Prof. Dr. Susanne Miescher Schwenninger
ZHAW Life Sciences und Facility Management
Weizen zählt weltweit zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln und bietet vor allem als Vollkorn einen hohen Nährwert. Aber gerade Nutzpflanzen wie Weizen werden oft von Schimmel befallen. Darunter gibt es auch Schimmelarten, die Giftstoffe – sogenannte Mykotoxine – bilden. Etwa ein Viertel aller Nutzpflanzen ist davon betroffen. Im Rahmen eines früheren Forschungsprojekts konnten Susanne Miescher Schwenninger und ihr Team von der ZHAW bereits Mikroorganismen finden, die ein getreidetypisches Mykotoxin nachweislich und auf natürliche Weise reduzieren. Im aktuellen Projekt möchten sie erforschen, wie genau dies geschieht, um dadurch das Potential für eine Anwendung auf Getreide abzuschätzen.
Weizen wird oft von schädlichem Schimmel befallen, darunter auch solche, die Giftstoffe, sogenannte Mykotoxine, bilden können. Im vorliegenden Projekt wurde die Effektivität von Mikroorganismen erforscht, die das Mykotoxin Zearalenon (ZEA) auf natürliche Weise abbauen. Die Untersuchungen zeigten, dass Bacillus-Stämme ZEA effizienter reduzieren als Milchsäurebakterien – unter optimalen Bedingungen konnte innerhalb von sechs Stunden eine nahezu vollständige Reduktion erreich werden. Der Abbaumechanismus wird in Folgeprojekten weiter erforscht.
Das übergeordnete Ziel des Projektes BioDeTox war es, die Effektivität von Zearalenon (ZEA) reduzierenden Mikroorganismen zu evaluieren, sowie den Mechanismus der ZEA Reduktion ausgewählter Stämme zu untersuchen. Ausserdem sollte die optimalen Fermentationsbedingungen für die ZEA Reduktion analysiert werden.
Die Analyse der Wirksamkeit von 42 Bacillus Stämme (B. megaterium, B. licheniformis, B. subtilis, B. pumilus) und 11 Stämmen von Milchsäurebakterien (MSB; L. brevis, L. parabuchneri) zeigte, dass die getesteten Bazillen bei der Reduktion von ZEA deutlich effektiver waren als die MSB. Die MSB reduzierten ZEA nach 24 h Inkubation in flüssigem Medium um 30–50% und nach 48 h um 30–80%, am effizientesten waren dabei L. brevis MA278b (80% Reduktion) und L. brevis JR114 (75% Reduktion). Die Bazillen reduzierten ZEA bereits nach 14 h Inkubation um mindestens 30%. Besonders effizient waren B. licheniformis MA695, TR082, TR206, TR212, TR251b, TR374 sowie B. megaterium Myk108 und Myk133, mit einer Reduktion von über 90%. B. megaterium Myk108 zeigte die höchste Reduktion (97%).
Zur Untersuchung des Mechanismus der ZEA-Reduktion wurden die 8 effektivsten Bacillus- und 2 besten MSB-Stämme getestet und von diesen lebende Zellen, zellfreier Überstand, Zellextrakt und Zellwandtrümmer mit ZEA versetzt und nach 72 h analysiert. Eine ZEA-Reduktion durch den zellfreien Überstand deutete dabei auf den Einfluss extrazellulärer Enzyme hin, eine Reduktion durch Zellextrakt auf den Einfluss intrazellulärer Enzyme und eine Reduktion durch die Zellwandtrümmer auf eine Bindung der Mykotoxine.
Die lebenden Zellen aller Stämme reduzierten ZEA um 90–100% nach 72h Inkubation. Bazillen waren dabei effizienter als MSB. Interessanterweise reduzierten die Zellwandtrümmer der MSB 50–70% des ZEA, bei Bazillen jedoch nur 10–20%. Dies deutet darauf hin, dass MSB ZEA hauptsächlich durch Bindung reduzieren, während bei Bazillen nur ein geringer Anteil gebunden und entsprechend ein Abbaumechanismus vermutet wird. Der zellfreie Überstand und der Zellextrakt führten jedoch bei keinem Stamm (MSB und Bazillen) zu einer signifikanten Reduktion des ZEA-Gehalts, was auf das Fehlen aktiver Enzyme, intrazellulär und/oder extrazellulär, hindeutet. Dies widerspricht der aktuellen Literatur, wo in Studien enzymatischer Abbau von Mykotoxinen bei Bazillen nachgewiesen haben.
Mit B. megaterium Myk108 als effektivstem Stamm wurden optimale Bedingungen für die ZEA-Reduktion ermittelt. Dabei wurden pH-Werte von 6, 7 und 8 sowie Temperaturen von 25°C, 30°C, 37°C und 42°C getestet. Die nahezu vollständige Reduktion von ZEA wurde nach 6 h Inkubation bei 37°C und 42°C und einem pH-Wert von 6 erreicht.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass Bazillen eine effektivere ZEA-Reduktion als MSB ermöglichen. Während MSB ZEA hauptsächlich binden, bleibt der Abbaumechanismus bei Bazillen unklar. Die höchsten Reduktionsraten wurden bei spezifischen Bedingungen mit B. megaterium Myk108 erzielt, was diesen Stamm für Anwendungen in der Mykotoxin-Reduktion vielversprechend macht. Der genaue Mechanismus der ZEA-Reduktion bei Bazillen konnte im vorliegenden Projekt nicht geklärt werden und ist Gegenstand weiterer Forschung.
Im Programm Food 4.0 begleiten die Akademien der Wissenschaften Schweiz unter dem Lead der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften SATW innovative Projektideen, die ganz am Anfang der Entwicklung stehen. Gefördert werden insbesondere Projekte, die neue Perspektiven für eine erfolgreiche Entwicklung des Schweizer Ernährungssystems aufzeigen. Die ausgewählten Projekte leisten einen wichtigen Beitrag zur Lösung der grössten Herausforderungen und adressieren die Themenbereiche Food Waste, Nachhaltigkeit und Gesundheit.
