinnung als wirtschaftlich vertretbare Konkurrenz zu konventionellen Verfahren zu etablieren, wieder einen Schritt näher gekommen.