Aspergillus niger

Weltweit werden jährlich mehr als eine Million Tonnen Zitronensäure mit Hilfe eines einzigen Schimmelpilzes hergestellt: Aspergillus niger. Diese Fähigkeit, in extrem saurer Umgebung zu wachsen und dabei große Mengen an Säuren, Proteinen und bioaktiven Verbindungen abzusondern, macht die Art zu einem der wichtigsten Mikroorganismen der industriellen Biotechnologie.

Aspergillus niger gehört zur Sektion Nigri der Gattung Aspergillus innerhalb der Schlauchpilze (Ascomycota). Wie viele Vertreter dieser Gattung ist die Art extrem anpassungsfähig und findet sich in Böden, im Wasser, auf Pflanzen, in verrottendem Material und sogar in der Luft. Sie wächst schnell und kann bereits wenige Tage nach der Keimung Sporen bilden.

Was diesen Schimmelpilz besonders macht, ist sein doppeltes Gesicht: Auf der einen Seite steht er als unverzichtbares Werkzeug der Lebensmittel- und Biotechnologie-Industrie, auf der anderen als Verursacher von Ernteschäden und, bei geschwächtem Immunsystem, von Infektionen beim Menschen.

Eine verlässliche Bestimmung von Aspergillus niger erfolgt in der Praxis über sein charakteristisches, schnelles Wachstum und seine Fähigkeit, bereits wenige Tage nach der Keimung Sporen zu bilden. Die Art zählt zu den häufigsten Vertretern der Gattung Aspergillus, deren Mitglieder als schnellwachsende Schimmelpilze in Boden, Wasser, auf Pflanzen und in verrottendem Material auftreten.

Entscheidend für die industrielle Bedeutung von A. niger ist eine Kombination von Eigenschaften: eine außergewöhnliche metabolische Vielfalt, hohe Produktionsausbeuten, eine starke Sekretionsleistung und die Fähigkeit zu posttranslationalen Modifikationen. Diese Merkmale zusammen ermöglichen die robuste Bildung sekundärer Stoffwechselprodukte, für die der Pilz industriell genutzt wird.

Besonders hervorzuheben ist die Toleranz gegenüber extrem saurem Milieu, die Aspergillus niger von vielen anderen Mikroorganismen unterscheidet und ihn zu einem effektiven Produzenten von Zitronensäure macht.

Aspergillus niger gilt als ausgesprochen anspruchslos und kommt in nahezu allen Umgebungen vor. Zu den typischen Fundorten zählen Böden, Pflanzenreste und Innenräume, ebenso wurde die Art wiederholt auf verrottendem Obst und Gemüse nachgewiesen.

Beobachtungsdaten aus GBIF zeigen über das Jahr verteilte Meldungen mit einem deutlichen Schwerpunkt in den Wintermonaten: Im Januar wurden 713 und im April 667 Einzelbeobachtungen erfasst, während die Zahlen im Februar, März und vor allem im Dezember mit 128 Meldungen deutlich niedriger liegen. Solche Zahlen spiegeln jedoch lediglich das Vorkommen einzelner gemeldeter Funde wider, nicht die tatsächliche Häufigkeit oder Populationsgröße des Pilzes.

Da Aspergillus niger sowohl im Freien als auch in Innenräumen gedeiht, lässt sich aus den Beobachtungsmustern kein vollständiges Bild seiner natürlichen Verbreitung ableiten – die Art dürfte in ihrem tatsächlichen Vorkommen weit über die dokumentierten Funde hinausgehen.

Aspergillus niger tritt vor allem als Schaderreger in Erscheinung: An Erdnüssen, Weintrauben und Zwiebeln verursacht er Schwärzepilz-Befall und zählt zu den häufigsten Ursachen für Nacherntefäule bei Obst und Gemüse, was in der Lebensmittelindustrie erhebliche wirtschaftliche Verluste verursacht. Der Pilz toleriert ein breites Temperaturspektrum von 15 bis 53 °C und kann sich an wechselnde pH-Werte, Feuchtigkeit und Hitze anpassen, was seine Ausbreitung auf befallenen Pflanzen begünstigt. Ein Befall kann die Keimung von Samen, das Aufgehen von Sämlingen sowie das Wurzel- und Sprosswachstum beeinträchtigen und Pflanzen vor der Reife zum Absterben bringen; bei Zwiebeln und Zierpflanzen verursacht die Art zudem Rußtaubefall.

