Mikrobielle Biotechnologie für Nachhaltigkeit – Wie Bakterien unser Leben nachhaltiger machen

Können Bakterien einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten? In ihrem zweiten Gastbeitrag beleuchtet die Wissenschaftlerin Wiebke Walleck biotechnologische Anwendungen, mit denen bereits heute beispielsweise erdölbasierte Produkte ersetzt werden. Neugierig? Dann lass dich von Wiebke in diesen spannenden Bereich entführen.

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Wir können es nicht oft genug betonen: Bakterien sind ausgesprochen nützliche, kleine Lebewesen. Ob in unserem Körper, in der Umwelt oder bei der Produktion von Lebensmitteln und im Haushalt – Sie leisten Großes für uns.

Und doch fragt eine sich sorgende Stimme in mir: Was bringen uns Selbstbräuner und industriell hergestellte „Enzym-Brötchen“ langfristig, wenn wir geradewegs auf eine Umweltkatastrophe zusteuern, die am Ende unsere Lebensgrundlagen auf der Erde bedroht? Können Bakterien nicht auch dabei helfen, die Folgen des Klimawandels und der Umweltverschmutzung abzumildern? Können sie zu mehr Nachhaltigkeit beitragen?

Das können sie tatsächlich! Nicht als Wunder- oder Allheilmittel, das unsere Probleme verschwinden lässt, aber einige Besserungen lassen sich mithilfe von Bakterien doch vornehmen! Einige Beispiele, wie Mikroorganismen zu mehr Nachhaltigkeit beitragen, gibt es bereits. Diese möchte ich dir heute, in meinem zweiten Gastbeitrag im Themenmonat Biotechnologie, gerne vorstellen. Mach dich bereit, es wird wieder einmal vielfältig!

Warum wir dringend Nachhaltigkeit brauchen

Wir haben ein Problem, Leute! Du weißt es längst, wir alle wissen es längst. Manche verschließen zwar die Augen davor und leugnen es gar, aber es ist eine wissenschaftlich belegte Tatsache: Umweltverschmutzung und Klimawandel sind real. Mehr sogar – während sie jahrelang als Problem der Zukunft kleingeredet wurden, spüren wir alle inzwischen die Auswirkungen. Wir beuten die Erde aus, wir leben über unsere Grenzen. Wir sprengen die Grenzen, die unser Planet uns vorgibt: Wir lassen Tier- und Pflanzenarten aussterben, überdüngen die Böden, verbrauchen zu viel Wasser, zu viel Land.

Als Lösung des Problems gilt Nachhaltigkeit. Doch was bedeutet das eigentlich? Der Begriff stammt ursprünglich aus der Forstwirtschaft und beschreibt ein Prinzip, nach dem nicht mehr Holz geschlagen werden darf, als nachwachsen kann. Und im Grunde kann man diese Erklärung auch auf das heutige Konzept von Nachhaltigkeit übertragen: Es dürfen nicht mehr Ressourcen verbraucht werden, als die Erde regenerieren kann.

Doch dazu gehören nicht nur die Ressourcen, die wir uns meistens unter dem Begriff vorstellen: Wasser, Böden und Umwelt. Etwas verallgemeinert besagt das Prinzip, dass allen Menschen – jetzt und in Zukunft, hier und überall auf der Welt – ein gutes Leben ermöglicht werden soll. Und das geht weit über eine rein ökologische Betrachtung von Ressourcen und Nachhaltigkeit (Umweltschutz, Reduktion von Emissionen) hinaus. Zwei weitere sogenannte Säulen der Nachhaltigkeit sind neben der Ökologie auch soziale Aspekte (z.B. Gerechtigkeit, Armut und Hunger) und die Wirtschaft (z.B. Arbeit, nachhaltiger Konsum).

Es ist also eine Mammutaufgabe, die viele Bereiche unseres Lebens betrifft. Doch weil es hier schließlich um Bakterien geht und ich Biologin bin, bleibe ich zunächst mal bei der ökologischen Sichtweise auf Nachhaltigkeit. Und hier ist es ganz besonders wichtig, dass wir Ressourcen schonen und weniger Treibhausgase produzieren (die, wie du weißt, den Klimawandel vorantreiben) und die Ökosysteme der Natur schützen, etwa vor Umweltverschmutzungen. Und genau das sind die Bereiche, in denen Bakterien und andere Mikroorganismen uns helfen können.

