Prof. Blumes Tipp des Monats Oktober 2013 (Tipp-Nr. 196)


Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.


Wie Pilze Holz abbauen

Nun ist es wieder Pilzzeit. Auch wenn Pilze genau genommen über das ganze Jahr hinweg wachsen, so fallen sie uns gerade in den Sommer- und Herbstmonaten auf, wenn ihre Fruchtkörper sprießen. Manche sind recht klein, andere sehr groß - wie der Riesenporling.

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Bild 1: Riesenporling
(Foto: Blume)


Andere Pilze sind ausgesprochene Schönheiten. Hierzu gehört die orangerote Zinnobertramete. Es sind aber auch andere Farben vertreten:

Bild 2: Bunte Pilze (Fotos: Blume)
Links: Rotrandiger Baumpilz
Rechts: Blauer Rindenpilz


Die Pilze, über die wir hier sprechen wollen, wachsen immer an Bäumen bzw. Baumresten oder in der Nähe davon. Was ist der Grund dafür? Pilze leben von den Bäumen und von ihren Resten. Einmal sind es symbiotische Verhältnisse, von denen allerdings nicht immer beide Seiten profitieren. So zerstören einige Pilze ihre Wirtsbäume, wie es z. B. der Buchenporling (Zunderschwamm) oder der Hallimasch tun. Vor allem wird Totholz abgebaut.

Pilze sind damit wichtige Destruenten. Wenn es sie nicht gäbe, wäre die Erde bald ohne CO2 und voller Biomasse - vor allem voller Totholz. Das besteht vor allem aus Lignin und Cellulose. Es ist erstaunlich, wie rasch Pilze ganze Bäume zerlegen - wie die Buche in der folgenden Reihe von Bildern, die im Abstand von vier Jahren aufgenommen wurden. Hier hat der Zunderschwamm gewütet.

Bild 3: Wie Baumpilze wirken - von 2004 bis 2008. Hier ist es der Zunderschwamm, der bei der Buche die Weißfäule verursacht.
(Fotos: Blume)


Pilze sind chemische Alleskönner
Gleich vorneweg: Dieser Text ist kein Fachartikel über die komplizierte Biochemie der Pilze!

In gewisser Weise ähneln Pilze in ihrem Stoffwechsel weniger den Pflanzen (zu denen sie nicht mehr gezählt werden) als den Tieren. Manches machen sie genauso wie letztere, anderes können sie besser: Beispielsweise Chitin herstellen, aber auch dreibindige Ethinhomologe. Auch Nitroverbindungen, die dazu noch Chloratome tragen, können einige Pilze synthetisieren. Es sei an das Antibiotikum Chloramphenicol erinnert. Diese Verbindung sieht aus, als wäre es einem chemischen High-Tech-Labor entsprungen.

Und wie steht es mit „holzfressenden“ Tieren wie den Termiten oder Käfer- oder Holzwespenlarven? Die knabbern das Holz zwar an und schlucken das Holz. Verdauen tun es für sie aber Darmbakterien. Gleiches gilt für pflanzenfressende Säugetiere.


Die Zusammensetzung von Holz

  - 25-30 % Holzstoff (Lignin)
  - 25-30 % Hemicellulose-Polymere (Pentosane)
  - 40-50 % Cellulose (Poly-ß-Glucose)
  - Harzstoffe (Harzsäuren, Harzseifen)
  - Terpene (Terpentinöl, Pinen etc.)
  - Fette und Fettsäuren (Tallöl)
  - Proteine und andere Stickstoffverbindungen
  - Mineralstoffe

Zum Aufbau von Holz sei nur Folgendes gesagt: Mehrere Cellulosemolekül-Ketten (die aus mehreren Zehntausend Glucoseeinheiten bestehen können) bilden Stränge (Fibrillen), die wiederum von Hemicellulosepolymeren umwickelt sind. Diese Struktur wird durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten. An die Hemicellulosepolymeren sind von außen die Ligninpolymere fixiert.

Um die Holzstruktur aufzubrechen, reicht es deshalb aus, Lignin abzubauen. Das können wohl alle wichtigen Pilze des Waldes. Aber beim Abbau der Cellulose haben einige Pilze schon ihre Schwierigkeiten. Das erklärt, warum bei Pilzbefall nicht die gesamte Substanz des Holzes verschwindet, sondern viel weiches Faseriges zurück bleibt (siehe Bild 4). Wie man auch anhand der „Weißfäule“ von Fichten erkennt, ist dieser Rückstand relativ farblos - es handelt sich dabei vor allem um die polymeren Kohlenhydrate. Zur Erinnerung: Lignin ist schwarzbraun gefärbt und gibt dem Holz seine dunkle Farbe. Ein typischer Verursacher der Weißfäule ist der Zunderschwamm.


Abbau von Cellulose
Cellulose ist ein unverzweigtes β-(1,4)-Polysaccharid. Es könnte für Pilze eine wichtige Quelle für Kohlenhydrate sein. Man kann es darin mit Stärke vergleichen. Um diese Quelle zu erschließen, benötigt der betreffende Organismus das Enzym Cellulase, das Cellulose spalten kann. Darüber verfügen (außer den Bakterien) nur die Pilze.

