Leben ohne Sauerstoff: Die anaerobe Kammer

Ist Leben ohne Sauerstoff möglich?

Während viele Science-Fiction-Filme die Vorstellung popularisiert haben, dass Sauerstoff eine essentielle Voraussetzung für Leben im Allgemeinen ist, gibt es auch auf unserem Planeten Organismen, die keinen Sauerstoff benötigen oder für die er sogar tödlich ist!

Das Merkmal dieser Organismen wird als „Anaerobiose“ (vom Griechischen aero und bios, also „Leben ohne Luft“) bezeichnet, und die anaerobe Kammer ist das Instrument, das moderne Wissenschaftler zur Untersuchung dieser Organismen verwenden.

Was ist eine anaerobe Kammer?

Eine anaerobe Kammer ist eine abgeschlossene Umgebung, die entwickelt wurde, um den Sauerstoffgehalt darin drastisch zu reduzieren oder sogar vollständig zu eliminieren. Neben Sauerstoff können in der anaeroben Kammer üblicherweise auch andere Umweltparameter wie Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit überwacht und angepasst werden .

Wie eine anaerobe Kammer hergestellt wird

Es gibt verschiedene Modelle von Anaerobierkammern , aber einige Merkmale sind allen gemeinsam.

Zunächst muss das Innere der Kammer hermetisch von außen abgedichtet . Um die eingebrachten Proben handhaben zu können, verfügen anaerobe Kammern daher häufig über Türen, an denen Handschuhe befestigt werden können, sodass die Bediener in die Bakterienkulturen eingreifen können.

Weitere wesentliche Elemente der Kammer sind die Kontrolle der internen Atmosphäre und des Sauerstoffs.

Die sauerstofffreie Umgebung wird tatsächlich dadurch erreicht, dass der Raum mit Edelgasen, üblicherweise Stickstoff oder Argon, gefüllt wird.

Die anaeroben Kammern sind außerdem mit Überwachungssystemen ausgestattet, die ständig sowohl das Vorhandensein von Sauerstoff im Innerenals auch andere Umweltparameter wie Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit überwachen, um die Präzision und Zuverlässigkeit des Tests zu gewährleisten.

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Wozu werden anaerobe Kammern verwendet?

Anaerobe Kammern finden Anwendung in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen, vor allem aber in der medizinischen und pharmakologischen , da sie die ideale Umgebung für die Kultivierung und Untersuchung bestimmter Arten anaerober Bakterien, Organismen, die in Abwesenheit von Sauerstoff gedeihen.

Eine detailliertere Analyse dieses faszinierenden Organismentyps finden Sie hier. 

In der chemischen Industrie werden sie jedoch für den Umgang mit sauerstoffempfindlichen Chemikalien und bei der Herstellung von Materialien eingesetzt, die eine sauerstofffreie Umgebung benötigen, um ihre Integrität zu erhalten.

Nicht-anaerobe Wachstumskammern

Trotz ihrer fundamentalen Bedeutung für die Erforschung anaerober Organismen stellen Anaerobierkammern nur eine Art von Laborinstrumenten dar, die als Wachstumskammern bezeichnet werden.

Als Wachstumskammern werden alle Laborgeräte definiert, die sich zur Kultivierung von Mikroorganismen und Pflanzen eignen. Alle Wachstumskammern verfügen über Systeme zur Regulierung von Umweltparametern wie Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit. Die anaerobe Kammer besitzt, wie bereits erwähnt, zusätzlich Sauerstoffregulierungssysteme, während traditionellere Wachstumskammern mit technologisch fortschrittlichen Beleuchtungssystemen ausgestattet sind, die Sonnenlicht simulieren.

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Die FDM-Wachstumskammer

Seit über 70 Jahren entwickelt FDM – Environmental Makers Laborinstrumente, die in der Lage sind, die unterschiedlichsten Umweltbedingungen im Bereich der Klimaforschung zu simulieren

Unsere Klimakammern schaffen ideale Bedingungen für das Wachstum aerober Organismen wie Bakterien- und Pflanzenkulturen. Wir fertigen auch kundenspezifische Klimakammern an, beispielsweise für die Universität Turin. Die ganze Geschichte können Sie hier lesen.

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Referenzstandards

• ISO 14853 — Kunststoffe: Bestimmung der anaeroben Abbaubarkeit von Kunststoffen in wässrigen Systemen, wässriges Phasenverfahren.
• DIN EN ISO 11734 — Wasserbeschaffenheit: Bewertung der anaeroben Abbaubarkeit organischer Verbindungen in Klärschlamm, Prüfung an Klärschlamm.
• ASTM D5210 — Standardprüfverfahren zur Bestimmung des anaeroben biologischen Abbaus von Kunststoffen in Gegenwart von kommunalem Klärschlamm.
• ISO 15985 — Kunststoffe: Bestimmung der endgültigen anaeroben biologischen Abbaubarkeit unter Bedingungen der anaeroben Vergärung mit hohem Feststoffgehalt.
• CLSI M11 — Methoden zur antimikrobiellen Empfindlichkeitsprüfung anaerober Bakterien, klinische Mikrobiologie-Referenz.

Autoritative Quellen

• ISO – Internationale Organisation für Normung. Führt die Normen ISO 14853 und ISO 15985 zur anaeroben biologischen Abbaubarkeit.
• ASTM D5210. Amerikanischer Standard für die anaerobe biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen in Klärschlamm.
• CLSI – Clinical and Laboratory Standards Institute. Veröffentlicht CLSI M11 zur antimikrobiellen Empfindlichkeit anaerober Bakterien.

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Häufig gestellte Fragen zur Anaerobkammer

Welche Methoden gibt es, um Anaerobiose zu erzeugen?