Für mehr Nachhaltigkeit – Erdöl durch natürliche Bestandteile ersetzen

Unsere Mobilität und Wirtschaft sowie die Produktion unfassbar vieler Güter basieren auf fossilen Rohstoffen, wie Kohle, Erdöl und Erdgas. Die Probleme mit diesen fossilen Rohstoffen sind vielfältig: Sie sind endlich, werden unter schwierigen Verhältnissen gefördert und vor allem setzt ihr Verbrauch große Mengen CO₂ (das als Treibhausgas wirkt) frei, die bisher Form von Kohlenwasserstoffen gebunden und unschädlich im Erdinnern schlummerten.

Alle möglichen Produkte und Chemikalien werden aus Erdöl gewonnen: Kraftstoffe, Kunststoffe, Farben, Aromen, sogar Medikamente. Die gute Nachricht ist: Häufig können wir fossile Rohstoffe ersetzen und so weniger Treibhausgase freisetzen.

Und hier kommen nun wieder Bakterien ins Spiel, die eine riesige Vielfalt an Stoffwechselprodukten synthetisieren, die wir wiederum als Rohstoffe etwa in der Industrie einsetzen (weiße Biotechnologie). Und einige dieser biotechnologisch hergestellten Rohstoffe eignen sich ganz wunderbar, um petrochemisch (also aus Erdöl) erzeugte Stoffe zu ersetzen.

Die Königin der Gewürze, ihr Erdöl-Abklatsch und die biotechnologische Alternative

Vanillin ist einer der wichtigsten und verbreitetsten Aromastoffe der Welt – es ist in zahlreichen Lebensmitteln, Parfums, Kosmetikartikeln und Medikamenten zu finden. Klar, ganz ursprünglich kennen wir den feinen Duft und Geschmack aus der Gewürzvanille, der Orchideenart Vanilla planifolia, deren Schoten das Aroma enthalten. Aber hättest du gewusst, dass das Aroma Vanillin heute meistens aus Erdöl hergestellt wird?

So unappetitlich es klingt, die Produktion von Vanillin aus Erdöl ist schon lange gang und gäbe. Und auch nötig, denn den großen Bedarf können wir mit der echten Vanille – eines der teuersten Gewürze der Welt – schon lange nicht mehr decken. Die künstliche Produktion basiert auf dem Molekül Guajacol, das zwar eigentlich natürlich in Pflanzen vorkommt, aber viel günstiger aus Erdöl gewonnen wird.

Häufig wird Vanillin auch aus Lignin hergestellt, das bei Bäumen zur Verholzung beiträgt und als Nebenprodukt bei der Produktion von Zellstoff anfällt. Damit ist zwar der Ausgangsstoff nachhaltiger, aber um aus Lignin Vanillin zu gewinnen, sind große Mengen an zum Teil gesundheits- und umweltschädlichen Chemikalien notwendig. Und das trägt natürlich auch nicht gerade zu mehr Nachhaltigkeit bei.

Bakterien synthetisieren Vanillin aus Ferulasäure – Für sie ist es nur ein Zwischenprodukt, für uns ein kleiner Schritt in Richtung Nachhaltigkeit

Wie gut, dass Vanillin und vor allem seine Vorläufer in der Natur keine allzu seltenen Moleküle sind. Vorläufermoleküle von Vanillin kommen in etlichen Pflanzen vor und die Biotechnologie hat Wege gefunden, diese Vorläufer durch Mikroorganismen in Vanillin umzuwandeln.

Dazu zählen etwa landwirtschaftliche Abfallstoffe wie Reis- und Weizenkleie, aus denen der Vanillin-Vorläufer Ferulasäure gewonnen werden kann. Dieser Prozess ist allerdings recht aufwändig und teuer. Mithilfe von Chemikalien oder Enzymen (ebenfalls biotechnologisch hergestellt) muss Ferulasäure aus den Zellwänden der Pflanzenabfälle herausgelöst werden.

Jede Menge verschiedener Arten und Stämme von Bakterien sind in der Lage, aus Ferulasäure Vanillin herzustellen. Dabei ist Vanillin für die Bakterien eigentlich auch nur ein Zwischenprodukt auf dem Verarbeitungsweg der Ferulasäure, um daraus Energie zu gewinnen.

Vanillin wirkt auf viele Bakterien in hohen Konzentrationen toxisch, sodass sie es schnell weiterverarbeiten wollen. Deshalb werden für die biotechnologische Herstellung von Vanillin gentechnisch veränderte Mikroorganismen genutzt, die viel Vanillin akkumulieren können, ohne Schaden zu nehmen.

One step back – Eugenol als Rohstoff ist günstiger (und trotzdem noch zu teuer)

Ein günstigeres Vorläufermolekül ist Eugenol, das aus Nelkenöl gewonnen wird. Eugenol ist wiederum ein Vorläufer von Ferulasäure: Die Biosynthese von Vanillin wird hier also noch etwas früher gestartet. Außerdem werden Curcumin aus Kurkuma oder auch Zucker wie Glucose genutzt, um Mikroorganismen daraus Vanillin herstellen zu lassen. Doch eines ist all diesen biotechnologischen Methoden gemein: Sie sind viel nachhaltiger als die Produktion von Vanillin aus Erdöl, aber leider auch (noch) teurer und deshalb nicht konkurrenzfähig!

Das liegt zum einen daran, dass die Ausgangsprodukte teurer sind als Erdöl. Hier sind Eugenol und die anderen Substrate deutlich günstiger als Ferulasäure. Andererseits sind die Prozesse einfach noch nicht etabliert: Um Vanillin im großen Maßstab biotechnologisch herzustellen, müssen die Produktionsprozesse ausgebaut werden.

Beides (teure Ausgangsprodukte und fehlende etablierte Produktionsbedingungen) sind leider grundsätzliche Probleme, wenn man Erdöl in verschiedenen Prozessen und Produkten austauschen möchte. Deshalb sind viele biotechnologische Alternativen teuer und aus wirtschaftlicher Sicht keine ernsthaften Konkurrenten. Und wenn man die dritte Dimension der Nachhaltigkeit hinzuzieht, wird es auch nicht gerade einfacher: Nachhaltigkeit muss schließlich für alle erschwinglich sein.

Nachhaltigkeit im Tank – Welchen Beitrag kann Bioethanol leisten?

Kraftstoffe für Motoren (Benzin, Diesel) werden in Raffinerien aus Erdöl gewonnen und sind für etwa 19 % der Treibhausgasemissionen in Deutschland verantwortlich. Doch auch Ethanol (Alkohol) eignet sich als Kraftstoff und der kann – unter dem Namen Bioethanol – deutlich klimaschonender mithilfe von Bakterien und Pilzen hergestellt werden.

Die Mikroorganismen werden in Bioreaktoren kultiviert und mit Pflanzen „gefüttert“. Der zugrundeliegende Stoffwechselweg ist die alkoholische Gärung und funktioniert wie bei der Herstellung von Bier: Hefen oder Bakterien verstoffwechseln den Zucker aus dem Substrat und gewinnen daraus Energie. Als Nebenprodukte fallen Ethanol und CO₂ an.

Bei der Produktion von Bioethanol werden meist zuckerhaltige Pflanzen verwendet, wie Zuckerrübe oder Zuckerrohr. Aber auch stärkehaltige Pflanzen wie Getreide landen als Substrat für die Mikroorganismen im Bioreaktor (hier wird die Stärke durch eine vorherige Enzymbehandlung in Zucker umgewandelt). Durch Destillation wird der Alkohol schließlich aus dem Bakterien-Pflanzenreste-Gemisch gewonnen. Dabei wird das Gemisch erhitzt und der Alkohol verflüchtigt sich als Erstes und kann aufgefangen werden.

Das gewonnene Bioethanol wird dann Kraftstoffen beigemischt, in E10 sind 10 % Bioethanol enthalten (die Befürchtung, dass Motoren davon Schaden nehmen können, ist übrigens längst überholt: Nur wenn du tatsächlich einen Oldtimer fährst, kann es Probleme geben). Spezielle Motoren können auch auf 100 % Bioethanol laufen. Allerdings besitzt Bioethanol nur etwa 65 Prozent des Energiegehalts fossiler Kraftstoffe, sodass für die gleiche Leistung mehr Treibstoff nötig ist.

Bei der Verwendung von Bioethanol werden im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen weniger Treibhausgase freigesetzt. So kann Bioethanol einen Beitrag in Sachen Nachhaltigkeit leisten. Wie groß dieser Effekt allerdings tatsächlich ist, ist sehr umstritten. Dabei spielen wahnsinnig viele Faktoren in Berechnungen mit ein (z.B. auch der Anbau von Rohstoffen). So kommen sehr unterschiedliche Zahlen zustande, die häufig jedoch nicht wirklich nachvollziehbar sind.

Nun liegt die Antwort auf die Frage, wie sehr Bioethanol in Kraftstoffen tatsächlich zur Nachhaltigkeit beiträgt, wie so oft im Detail. Denn es ist wie beim Biogas: Wenn Pflanzen als Substrate für die Produktion von Biogas oder Bioethanol extra angebaut werden, ist das natürlich wesentlich weniger nachhaltig, als wenn Abfälle oder Reststoffe genutzt werden. Deshalb wird heute an alternativen Rohstoffquellen wie Pflanzenresten (zum Beispiel Stroh) oder Mikroalgen geforscht. Derartige Verfahren sind jedoch technisch aufwändig oder befinden sich noch in der Entwicklung und sind deshalb (noch) nicht konkurrenzfähig.

Not so fantastic – Wie wir Plastik wieder loswerden

Plastik hat die Welt revolutioniert! So zynisch es angesichts der Müllberge, die unsere Meere verschmutzen, auch klingen mag: Plastik ist ein herausragendes Material. Es ist vielseitig, resistent und stabil, günstig und super einfach herzustellen. Wäre da nur nicht dieses eine Problem. Es ist nicht abbaubar und wir werden es einfach nicht mehr los!

Werden wir nicht? Na ja, das ist nicht ganz einfach zu sagen. Zunächst gilt es verschiedene Arten von Plastik zu unterscheiden: Da gibt es zum einen konventionellen Kunststoff, der aus Erdöl hergestellt wird und als nicht abbaubar gilt („klassisches“ Plastik wie PE oder PET). Und dann gibt es noch Bioplastik, das wiederum ganz unterschiedliche Eigenschaften haben kann.

Es ist biobasiert, das heißt, als Rohstoffe für die Produktion dienen nachwachsende Rohstoffe und kann biologisch abbaubar sein – oder aber halt auch nicht! Und um die Verwirrung perfekt zu machen, gibt es auch Plastik, das aus Erdöl hergestellt wird, aber trotzdem abbaubar ist. Das heißt dann auch, dreimal darfst du raten: Bioplastik!

Das Problem mit der Größe – Plastikabbau durch Bakterien

Wie funktioniert nun also der Abbau von Plastik durch Bakterien? Bakterien sind unheimlich anpassungsfähig, in jeder noch so lebensfeindlichen Umgebung finden wir spezialisierte Mikroorganismen. Da liegt es nicht fern, dass sie auch gewillt sind, sich von Plastik zu ernähren – davon gibt es schließlich genug auf der Welt.

Doch dabei stehen sie erstmal vor einem – im wahrsten Sinne des Wortes – großen Problem. Denn Bakterien sind winzig klein und Plastik ist groß. Es besteht aus Polymeren, das sind miteinander verknüpfte Moleküle, die zu langen Ketten miteinander verbunden werden. Und Bakterien sind schlicht und ergreifend zu klein, um die großen Polymerketten in ihren Organismus aufzunehmen.

Mithilfe extrazellulärer Enzyme, also Enzymen, die sich außerhalb der Zelle befinden, greifen die Mikroorganismen also zunächst die langen Polymerketten an. Die Enzyme, unter anderem sogenannte Depolymerasen, spalten die chemischen Bindungen zwischen Molekülen, sodass kleinere Bruchstücke (Oligo- und Monomere) entstehen.

Diese kleinen Fragmente können sich die Bakterien dann einverleiben und innerhalb der Zelle abbauen, um daraus Energie zu gewinnen. So wird aus Plastik Biomasse (die Bakterien vermehren sich), Wasser, Salz und CO₂.

Doch beide Schritte, also das Spalten der Polymere und der Abbau der einzelnen Bestandteile, verlaufen trotz aller Bemühungen von Wissenschaftler:innen, den Vorgang zu beschleunigen, noch sehr langsam. Überhaupt hängt der Abbau an irrwitzig vielen Faktoren: Sind die richtigen Mikroorganismen in der Nähe, welche Bedingungen herrschen in der Umgebung (manche Biokunststoffe werden nicht im Wasser abgebaut), wurde das Plastik schon durch Umwelteinflüsse zerkleinert?

Deshalb sind Vorhersagen oder Schätzungen über den Abbau von Plastik in der Umwelt immer sehr ungenau (es ist ja sogar schwer zu bestimmen, ob Plastik abgebaut wurde oder einfach nur zerfallen ist). Und außerdem dauert der Abbau sogar unter optimalen Bedingungen, wie in einer industriellen Kompostieranlage, meist noch so lang, dass Abfallbetriebe nicht darauf warten können. Das ist auch der Grund, weshalb du Bioplastik nicht im Biomüll entsorgen darfst.

Also alles für Katz? Nichts mit Nachhaltigkeit durch Bioplastik?

Wie gesagt: Es ist kompliziert… Bei biobasierten Kunststoffen fällt Erdöl als Rohstoff weg, das ist ohne Frage nachhaltiger. Und langsamer Abbau ist auch immer noch besser als gar kein Abbau. Sicherlich müssen wir den Verbrauch und die Produktion von Plastik drastisch reduzieren, aber es gibt Lichtblicke.

Tatsächlich haben Forschende weltweit in den letzten Jahren einige Bakterienarten gefunden, die in der Lage sind, konventionelle Kunststoffe abzubauen. So gibt es etwa 19 Bakterien- und zwölf Pilzgattungen, die Polyethlyen (PE) abbauen können. Das ist der am häufigsten verwendete Kunststoff, vor allem für Folien und Verpackungen (z.B. Plastiktüten, Flaschen und Kanister). Es wurden auch Enzyme gefunden, die PET (Polyethylenterephthalat) und andere konventionelle Kunststoffe spalten können.

Die Forschung steckt hier noch in den sprichwörtlichen Kinderschuhen. Eines der PET abbauenden Enzyme konnte so verändert werden, dass es nun sehr viel effizienter arbeitet. Viele Biotechnolog:innen forschen an sogenannten „Plastik fressenden“ Bakterien und Enzymen – wir dürfen gespannt sein, was die vielfältige Welt der Bakterien noch für uns und unser Plastikproblem bereithält!

Nachhaltigkeit und Biotechnologie – Vanillin, Bioethanol, Plastik

• Nachhaltigkeit umfasst nicht nur ökologische, sondern auch soziale und wirtschaftliche Aspekte.
• Ein guter Ansatz: Erdöl, das als Rohstoff für unzählige Produkte (Kraftstoffe, Kunststoffe, Farben, Aromen, Medikamente) verwendet wird, ersetzen.
• Vanillin ist ein wichtiger Aromastoff. Es wird meistens aus Erdöl hergestellt, kann aber biotechnologisch mithilfe von Bakterien produziert werden. Das ist gut für die Nachhaltigkeit, aber leider noch recht teuer. 
• Bioethanol entsteht durch alkoholische Gärung in Mikroorganismen. Es wird Kraftstoffen beigemischt und senkt den Ausstoß von Treibhausgasen. Wie nachhaltig es allerdings wirklich ist, ist umstritten.
• Plastik ist nicht gleich Plastik: Es gibt Kunststoffe aus Erdöl und aus nachwachsenden Rohstoffen. Von beiden Arten gibt es auch solche Stoffe, die biologisch abbaubar sind.
• Bakterien können bestimmte Kunststoffe abbauen, sogar solche, die als nicht biologisch abbaubar gelten. Dieser Prozess ist allerdings noch sehr langsam und muss weiter erforscht werden.

Gastautorin Wiebke Walleck

Quellen

• Rockstrom et al. (2009) Planetary boundaries: exploring the safe operating space for humanity
• Tremmel (2004) “Nachhaltigkeit” – definiert nach einem kriteriengebundenen Verfahren
• Gallage und Møller (2015) Vanillin-bioconversion and bioengineering of the most popular plant flavor and its de novo biosynthesis in the vanilla orchid
• Ciriminna et al. (2019) Vanillin: The Case for Greener Production Driven by Sustainability Megatrend
• Mohd Azhar et al. (2017) Yeasts in sustainable bioethanol production: A review
• Kreutzbruck et al. (2021) Sachstandspapier zur Bioabbaubarkeit von Kunststoffen
• Zeenat et al. (2021) Plastics degradation by microbes: A sustainable approach