Beim Menschen ist A. niger als Erreger der Aspergillose bekannt, einer Pilzinfektion, die durch das Einatmen von Sporen entsteht. Betroffen sind vor allem Menschen mit geschwächtem Immunsystem oder Vorerkrankungen wie Asthma und Mukoviszidose. Zu den beschriebenen Krankheitsbildern zählen die allergische bronchopulmonale Aspergillose, allergische Aspergillus-Sinusitis, azolresistente Formen, Hautaspergillose und chronische pulmonale Aspergillose. Von den rund 180 bekannten Aspergillus-Arten gelten etwa 40 als gesundheitlich relevant für immungeschwächte Menschen.

Besonders häufig betroffen sind Beschäftigte im Gartenbau, die Torfstaub einatmen, der reich an A. niger-Sporen sein kann; auch in ägyptischen Mumien wurden die Sporen nachgewiesen und können beim Aufbrechen der Grabkammern eingeatmet werden. Zudem verursacht der Pilz Otomykose, eine oberflächliche Pilzinfektion des Gehörgangs, die häufig mit mechanischen Schäden der Hautbarriere und tropischem Klima in Verbindung steht. Im Vergleich zu anderen Aspergillus-Arten wie Aspergillus fumigatus oder Aspergillus flavus verursacht A. niger nur selten Lungenentzündungen.

Aspergillus niger ist einer der wichtigsten Mikroorganismen der industriellen Biotechnologie und wird vor allem zur Herstellung von Zitronensäure (E330) genutzt: Weltweit produziert der Pilz auf diesem Weg mehr als eine Million Tonnen Zitronensäure pro Jahr, die unter anderem in der Getränke- und Lebensmittelindustrie, in Pharmaprodukten und zur Konservierung eingesetzt wird. Auch Gluconsäure (E574) wird industriell mit A. niger hergestellt. Beide Stoffe gelten nach Einschätzung der Weltgesundheitsorganisation als für den täglichen Verzehr geeignet, und die Fermentation mit A. niger ist von der US-amerikanischen Lebensmittelbehörde FDA als „generally recognized as safe“ (GRAS) eingestuft.

Für die Produktion wird der Pilz entweder in Festphasenfermentation, bei der landwirtschaftliche Reststoffe wie Weizenkleie, Reisspelzen oder Maismehl als Nährstoffquelle dienen, oder in Flüssigfermentation in großen sterilen Tanks kultiviert. Die Festphasenfermentation liefert dabei höhere Ausbeuten und ist kostengünstiger, weshalb sie in der Praxis überwiegt. Möglich wird dies durch die außergewöhnliche Toleranz der Art gegenüber Temperaturen von 6 bis 47 °C, pH-Werten zwischen 1,5 und 9,8 sowie extrem trockenen oder sehr feuchten Bedingungen; Sporen von A. niger wurden sogar in Höhen von bis zu 58 Kilometern nachgewiesen.

Darüber hinaus liefert A. niger zahlreiche technisch genutzte Enzyme: Glucoamylase kommt bei der Herstellung von High-Fructose-Corn-Syrup zum Einsatz, Pektinasen bei der Klärung von Apfelwein und Wein. Alpha-Galactosidase, die komplexe Zuckerverbindungen aufspaltet, ist Bestandteil von Produkten gegen Blähungen wie Beano. Glucoseoxidase aus A. niger wird wegen ihrer hohen Affinität zu β-D-Glucose in Glukose-Biosensoren verwendet, und die Enzym Fructosyltransferase dient zur Herstellung von Fructooligosacchariden, die als präbiotische Ballaststoffe in kalorienarmen Funktionslebensmitteln eingesetzt werden.

1. Sporen von Aspergillus niger wurden in Höhen von bis zu 58 Kilometern über der Erdoberfläche nachgewiesen.
2. Unter dem Mikroskop zeigt die Art dunkelbraune, raukantige Konidiensporen an braunen Konidienträgern, was zur mikroskopischen Bestimmung genutzt wird.
3. Zur kulturellen Untersuchung wird der Pilz häufig auf Kartoffel-Dextrose-Agar, Czapek-Yeast-Agar oder Malt-Yeast-Agar angezüchtet.
4. Eine durch A. niger verursachte Otomykose kann mit vorübergehender Hörminderung, Schmerzen und in schweren Fällen mit Schäden am Gehörgang und Trommelfell einhergehen.
5. In wissenschaftlichen Studien wird die Art regelmäßig auf ihre Empfindlichkeit gegenüber ätherischen Ölen, Pflanzenextrakten und synthetischen Verbindungen getestet.