{"id":109347,"date":"2022-05-16T07:26:00","date_gmt":"2022-05-16T05:26:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=109347"},"modified":"2022-05-11T12:00:40","modified_gmt":"2022-05-11T10:00:40","slug":"bakterien-produzieren-bioplastik-ressourcenschonend-und-sehr-umweltfreundlich","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/bakterien-produzieren-bioplastik-ressourcenschonend-und-sehr-umweltfreundlich\/","title":{"rendered":"Bakterien produzieren Bioplastik: ressourcenschonend und sehr umweltfreundlich"},"content":{"rendered":"\n

<\/h2>\n\n\n\n\n\n

Lebende Zellen als Minifabriken, die nur aus Wasser, Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid Plastik herstellen, das auch noch zu 100 Prozent wieder abbaubar ist. Was sich fantastisch anh\u00f6rt, gelingt tats\u00e4chlich: Forschende der Universit\u00e4t T\u00fcbingen haben Cyanobakterien so gentechnisch ver\u00e4ndert, dass sie ihre Zellen prall mit Polyhydroxybutyrat f\u00fcllen. Die Entwicklung von Pilotanlagen, um den Biokunststoff in gr\u00f6\u00dferem Stil produzieren zu k\u00f6nnen, wird nun angegangen.<\/p>\n\n\n\n

Ob in Verpackungen, Textilien, als Klebstoff oder in Fahrzeugteilen \u2013 Plastik ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Leider \u2013, denn zur Herstellung von synthetischem Kunststoff werden fossile Ressourcen verbraucht. Au\u00dferdem sind diese Produkte nicht biologisch abbaubar und belasten damit die Umwelt, da sie sich zu einem Gro\u00dfteil in der Natur oder auf Deponien anlagern, statt sich zu zersetzen.1) So wird die Umweltverschmutzung zunehmend zum Problem: Bereits in allen gro\u00dfen Meeresbecken ist Plastikm\u00fcll allgegenw\u00e4rtig; ebenso an vielen Stellen im S\u00fc\u00dfwasser und in den Lebensr\u00e4umen an Land.<\/p>\n\n\n\n

An nachhaltigeren Alternativen wird deshalb seit Jahren unter Hochdruck gearbeitet. Technologien gibt es zwar, um Bioplastik aus unterschiedlichen nat\u00fcrlichen Quellen wie St\u00e4rke, Cellulose oder Milchs\u00e4ure herstellen zu k\u00f6nnen \u2013 auch schon im industriellen Ma\u00dfstab. Dennoch machen diese bislang nur einen sehr kleinen Teil des insgesamt produzierten Kunststoffs aus: 2021 lediglich rund 6 Prozent.2) Und: obwohl wesentlich umweltfreundlicher als das petrochemische Pendant, so ist doch auch Bioplastik nicht immer zu 100 Prozent biologisch abbaubar. Der derzeit am h\u00e4ufigsten eingesetzte Biokunststoff PLA (Polylaktat) ist in Salzwasser beispielsweise fast gar nicht zersetzbar. Die bislang existierenden L\u00f6sungen sind also noch lange nicht zufriedenstellend.<\/p>\n\n\n\n

Cyanobakterien: Plastikproduzenten, die kein Ackerland verbrauchen<\/h3>\n\n\n\n
\"Portr\u00e4ts
Prof. Dr. Karl Forchhammer (links) und Dr. Moritz Koch (rechts) haben den neuen Cyanobakterien-Stamm geschaffen, der in gro\u00dfen Mengen PHB produzieren kann. \u00a9 Privat<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Eine zukunftstr\u00e4chtige M\u00f6glichkeit aus nat\u00fcrlichen Rohstoffen und auch noch wesentlich besser abbaubar sind Polyhydroxyalkanoate (PHAs). Ihre h\u00e4ufigste Variante, das Polyhydroxybutyrat (PHB), entsteht im nat\u00fcrlichen Stoffwechsel verschiedener Mikroorganismen \u2013 praktisch \u201evon alleine\u201c. PHB hat \u00e4hnliche Materialeigenschaften wie Polypropylen, einem h\u00e4ufig verwendeten konventionellen Kunststoff, und ist bei W\u00e4rme formbar. Die Herstellung mit heterotrophen Bakterien ist deshalb tats\u00e4chlich eine schon gut etablierte Methode, auch in gr\u00f6\u00dferen Anlagen. Allerdings brauchen die lebenden Plastikproduzenten Energie und m\u00fcssen mit Nahrung in Form von Zucker gef\u00fcttert werden \u2013, was Ressourcen bindet, die eigentlich f\u00fcr die menschliche Ern\u00e4hrung ben\u00f6tigt werden.<\/p>\n\n\n\n

