Die vielfältigen Anwendungen von Mikroorganismen: Pharmazie, Umwelt und Energie

Mikroorganismen in der pharmazeutischen Industrie

Antibiotika sind antimikrobielle chemische Verbindungen, die von Pilzen und Bakterien synthetisiert werden. Alexander Fleming entdeckte Penicillin zufällig, als er eine Petrischale kontaminiert vorfand. Er bemerkte, dass der Pilz eine Substanz absondert, die Bakterienkolonien zerstört. Penicillin ist besonders wirksam gegen grampositive Bakterien. Später wurde das Antibiotikum Streptomycin entdeckt, das sowohl gegen grampositive als auch gegen gramnegative Bakterien, insbesondere gegen Tuberkulose, wirksam ist.

Einige Pilze und Bakterien produzieren größere Mengen dieser Substanzen. Die Produktion erfolgt unter aeroben Bedingungen und erfordert kostengünstige Nährmedien für den Anbau.

Wichtige Enzyme, die von Mikroorganismen produziert werden, sind Proteasen, die in bioaktiven Waschmitteln verwendet werden, sowie Glucoamylasen und Amylasen zur Gewinnung von Glukose aus Stärke.

Mikrobielle Gentechnik und weitere Anwendungen

Die mikrobielle Gentechnik ermöglicht es, Gene, die die Produktion eines bestimmten Moleküls steuern, in das Genom eines Bakteriums einzuführen. Die Bakterien nehmen dieses DNA-Fragment auf, klonieren das Gen und produzieren das gewünschte Molekül.

Mikroorganismen sind äußerst nützlich für die Gewinnung von Medikamenten, Impfstoffen und Hormonen. Durch biotechnologische Verfahren werden wichtige medizinische Moleküle wie Hormone und Impfstoffe (z.B. gegen Cholera oder Tollwut) gewonnen.

Mikroorganismen werden auch als Nahrungsergänzungsmittel entwickelt. Hefen und Bakterien dienen als Single-Cell-Protein (SCP). Viele Vitamine, die für die Aufrechterhaltung des Lebens unerlässlich sind, werden im Labor durch mikrobielle Fermentation hergestellt.

Eine weitere Anwendung ist die Herstellung von Biopestiziden. Im Gegensatz zu chemischen Pestiziden, die sich in Blättern, Früchten, Nüssen oder Wasser anreichern und negative Auswirkungen auf die Umwelt haben können, produzieren bestimmte Bakterien unlösliche Proteine in Form von kristallinen Einschlüssen, die für zahlreiche Insektenlarven toxisch sind.

Abwasserbehandlung

Abwasser enthält organische und anorganische Feststoffe. Zunächst erfolgt die Trennung des Wassers von anorganischen Materialien. Anschließend zersetzen Mikroorganismen die organische Substanz durch Fermentation.

In geschlossenen Behältern unterliegen Makromoleküle einem enzymatischen Abbau durch Fermentation. Anschließend produzieren methanogene Bakterien Methan. In Oxidationsbecken findet die Oxidation organischer Stoffe in anaeroben Prozessen statt, bei denen CO2 entsteht.

Das Wasser wird anschließend Potabilisierungsprozessen unterzogen. Um es in Flüsse zurückleiten zu können, darf es keine anorganische Eutrophierung des Wassers verursachen.

Biokraftstoffe

Biokraftstoffe sind Kraftstoffe, die in der Automobilindustrie verwendet werden und ihren Ursprung in der organischen Biomasse haben.

Arten von Biokraftstoffen

• Biodiesel: Ist ein synthetischer Kraftstoff, der durch Umesterung von Triglyceriden mit Alkoholen hergestellt wird. Hierfür kann beispielsweise gebrauchtes Frittieröl verwendet werden, was zur Abfallbeseitigung beiträgt und eine umweltfreundlichere Alternative darstellt. Biodiesel ist mit herkömmlichem Diesel vergleichbar und biologisch abbaubar.
• Bioethanol: Ist Ethylalkohol, der durch Vergärung von Getreidezucker gewonnen wird. Der Zucker muss zunächst einer Hydrolyse unterzogen werden, um Glukose und Fruktose zu erzeugen, die dann von Hefe vergoren werden.

Nachteile von Biokraftstoffen

• Landmangel und Preiserhöhungen für Nahrungsmittel.
• Rodung großer Waldflächen zur Schaffung von Anbaugebieten.
• Emission von Lachgas (N2O) in die Atmosphäre, das eine 300-mal stärkere Treibhauswirkung als CO2 hat.
• Der benötigte Anbauflächenbedarf wäre extrem hoch, möglicherweise ein Vielfaches der gesamten Landfläche des Planeten.