Primäres Spaltprodukt ist Cellobiose, ein β-(1,4)-Disaccharid. Dieses wird aber nur von einigen Pilzen weiter gespalten (hydrolysiert), wobei Glucose entsteht, auch für Pilze eine der wichtigsten Grundsubstanzen für den gesamten Stoffwechsel.

Aber die meisten Pilze verfügen nicht über die Cellobiase. Manche Pilze spalten Cellobiose auch oxidativ, wobei Glucuronsäure entsteht. Die meisten sind dann wohl auf die Mithilfe von Bakterien angewiesen - wie die „holzfressenden“ Tiere.


Abbau von Lignin
Komplizierter ist es mit dem Lignin und anderen Aromaten. Schauen wir uns zunächst einmal eine typische Struktur von Lignin an:

Es fallen vor allem die phenolischen Aromaten auf, die durch Alkylgruppen und durch Etherbindungen verknüpft sind. (Wie Pflanzen aromatische Verbindungen bauen, erklären wir hier.)

Typisch für Holzinhaltsstoffe sind auch Terpene und andere Isoprenoide, die viele C-C-Bindungen und C=C-Doppelbindungen enthalten.

Es gibt bei den im Folgenden beschriebenen Reaktionen eine Vielzahl von Reaktionswegen mit den unterschiedlichsten Zwischen- und Endprodukten. An dieser Stelle sollen nur die wichtigsten besprochen werden. Bei denen handelt es sich oft um Oxidationen, die durch Enzyme, die Eisen-Ionen enthalten, katalysiert werden. Eisen-Ionen können mehrere Oxidationszustände einnehmen. Letztlich weist das darauf hin, dass es sich um radikalische Reaktionen handelt.

Zunächst können die Etherbindungen oxidativ gespalten werden, indem sie einen Alkohol (bzw. Phenol) und einen Aldehyd bilden. Das Ergebnis erinnert an das Gemisch, aus dem heraus Halbacetale gebildet werden.

Bei dieser Reaktion wird vom O2-Molekül nur ein O-Atom auf das Substratsystem übertragen. Das andere O-Atom übernehmen Cofaktoren. Das sind H-Spender wie Ascorbinsäure, Tetrahydrobiopterin oder NADH. (Man spricht deshalb von mischfunktionellen Oxidasen.) Dabei entstehen der oxidierte Cofaktor und H2O.

Wie Phenole abgebaut werden, wird weiter unten berichtet. Der Aldehyd wird im Allgemeinen weiter zu Carbonsäuren R-COOH oxidiert.

Entsprechend verläuft auch die Demethylierung der im Lignin reichlich vorhandenen Methoxygruppen R-O-CH3.

Wichtig ist auch die C-C-Spaltung von Alkylresten.

C=C-Doppelbindungen werden durch Epoxid-Bildung aufgebrochen.

Es entstehen Aldehyde und Carbonsäuren, die weiter abgebaut werden können.

Für die Spaltung von Aromaten und Phenolen gibt es viele Möglichkeiten. Sie beginnt mit der Hydroxylierung des Aromatenkerns. Dann wird der auf diese Weise aktivierte Aromat aufgebrochen; es entstehen Aldehyde oder Dicarbonsäuren. Diese werden zu Ketonen oxidiert und dazu noch decarboxyliert. Die Spaltung der ungesättigten α-Ketosäure führt letztlich zu Acetaldehyd und Brenztraubensäure.

Letzte können wiederum zur von der Fotosynthese unabhängigen Glukosesynthese (Gluconeogenese) dienen. Sie können aber auch über Acetyl-CoA in die Fettsäuresynthese oder den Energieumwandlungsstoffwechsel (Citronensäurezyklus) eingeschleust werden.

Holz ist ein natürlicher Verbundwerkstoff und ähnelt in seinem Aufbau Stahlbeton. Lignin ist sozusagen der Zement, der die Cellulosefibrillen (das sind quasi die Moniereisen) zusammenhält. Wird das Lignin durch die Pilze zerstört, so wird das Holz faserig, brüchig und insgesamt weich, ja fast gummiartig. Befallene Bäume können umstürzen.

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Bild 4: Pilze zerstören Holz. Zurück bleibt gummiartiges Material
(Fotos: Blume)


Last but not least
Das alles sollten wir bedenken, wenn wir wieder einmal einen schönen Steinpilz entdecken und zum Verspeisen pflücken.

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Bild 5: Steinpilz
(Foto: Blume)


Unsere bisherigen Webseiten zu Pilzen:

Chemie der Glücksbringer - Fliegenpilze
Wonach riecht eigentlich eine Stinkmorchel?
Bunte Baumpilze
Pilzgifte: Beispiel Knollenblätterpilze
Ergänzung zum Zunderschwamm (Buchenporling)
Was ist eigentlich Lackmus?
Die alkoholische Gärung als Naturphänomen
Eine biologisch abbaubare Folie aus Krabbenpanzern und Pilzabfällen
Grüner Schimmel im chemischen Labor?

Rüdiger Blume

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Letzte Überarbeitung: 14. Januar 2015, Dagmar Wiechoczek