Unabh\u00e4ngig von der Nutzung von Ackerland sind dagegen phototrophe Organismen, die lediglich Licht als Energiequelle brauchen und so PHB v\u00f6llig kohlenstoffneutral synthetisieren: Solche Lebewesen sind Cyanobakterien. \u201eDiese \u00f6kologisch relevanten Mikroorganismen kann man biotechnologisch gut manipulieren, um in ihren Stoffwechsel einzugreifen\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Dr. Karl Forchhammer, der den Lehrstuhl f\u00fcr Mikrobiologie \/ Organismische Interaktionen an der Universit\u00e4t T\u00fcbingen leitet und sich schon seit drei Jahrzehnten mit Cyanobakterien besch\u00e4ftigt. \u201eUnd, dass sie nat\u00fcrliche Produzenten von PHB sind, wissen wir schon lange. Wir haben uns aber zun\u00e4chst einmal haupts\u00e4chlich damit besch\u00e4ftigt, warum sie dies \u00fcberhaupt tun. Nachdem wir das verstanden haben, ging unser Forschungsaspekt in den letzten zwei Jahren in Richtung Anwendung.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Zellen prall gef\u00fcllt mit vollst\u00e4ndig abbaubarem Kunststoff<\/h3>\n\n\n\n
\"\nF\u00fcnf<\/a>
Elektronenmikroskopische Darstellung der Bioplastikproduktion in der Mutante PPT1 des Cyanobakteriums Synechocystis sp.: Die Synechocystis-Zellen zeigen viele gro\u00dfe Granula (A), deren Anf\u00e4rbung mit Nilrot sie als PHB best\u00e4tigt (B). Manche Zellen enthalten mehrere Granula (C), andere nur ein einziges (D). In manchen Zellen kam es zum Aufplatzen der Zellh\u00fclle (E). \u00a9 Universit\u00e4t T\u00fcbingen (Aufnahmen bereits ver\u00f6ffentlicht in: BIOspektrum 02.21, DOI: 10.1007\/s12268-021-1541-4)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Forschenden gehen davon aus, dass Cyanobakterien das fettartige PHB als eine Art Speicherstoff verwenden. Allerdings in Mengen von lediglich etwa 15 Prozent pro Zelltrockengewicht (CDW) \u2013 zu gering, um \u00fcberhaupt ann\u00e4hernd wirtschaftlich zu sein. So machte man sich in T\u00fcbingen daran, die Syntheseraten zu steigern.<\/p>\n\n\n\n

Mit Erfolg: Forchhammer hat gemeinsam mit seinem ehemaligen Doktoranden Dr. Moritz Koch einen neuen Stamm geschaffen, der bis zu 81 Prozent pro CDW enth\u00e4lt.3) Das produzierte Polymer besteht aus reinem PHB, das hoch isotaktisch ist. Die Seitengruppen dieses Makromolek\u00fcls sind also regelm\u00e4\u00dfig angeordnet, was Voraussetzung f\u00fcr wichtige Eigenschaften eines Kunststoffes ist. \u201eDas h\u00e4tte ich niemals f\u00fcr m\u00f6glich gehalten\u201c, sagt er. \u201eDiese Mengen sind die h\u00f6chsten, die jemals bei einem bekannten Cyanobakterium erzielt wurden und die beste Basis, um ein nachhaltiges Produkt auf nachhaltige Weise herstellen zu k\u00f6nnen.\u201c Und das nicht nur, was die Ausgangsstoffe angeht: Das in Cyanobakterien produzierte Plastik ist innerhalb von sechs Monaten komplett wieder abgebaut. \u201eAlles, was die Natur erschaffen hat, kann sie auch wieder abbauen, das ist ein Riesenvorteil\u201c, f\u00fcgt der Experte hinzu.<\/p>\n\n\n\n

<\/h3>\n\n\n\n

Das S\u00fc\u00dfwasser-Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803, wie er auch an der Universit\u00e4t T\u00fcbingen verwendet wird, ist ein gut untersuchter Modellorganismus, der leicht im Labor und in Bioreaktoren kultiviert werden kann. Durch biotechnologische Ver\u00e4nderungen kann f\u00fcr verschiedene Anwendungen gezielt in den bakteriellen Stoffwechsel eingegriffen werden.<\/p>\n\n\n\n

Infobox: Cyanobakterien \u2013 Stammesgeschichtlich alte Organismen f\u00fcr moderne Anwendungen<\/h3>\n\n\n\n
\"\"<\/figure><\/div>\n\n\n\n

Plastikherstellung tr\u00e4gt aktiv zur CO2-Reduktion bei<\/h3>\n\n\n\n

Der erste Schritt zur Produktion des nachhaltigen Bioplastiks ist die Photosynthese, die die gr\u00fcnen Bakterien zur Synthese von Zellbausteinen aus CO2, Sonnenlicht und Wasser prinzipiell genauso wie die Pflanzen betreiben. Wird das Wachstum aus irgendeinem Grund eingeschr\u00e4nkt, so schalten die Bakterien auf den \u00dcberlebensmodus um: anstatt notwendige Zellbausteine herzustellen, produzieren sie nun Glykogen, das anschlie\u00dfend zu einem kleinen Teil in PHB umgewandelt wird.<\/p>\n\n\n\n

In diesem Zusammenhang steht eine entscheidende Entdeckung, die die T\u00fcbinger Biologen machten: Sie fanden die Schaltstelle, die die Verteilung des fixierten Kohlenstoffs in der Zelle steuert. Sobald man diesen Schalter entfernt und die Zellen zudem unter Stickstoffmangel setzt, entsteht aus dem fixierten Kohlenstoff kein Glykogen mehr, sondern PHB. Dieses l\u00e4sst sich anschlie\u00dfend leicht mithilfe von L\u00f6sungsmitteln aus den Zellen extrahieren und als Rohstoff f\u00fcr praktische Anwendungen einsetzen.<\/p>\n\n\n\n

\"Vier
Schematische Darstellung des PHB-Produktionsprozesses: Mikroskopische (A) bzw. elektronenmikroskopische (B) Aufnahme von Bakterien mit ausreichend Stickstoff im Medium. (C) Wird die Stickstoffquelle entfernt, startet die PHB-Biosynthese. (D) Mittels Metabolic Engineering konnten die Mengen deutlich gesteigert werden, wie im Stamm PPT1 gezeigt. \u00a9 Universit\u00e4t T\u00fcbingen (Aufnahmen bereits ver\u00f6ffentlicht in: BIOspektrum 02.21, DOI: 10.1007\/s12268-021-1541-4)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Damit aber des Guten noch nicht genug: Da bei der Photosynthese CO2 in nicht unbetr\u00e4chtlichen Mengen verbraucht wird, ist die Bioplastikproduktion nicht nur ressourcenschonend, sondern kann auch noch aktiv zur Reduktion des Treibhausgases beitragen. Eine konkrete Verwendung des Verfahrens als CO2-Falle in Kombination mit Anlagen, die das Gas produzieren, soll getestet werden. \u201eDieser Zusatznutzen macht das Verfahren \u00fcberhaupt erst rentabel\u201c, so Forchhammer. F\u00fcr ihr nachhaltiges Bioplastik wurden die Forschenden Ende 2021 mit dem 2. Platz beim Science2Start Ideenwettbewerb ausgezeichnet.<\/p>\n\n\n\n

Upscaling bietet noch mehr Potenzial f\u00fcr Nachhaltigkeit<\/h3>\n\n\n\n

Nun steht der Transfer aus dem Labor in den gro\u00dftechnischen Ma\u00dfstab an. \u201eDieser \u00dcbergang verlangt nochmals viel neue Technologie\u201c, erkl\u00e4rt Forchhammer, der diesen selbstverst\u00e4ndlich weiterhin biowissenschaftlich begleitet. \u201eAber ich bin kein Anlagenbauer. Damit hatten wir eigentlich auch noch gar nicht gerechnet. Das Interesse nach dem Wettbewerb war jedoch so gro\u00df, dass wir bereits Kollaborationen geschlossen haben, um diese Entwicklungen in einem interdisziplin\u00e4ren Team konkret starten zu k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

