1.

Einleitung

Gärung, biochemische Umwandlung organischer Stoffe bei Abwesenheit von Sauerstoff.

Gärung ist neben Atmung und Photosynthese einer der drei Stoffwechselwege, über die Lebewesen die nötige Energie für ihren Organismus gewinnen. Im Gegensatz zur Atmung findet Gärung nur unter anaeroben Bedingungen statt. Die chemischen Reaktionen laufen zunächst wie bei der Glykolyse ab, deren Endprodukt Brenztraubensäure ist. Gärenden Mikroorganismen fehlt jedoch mindestens eines der speziellen Enzyme, die bei aeroben Mikroorganismen und höheren Organismen die Schritte zum weiteren Abbau dieser Substanz im Citratzyklus und in der Atmungskette katalysieren. Da bei der Gärung ein großer Teil der Energie in den Molekülen bleibt, die als Endprodukte ausgeschieden werden, liefert sie viel weniger Stoffwechselenergie (in Form von ATP) als die Atmung.

Gärung dient in erster Linie anaeroben Bakterien, aber auch Hefen und Schimmelpilzen zur Energiegewinnung. Hefen und Bakterien sind fakultativ anaerob, d. h., sie können sowohl durch Atmung als auch durch Gärung Energie gewinnen. Auch in Wurzeln und Samen höherer Pflanzen sowie in Muskeln von Menschen und Tieren kann es bei Sauerstoffmangel zur Gärung kommen. Bei der Fäulnis und Verwesung toten organischen Materials, das von anderen Schichten überdeckt wurde und deshalb nicht mehr von sauerstoffhaltiger Luft oder sauerstoffreichem Wasser umgeben ist, findet Zersetzung durch mikrobielle Gärung statt.

Viele Organismen nutzen zur Gärung Kohlenhydrate als Ausgangsstoff (Substrat). Das Spektrum an möglichen Substraten und Endprodukten ist sehr breit. Einige in der Natur weit verbreitete Substanzen, z. B. Carotinoide, Steroide und Terpene, können nur veratmet, d. h. in Gegenwart von Sauerstoff abgebaut, nicht aber vergoren werden. Das liegt daran, dass die Moleküle dieser Verbindungen (fast) keine energiereichen Bindungen mit Sauerstoffatomen enthalten. Deshalb wurde totes, an Kohlenwasserstoffen reiches Pflanzenmaterial in Sedimenten unter Sauerstoffabschluss auch über Jahrmillionen nicht völlig abgebaut und dient dem Menschen heute als fossiler Brennstoff (Erdöl, Kohle).

2.

Gärungsprozesse

Bei der alkoholischen Gärung von Hefen werden kleine Zucker, vor allem Glucose, Fructose und Maltose, in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt. Als Zwischenprodukt entsteht Acetaldehyd; der an der alkoholischen Gärung beteiligte Komplex von Enzymen wird zusammenfassend als Zymase bezeichnet. Die alkoholische Gärung kommt in der Natur beim Abbau zuckerhaltigen Obstes vor, sie spielt auch in der Lebensmitteltechnologie eine große Rolle.

Bei der Milchsäuregärung wird Lactose (Milchzucker) mit Hilfe des Enzyms Lactase zu Lactat (Milchsäure) zersetzt; sie macht die Milch sauer. Bei der homolaktischen Fermentation entsteht lediglich Lactat (und keinerlei Gas), bei der heterolaktischen werden auch kleinere Mengen an Kohlendioxid sowie Ethanol gebildet. Ein Spezialfall der Milchsäuregärung ist die malolaktische Gärung, bei der Milchsäurebakterien Apfelsäure in Milchsäure umwandeln; dieser Prozess wird zur Verfeinerung von Wein oder Champagner genutzt.

Bei der Buttersäuregärung entsteht aus einer Vielzahl möglicher Substrate Buttersäure, außerdem werden Kohlendioxid und Wasserstoff frei. Buttersäuregärung wird z. B. von Bakterien durchgeführt, die auf der Haut und den Schleimhäuten von Menschen und Tieren leben. Einige dieser Bakterien sind auch zur Homoacetatgärung (Essigsäuregärung) in der Lage, bei der Essigsäure entsteht. Ähnliche Gärungsprozesse bzw. Nebenwege der beschriebenen Prozesse liefern als Endprodukte Aceton oder Acetoin, einfache Carbonsäuren wie Ameisensäure, Propionsäure, Bernsteinsäure und Capronsäure oder Fuselöle wie Propanol, Butanol und Butandiol.

3.

Bedeutung der Gärung für den Menschen

Im menschlichen Darm leben verschiedene Bakterienarten, die zu den Enterobacteriaceae gehören und in ihrer Gesamtheit als Darmflora bezeichnet werden. Diese Bakterien gewinnen im anaeroben Medium des Darms Energie, indem sie unverdaute Kohlenhydrate vergären. Normalerweise hält die Darmflora durch ihre Gärtätigkeit den Darm gesund. Gerät sie aus dem Gleichgewicht, entstehen in größeren Mengen Gase (z. B. Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid) oder schädliche Gärungsprodukte. Dies kann zu schmerzhaften Blähungen, Durchfall oder Darmerkrankungen führen. Auch im Mund- und äußeren Genitalbereich des Menschen leben gärende Bakterien, die bei Störungen Beschwerden oder Krankheiten auslösen können.

Mikrobielle Gärungsprozesse werden – oft schon seit prähistorischer Zeit – zur Herstellung und Konservierung von Lebensmitteln genutzt, z. B. Milchprodukte wie Käse, Kefir, Kumys, Joghurt und Quark, Essig, alkoholische Getränke wie Wein oder Brot aus Sauerteig. In der Viehzucht wird nahrhaftes Futter (Silage) durch kontrollierte Gärung gewonnen. Auch die Tabak- und die Textilindustrie nutzt derartige Fermentationsprozesse. In der Chemieindustrie werden Aceton, Butanol und Glycerin in großem Maßstab durch biotechnologische Gärung mit Hilfe von Mikroorganismen gewonnen. Der Erforschung dieser Gärungsprozesse widmet sich die Zymologie.

Bei der Abwasserbehandlung tragen Methan bildende Bakterien mit ihren Gärungsreaktionen zur Reinigung des Klärschlammes bei. Vergärung durch Mikroorganismen spielt auch bei der Abfallentsorgung und bei der Sanierung von Böden und Grundwasser eine große Rolle. Das bei der Gärung in Mülldeponien entstehende Deponiegas wird zur Energiegewinnung genutzt, ebenso Biogas, das bei der Vergärung von Biomasse frei wird.

Siehe auch Bioreaktor