Plastik, das CO2 aus der Luft als Ressource nutzt, schnell abgebaut wird und sich nicht in der Umwelt ansammelt \u2013 noch ist es eine Vision, aber sie wird konkreter. Cyanobakterien, auch als Blaualgen bekannt, k\u00f6nnen einen Grundstoff daf\u00fcr herstellen, als Nebenprodukt der Fotosynthese. Doch noch sind die Mengen zu gering f\u00fcr eine industrielle Nutzung. Ein T\u00fcbinger Forschungsprojekt will das \u00e4ndern. Der Schl\u00fcssel dazu ist die Genetik.<\/p>\n
Gleich, ob chemisch-synthetisch oder bio – Plastik ist in Verruf geraten.
\nKonventionelle Kunststoffe wie PET oder PE werden aus fossilen Ressourcen hergestellt und sind h\u00e4ufig Produkte mit kurzer Lebens- oder Nutzungsdauer, wie Jogurtbecher oder Gem\u00fcseverpackungen. Zum Schutz der Umwelt und der Meere hat die Europ\u00e4ische Union ein Verbot von diversen Einwegartikeln wie Plastikgeschirr oder Strohhalmen erlassen. Ab Sommer 2021 greift das Verbot auch in Deutschland.<\/p>\n
Bei der Produktion von Bio-Kunststoffen werden dagegen keine fossilen Rohstoffe verbraucht: Biogenes Plastik wird heute vornehmlich aus Maisst\u00e4rke hergestellt. Die Nutzung von Maisst\u00e4rke und der Fl\u00e4chenverbrauch zum Anbau der dazugeh\u00f6rigen Pflanzen wirft allerdings ethische Fragen auf: Sollten Ressourcen, die der Ern\u00e4hrung dienen k\u00f6nnen, f\u00fcr die Produktion von Verpackungsmaterial verwendet werden? Der Anbau nachwachsender Rohstoffe in gro\u00dfem Stil w\u00fcrde den Nutzungsdruck auf die ohnehin knappen Fl\u00e4chen weiter erh\u00f6hen.<\/p>\n
Diese Probleme stellen sich nicht, wenn spezielle Mikroalgen, sogenannte Cyanobakterien f\u00fcr die Produktion von Bio-Kunststoffen eingesetzt werden. Cyanobakterien sind Einzeller, die im Gegensatz zu anderen Bakteriengruppen Chlorophyll besitzen und dadurch wie Pflanzen Fotosynthese betreiben k\u00f6nnen. In diesem Prozess gewinnen die Cyanobakterien mit Sonnenlicht Energie, um CO2 zu fixieren und zu Zucker umwandeln. Aufgrund ihrer \u00c4hnlichkeiten zu Algen werden diese Bakterien auch als Blau- oder Mikroalgen bezeichnet. Cyanobakterien k\u00f6nnen auch auf nicht landwirtschaftlich nutzbaren Fl\u00e4chen kultiviert werden.<\/p>\n
In den Cyanobakterien kommt als nat\u00fcrliches Makromolek\u00fcl die Substanz Polyhydroxybutyrat (PHB) vor. Die physiologische Funktion des PHB ist bislang unklar, es k\u00f6nnte aber den Bakterien als Speicher f\u00fcr Energie und Kohlenstoff dienen. Vom Menschen kann das PHB jedoch als biogener Kunststoff genutzt werden. Neben der ressorcenschonenden und nachhaltigen Herstellung hat PHB auch hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit g\u00fcnstige Eigenschaften: Dieser Bio-Kunststoff wird von Bakterien, Pilzen und Algen zersetzt, sodass eine PHB-Folie in einer Kompostieranlage innerhalb von zwei Wochen und selbst in Seewasser innerhalb von 15 Wochen abgebaut wird.<\/p>\n
F\u00fcr die Produktion von PHB setzen die Cyanobakterien CO2 unter Lichteinwirkung in einigen Zwischenschritten zu diesem Biopolymer um. F\u00fcr die Bildung des Bio-Kunststoffs werden lediglich drei Gene ben\u00f6tigt. In ihrem DNA-Code sind die Enzyme verschl\u00fcsselt, welche f\u00fcr die biochemische Umsetzung des Ausgangsstoffs Acetyl-CoA in das komplexere PHB erforderlich sind. Unter nat\u00fcrlichen Umst\u00e4nden produzieren Cyanobakterien das PHB in einer Gr\u00f6\u00dfenordnung zwischen 0,5 und 6 Prozent ihrer eigenen Trockenmasse, was allerdings eine zu niedrige Konzentration f\u00fcr eine m\u00f6gliche industrielle Nutzung ist.<\/p>\n
Wissenschaftler*innen an der Universit\u00e4t T\u00fcbingen forschen an der PHB-Produktion in Cyanobakterien, um sie f\u00fcr eine bio\u00f6konomische Nutzung zu optimieren. Zu ihnen geh\u00f6rt auch Dr. Moritz Koch, inzwischen einer der weltweiten Experten auf diesem speziellen Gebiet.<\/p>\n
Durch \u201egenetische Kniffe\u201c, so Koch, ist es der T\u00fcbinger Arbeitsgruppe gelungen, die PHB-Produktion in Cyanobakterien zu steigern. Dazu geh\u00f6ren gentechnische Ver\u00e4nderungen, die auf bestimmte Gene zielen, etwa eine gezielte \u00dcberexpression von Synthesegenen. Aber nicht nur die Gene f\u00fcr die eigentliche PHB-Produktion, sondern auch andere Regulatoren im Kohlenstoffkreislauf bieten geeignete Ziele f\u00fcr eine Produktionssteigerung. Mit ihnen erreichten die Wissenschaftler*innen \u201eeine massive Steigerung\u201c der PHB-Produktion in Cyanobakterien.<\/p>\n
Der Bio-Kunststoff PHB kann bereits heute im industriellen Ma\u00dfstab von sogenannten heterotrophen Bakterien wie Cupriavidus necator produziert werden, also von Bakterien, die ihre Energie \u00fcber ihre Nahrung aufnehmen und nicht selbst mit Hilfe des Sonnenlichts produzieren k\u00f6nnen. Als Energietr\u00e4ger dient diesen Bakterien Zucker, der h\u00e4ufig aus Nutzpflanzen gewonnen wird \u2013 und demnach nicht f\u00fcr die Lebensmittelerzeugung zur Verf\u00fcgung steht. Hier zeigt sich der gro\u00dfe Vorteil einer PHB-Produktion durch Cyanobakterien: Die Mikroalgen fixieren Sonnenlicht und gewinnen daraus selbst Energie. Somit ist diese Art der PHB-Produktion CO2-neutral und bietet \u00f6kologische und ethische Vorteile gegen\u00fcber der Nutzung von heterotrophen Bakterien.<\/p>\n
Koch bremst allerdings die Erwartungen: \u201eNoch wird im Bereich der PHB-Produktion durch Cyanobakterien Grundlagenforschung betrieben. Es dauert noch Jahre oder Jahrzehnte bis zur praktischen Umsetzung im gro\u00df-industriellen Ma\u00dfstab.\u201c Der T\u00fcbinger Wissenschaftler sieht bis dahin zun\u00e4chst die Politik am Zuge: \u201eDie PHB-Produktion durch heterotrophe Bakterien ist momentan einfach g\u00fcnstiger. Sollte es allerdings zu einer deutlich h\u00f6heren CO2-Bepreisung kommen, dann w\u00fcrde sich die CO2-neutrale Produktion mit Cyanobakterien lohnen. Das k\u00f6nnte der Forschung in diesem Bereich neuen Antrieb geben.\u201c Zus\u00e4tzlich sei es wichtig, Produkte so zu designen, dass sie leicht in ihre Ausgangsstoffe zerlegt und so einem effizienten Recycling-System zugef\u00fchrt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
\u00dcber eine wirtschaftlich interessante PHB-Produktion hinaus illustriert das T\u00fcbinger Forschungsprojekt aber auch das Potenzial von Cyanobakterien: Mit der richtigen genetischen Ausstattung k\u00f6nnen sie durch Sonnenlicht angetriebene Bio-Fabriken werden. Das Licht sorgt f\u00fcr die n\u00f6tige Energie, mit der sie \u2013 je nach eingesetzten Genen \u2013 klimafreundlich ganz unterschiedliche Substanzen synthetisieren k\u00f6nnen.<\/p>\n
\nCyanobakterien: Fotosynthese seit 3,5 Milliarden Jahren<\/p>\n
Cyanobakterien werden h\u00e4ufig auch als Blau- oder Mikroalgen bezeichnet. \u00c4hnlich wie Algen k\u00f6nnen sie mit Hilfe ihres Chlorophylls (Chlorophyll a) im Prozess der Fotosynthese Licht als Energiequelle nutzen. Sie geh\u00f6ren demnach zu den photoautotrophen Bakterien. Ein Produkt der Fotosynthese ist Sauerstoff. Dieser durch Blaualgen produzierte Sauerstoff f\u00fchrte zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosph\u00e4re der fr\u00fchen Erde, der \u00fcberhaupt das heutige Leben erm\u00f6glichte. Cyanobakterien geh\u00f6rten zu den ersten lebenden Organismen auf der Erde. Fossilbelege finden sich in s\u00fcdafrikanischem und australischem Gestein, dessen Alter auf 3,5 bis 3,3 Milliarden Jahre gesch\u00e4tzt wird.<\/p>\n
Im Sommer werden Blaualgen manchmal zu einem Problem: In n\u00e4hrstoffreichen Gew\u00e4ssern k\u00f6nnen sie sich bei h\u00f6heren Temperaturen rasch vermehren, sodass sie das Gew\u00e4sser fl\u00e4chig bedecken. Diese Algenbl\u00fcte kann insbesondere bei Allergikern zu schweren Gesundheitsproblemen f\u00fchren. Von den Cyanobakterien produzierte Toxine k\u00f6nnen zudem Fische und andere Wasserorganismen sch\u00e4digen.<\/p>\n
Cyanobakterien gelten als \u201eBig Player\u201c in der Biotechnologie. Drei Beispiele aus verschiedenen Bereichen:<\/p>\n
Energie: Als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels produzieren viele Cyanobakterien Wasserstoff, der Brennstoffzellen als emissionsfreie Energiequelle dienen kann. Durch genetisch ver\u00e4nderte Bakterienst\u00e4mme k\u00f6nnen in n\u00e4herer Zukunft die Blaualgen f\u00fcr eine bio-basierte Wasserstoffproduktion im gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab genutzt werden.<\/p>\n
D\u00fcnger: Als nat\u00fcrliche Stickstoff-Fixierer binden viele Cyanobakterien Stickstoff aus der Luft, sodass sie als nat\u00fcrliche D\u00fcngerquelle genutzt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Medizin, Wirkstoffe: Das in einer Cyanobakterien-Gattung (Nostoc) entdeckte Protein Cyanovirin-N hemmt die Aktivit\u00e4t der Reversen Transkriptase des HI-Virus (AIDS), eines f\u00fcr dieses Virus essenziellen Enzyms. Dadurch inaktiviert die Substanz einige HI-Virusst\u00e4mme und blockiert die \u00dcbertragung von Zelle zu Zelle.<\/p>\n
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Bio-Kunststoffe: Biogen ist nicht gleich biologisch abbaubar<\/p>\n
Zu unterscheiden ist zwischen biobasierten Kunststoffen, die eine biogene Herkunft haben, und biologisch abbaubaren Kunststoffen. Auch wenn es auf dem ersten Blick paradox scheint: Biogene Kunststoffe sind nicht zwangsl\u00e4ufig auch biologisch abbaubar.<\/p>\n
Zu den Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen z\u00e4hlen beispielsweise CA (Celluloseacetat), PEF (Polyethylenfuranoat) oder PLA (Polylaktid). Davon ist aber nur PLA biologisch abbaubar, wof\u00fcr allerdings bestimmte Umweltbedingungen notwendig sind. So l\u00e4sst sich PLA nur in einer industriellen Kompostieranlage bei 58\u00a0\u00b0C innerhalb von zwei Monaten abbauen. In Meerwasser wird PLA fast gar nicht abgebaut. Zwischenzeitlich kann es hier zur Sch\u00e4digung von Meereslebewesen kommen: In einer Studie von 2018 wurde in Miesmuscheln eine Stoffwechselver\u00e4nderung nach Aufnahme von PLA-Mikropartikeln nachgewiesen.<\/p>\n
Grunds\u00e4tzlich k\u00f6nnen aber auch einige Kunststoffe aus konventioneller Herstellung, die auf fossilen Rohstoffen basiert, biologisch abbaubar sein. Hierzu z\u00e4hlen PCL (Polycaprolacton), PBAT (Polybutylenadipat-terephthalat) oder PBS (Polybutylensuccinat). Notwendig sind allerdings auch hier die richtigen Abbaubedingungen, die oft nur in Industrieanlagen erreicht werden. Eine koreanische Studie aus dem Jahr 2016 zeigte beispielsweise, dass ein Fischernetz einer Mischung aus 82 Prozent PBS und 18 Prozent PBAT nach zwei Jahren lediglich erste, oberfl\u00e4chliche Zersetzung aufwies.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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