Drei Hauptmethoden mit steigendem Anspruch an die anaerobe Atmosphäre. Gaspak-Systeme (Becton Dickinson, Oxoid AnaeroGen): Gaserzeugende Beutel in verschlossenen Behältern, die Rest-O₂ durch eine Ascorbinsäure/Natriumborhydrid-Reaktion verbrauchen und so die Endatmosphäre erzeugen. Hungate-Verfahren: Glasröhrchen, die mit reinem anaeroben Gas (N₂, N₂/CO₂, H₂/CO₂) unter Druck gesetzt und mit Butylstopfen verschlossen werden; Zugang mit Spritzen und gespülten Injektionsnadeln. Erreicht anaerobe Bedingungen. Glovebox (Coy Laboratory, Whitley A35, Don Whitley): Starre, druckdichte Kammer, die Atmosphäre wird mit 3–5 % H₂ + N₂ oder N₂/CO₂ aufrechterhalten; ein Palladiumkatalysator verbraucht Rest-O₂ (H₂ → H₂O).

Typische anaerobe Gaszusammensetzung?

Das Gasgemisch ist anwendungsabhängig. Anaerobe klinische Arbeitsstation (CLSI M11): 85 % N₂ + 10 % CO₂ + 5 % H₂ , wobei H₂ für den katalytischen O₂-Verbrauch mittels Pd und CO₂ zur Pufferung von Brucella-Medien oder Brain-Heart-Infusionslösungen verwendet wird. Grundlagenforschung zu Methanogenen/Archaeen : 80 % N₂ + 20 % CO₂ mit zusätzlicher Zugabe von H₂ als metabolischem Substrat. Biodegradation nach ISO 14853 : 70 % N₂ + 30 % CO₂ zur Aufrechterhaltung eines stabilen pH-Werts im Inokulum durch Bicarbonatgleichgewicht. Kultur toxinbildender Clostridien : 30 min Vorspülung mit reinem N₂, anschließend Arbeitsatmosphäre aus 90 % N₂ + 10 % CO₂ mit H₂S als natürlichem bakteriellen Metaboliten. Die geforderte Gasqualität ist hoch: N₂ 5.0 (99,999 %), CO₂ in Lebensmittelqualität 4.5, H₂ ultrarein 5.0 mit Rest-O₂ < 1 ppm. Alle Gase werden zur weiteren Entsauerung durch Oxisorb-Filter geleitet. Die Atmosphärenüberwachung mit elektrochemischen O₂-Sensoren (Grenzwert 1 ppm) und CO₂-NDIR (+/- 0,5 %) muss kontinuierlich erfolgen und bei Überschreitung einen Alarm auslösen.

Was ist das Redoxpotential?

Das Redoxpotential Eh misst den Oxidations-Reduktions-Zustand einer wässrigen Umgebung und wird in mV relativ zur Standardwasserstoffelektrode (SHE) angegeben. Wassergesättigte Luft hat ein Eh von +400/+500 mV, strikt anaerobe Umgebungen ein Eh von -400 mV (z. B. Rinderpansen, Klärschlamm). Für die Kultivierung strikt anaerober Organismen (Clostridium botulinum, Methanogene, Desulfovibrio) werden Eh -senkende Mittel: Cystein-HCl (0,05 %), Na₂S (0,025 %), Thioglycolat (0,075 %) und Titan(III)-citrat (1–4 mM) für extreme Bedingungen. Ein Redoxindikator wie Resazurin (rosa → farblos bei Eh -110 mV) zeigt visuell die anaeroben Bedingungen des Mediums an. Bei der Eh-Messung müssen Temperatur (+1 °C senkt Eh um ca. 1 mV) und pH-Wert (Nernst-Korrelation) berücksichtigt werden. Die Software zur biologischen Abbaubarkeit nach ISO 14853 berechnet das biochemische Methanpotenzial (BMP) durch Integration der CH4 + CO2-Produktion im Gasraum gegen Referenzdruck und -temperatur, wobei die endogene Kontrolle (Inokulum ohne Substrat) abgezogen wird.

Typische Anwendungen: Clostridium, Methanogene, Bacteroides?

Klinische Anwendungen der Anaerobierkammer umfassen: die Diagnose von Clostridium difficile bei postantibiotischer Diarrhö (Kultur auf CCFA-Agar, PCR zum Nachweis der Toxine A/B), die Isolierung von Bacteroides fragilis aus abdominalen Abszessen, die Identifizierung von Fusobacterium nucleatum bei HNO-Infektionen und die Kultur von Peptostreptococcus bei Endometritis. Die Inkubationszeit beträgt 48–72 Stunden bei 37 °C mit MALDI-TOF-Kolonieanalyse zur schnellen Identifizierung. Biotechnologische Anwendungen umfassen: die Untersuchung der Methanogene Methanobacterium formicicum und Methanosarcina für die Biogasgewinnung aus anaeroben Fermentern, die Butanolproduktion mittels ABE-Fermentation mit C. acetobutylicum , die Bernsteinsäureproduktion mit Actinobacillus succinogenes und die Biosynthese von Vitamin-B12-Cofaktoren mit Propionibacterium . Umweltanwendungen : Biologischer Abbau kompostierbarer Kunststoffe (PLA, PHA, Stärkebasis) mit Beimpfung aus mesophilem Gärrest bei 35 °C / thermophilem Gärrest bei 55 °C über 60–90 Tage, Quantifizierung von CO₂ + CH₄ im Vergleich zu Referenzcellulose, Berechnung des Mineralisierungsgrades. Die anaerobe Versuchskammer muss ein Volumen von 150–500 l, zwei unabhängige Schleusen, ein H₂S-Absaugsystem zum Schutz des Bedienpersonals und eine kontinuierliche Datenerfassung von Atmosphäre, Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufweisen.