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Abstract:
Bei aerober Kultivierung dient Sauerstoff als terminaler Elektronen-Akzeptor zur Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten (z.B. NADH2). Dadurch wird der Protonengradient über die Cytoplasmamembran aufrecht erhalten, der die Regeneration von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat durch die membrangebundene ATP-Synthase ermöglicht. Die Gewinnung von Stoffwechselenergie aus Substraten mit Hilfe von Sauerstoff als terminalem Elektronen-Akzeptor wird als aerobe Atmung bezeichnet.
Bei der anaeroben Atmung können beispielsweise Nitrat, Nitrit, Dimethylsulfoxid (DMSO), Trimethylamin-N-oxid (TMAO) und Fumarat als alternative Elektronen-Akzeptoren fungieren (Cole 1995). Die verschiedenen Atmungstypen unterscheiden sich insbesondere durch die ATP-Ausbeute pro Mol Substrat. Für die unterschiedlichen Stoffwechselwege werden zum Teil spezifische Enzyme benötigt.
Bei der Nitratatmung wird Nitrat durch die Nitratreduktase auf der Innenseite der Cytoplasmamembran zu Nitrit reduziert. Das cytotoxische Nitrit, wird direkt von der Nitritreduktase zu Ammonium umgesetzt. Bei diesen beiden Schritten handelt es sich um eine Umgehung der klassischen Stoffwechselwege (Denitrifikation und Stickstoff-Fixierung). Beide Stoffwechseltypen münden in der Bildung von Ammonium, dem Substrat für die organische Stickstoffbindung. Das überschüssig produzierte, nicht für organische Stickstoffverbindungen benötigte Ammonium wird von den Bakterien ins Medium sezerniert (Cole, 1980).
Als Modellorganismus wurde Escherichia coli DH5a pUT649 (als Vertreter der Enterobacteriaceae) in einem Volumen von fünf Litern anaerob in Gegenwart von Nitrat kultiviert.
Im Gegensatz zu den Angaben der Literatur wurde jedoch dabei die Beobachtung gemacht, dass Nitrit von den Zellen akkumuliert und nicht weiter zu Ammonium reduziert wird. Die maximalen Zellkonzentrationen konnten im Vergleich zu Kultivierungen ohne Nitratzugabe stark gesteigert werden. Sie lagen jedoch noch weit unter den Ergebnissen der aeroben Prozessführung. Eine wichtige Rolle bei der Wachstumslimitierung spielt neben der cytotoxischen Nitratakkumulation (x Prozent der vorgelegten Nitratmenge) der rasche Verbrauch der Aminosäuren (Liste einfügen) aus dem Fermentationsmedium. Verschiedene Ansätze zur Wachstumssteigerung bei anaerober Fermentation mit Nitrat sind Gegenstand der aktuellen Forschung im Rahmen meiner Diplomarbeit in der Arbeitsgruppe Fermentationstechnik der Universität Bielefeld.