In einem ersten Upscaling soll die Kultivierung der lebenden Minifabriken in 500 Liter-Bassins getestet, dann die Produktivit\u00e4t modular gesteigert werden, eventuell auch in Flachbettreaktoren. Dabei sind eine Menge Parameter zu beachten, etwa die richtige Lichtdosierung oder die Wasserqualit\u00e4t. Gerade das eingesetzte Wasser birgt auch noch viel Potenzial f\u00fcr noch mehr Nachhaltigkeit: \u201eEventuell k\u00f6nnte man Abwasser oder auch sogar Salzwasser verwenden, das w\u00e4ren wahnsinnig g\u00fcnstige Quellen\u201c, meint der Biologe.<\/p>\n\n\n\n

Und auch an der Verwendung der restlichen Biomasse, die nach der PHB-Extraktion \u00fcbrigbleibt, soll noch gearbeitet werden. Zum Beispiel w\u00e4re es denkbar, Pigmente daraus zu gewinnen. Ebenso w\u00e4re es nat\u00fcrlich theoretisch m\u00f6glich, die Cyanobakterien zur Herstellung noch ganz anderer Rohstoffe zu nutzen. \u201eAn solchen Green-Cell-Factories wird weltweit intensiv gearbeitet \u2013 von Biokraftstoff bis hin zu Ethylen f\u00fcr die chemische Industrie -, da sind wir nicht die Einzigen\u201c, so Forchhammer. \u201eAber beim Bioplastik sind wir auf jeden Fall ganz vorne dabei: Das endg\u00fcltige Rennpferd haben wir noch nicht, aber einen gut funktionierenden Prototyp bestimmt.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Literatur<\/h3>\n\n\n\n

1) Geyer, R. et al. (2017): \u201eProduction, use, and fate of all plastics ever made\u201c. Science Advances 3, 7: www.science.org\/doi\/10.1126\/sciadv.1700782.<\/p>\n\n\n\n

2) Institute for Bioplastics and Biocomposites IfBB: \u201eBiopolymers \u2013 facts and statistics 2021\u201c. www.ifbb-hannover.de\/files\/IfBB\/downloads\/faltblaetter_broschueren\/f+s\/Biopolymers-Facts-Statistics-einseitig-2021.pdf<\/p>\n\n\n\n

3) Koch, M. et al. (2020): \u201eMaximizing PHB content in Synechocystis sp. PCC 6803: an new metabolic engineering strategy based on the regulator PirC.\u201c Microb Cell Fact.19(1):231. https:\/\/microbialcellfactories.biomedcentral.com\/articles\/10.1186\/s12934-020-01491-1.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Lebende Zellen als Minifabriken, die nur aus Wasser, Sonnenlicht und Kohlenstoffdioxid Plastik herstellen, das auch noch zu 100 Prozent wieder abbaubar ist. Was sich fantastisch anh\u00f6rt, gelingt tats\u00e4chlich: Forschende der Universit\u00e4t T\u00fcbingen haben Cyanobakterien so gentechnisch ver\u00e4ndert, dass sie ihre Zellen prall mit Polyhydroxybutyrat f\u00fcllen. Die Entwicklung von Pilotanlagen, um den Biokunststoff in gr\u00f6\u00dferem Stil […]<\/p>\n","protected":false},"author":59,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"none","nova_meta_subtitle":"Forscher der Universit\u00e4t T\u00fcbingen haben einen neuen Stamm geschaffen, der bis zu 81 Prozent PHB enth\u00e4lt","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[13293,10763,10608,11229,16057],"supplier":[4237],"class_list":["post-109347","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","tag-bakterien","tag-biokunststoffe","tag-biooekonomie","tag-biotechnologie","tag-phb","supplier-universitaet-tuebingen"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/109347","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/59"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=109347"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/109347\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=109347"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=109347"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=109347"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=109347"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}