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Biotechnologie

Explosive Mischung: Bakterien nutzen Knallgas zum CO2-Abbau

Forschungsteams in Graz haben moderne Standards festgelegt, um aus bestimmten Bakterien optimale Produkte herauszuholen. Das sorgt für die Sicherheit der Menschen im Labor und hilft dem Klimaschutz, da erdölbasierte Rohstoffe ersetzt werden können.

Der Titel der Publikation klingt spannend. „Bakterien züchten auf explosiven Gasmischungen“ heißt es im Journal Bioengineering (Mai 2022). Der Name dieser explosiven Mischung ist vielen bekannt als Knallgas, das ist die flott und laut ablaufende Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Aber keine Bange, weder jagt man mit solch einer Bakterienzucht sein Labor in die Luft, noch besteht Gefahr für die Menschen, die sich darum kümmern.

Denn das Explosive läuft vorrangig in den Zellen der Bakterien ab: Die ursprünglich aus Tümpel-Schlamm stammenden Cupriavidus necator verwenden die chemische Reaktion als Energiespender. „Wasserstoff ist bekanntlich sehr energiereich, und die Bakterien können dies nutzen“, erklärt Regina Kratzer, die mit Vera Lambauer die Publikation verfasst hat. Im Vergleich zu Pflanzen oder Mikroalgen, die für die Biotechnologie Ähnliches leisten könnten, ist der Vorteil der Bakterien, dass in Wasserstoff viel mehr Energie steckt als im Licht, das die Pflanzen weniger effizient umsetzen. Der Wert hinter dem Paper, das moderne Standards für die Zucht von Cupriavidus beschreibt, steckt nicht nur in höherer Sicherheit für die Menschen im Labor, sondern auch im Schutz unseres Klimas. Denn diese Bakterien verwerten nicht nur Wasserstoff, sondern ernähren sich auch von Kohlendioxid, CO2. „Früher züchtete man diese Bakterien hauptsächlich auf Zucker, also auf einer eher teuren Grundsubstanz“, sagt Kratzer, die an der TU Graz sowie am Kompetenzzentrum Acib (Austrian Centre of Industrial Biotechnology) forscht. Neben den hohen Kosten bringt eine Bakterienzucht auf Zucker auch stets die Frage mit sich, wie sinnvoll es ist, potenzielle Lebensmittel zu verwenden, um neue Produkte zu erschaffen. Das kennt man aus den „Tank versus Teller“- oder „Trog gegen Teller“-Debatten.

 

CO2 ist billig und reichlich vorhanden

„Ein billiger Ausgangsstoff, der auf der Welt in größten Mengen vorhanden ist, ist CO2“, sagt Kratzer. Daher fokussieren die Forschenden an der TU Graz und am Acib nun auf Kohlendioxid, um Cupriavidus wachsen zu lassen. „In Graz gibt es eine jahrzehntelange Tradition mit diesen Bakterien, aber erst seit wenigen Jahren haben wir umgestellt auf die Verwertung von CO2.“

So kann man mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen: Erstens können diese Bakterien das schädliche Treibhausgas aus den Abgasen von Industrieanlagen oder aus der Atmosphäre holen. Zweitens soll die Biomasse aus der Bakterienzucht als Futtermittel für Tiere dienen, die darin steckende Proteine, Fettstoffe, Nukleinsäuren und Zuckermoleküle gut verwerten. Drittens stellen die Bakterien wertvolle Produkte her, die fossile Rohstoffe ersetzen können. Optimiert man den Stoffwechsel des Bakteriums, kann die Substanz Isopropanol gewonnen werden, ein Alkohol, der für Hautdesinfektionsmittel oder als Lösungsmittel wichtig ist.

So käme das aus der Luft oder aus Abgasen gewonnene CO2 durch die Biotechnologie direkt in die chemische Industrie, wo man versucht, erdölbasierte Produkte zu vermeiden. Und viertens haben die Bakterien die Angewohnheit, überschüssige Energie nicht in Fett zu stecken, wie wir Menschen das tun, sondern sie speichern die Energie in Biopolymeren, die für uns interessant als Biokunststoff sind. Polyhydroxybuttersäure, PHB, heißt dieser Speicherstoff, der als Alternative für Polyester beliebt ist. Entzieht man also der Bakterienzucht gewisse Nährstoffe, stellen sie umso mehr PHB her, das als Biokunststoff nachhaltig und biologisch abbaubar ist.

Das Team um Regina Kratzer hat für die aktuelle Publikation die Handgriffe und Herangehensweisen von alten Publikationen durchforstet und den Umgang mit den Bakterien, den explosiven Gasen und der Ernte der wertvollen Stoffe auf heutige Sicherheitsstandards gebracht und an gängige Richtlinien angepasst.

Die Methode ist auf beliebige Größen skalierbar, vom kleinen Glasgefäß bis zu großen Containern, die etwa bei Zementwerken CO2 direkt umsetzen können. Für Folgeprojekte wird derzeit nach Firmenpartnern gesucht, die sich für die nachhaltigen Produkte, aber auch für den Bau großer Anlagen interessieren.

IN ZAHLEN

98 Prozent des Biokunststoffs PHB (Polyhydroxybuttersäure), der in diesem Verfahren gewonnen wird, stammt direkt aus CO2. Die Bakterien Cupriavidus necator „fressen“ das Kohlendioxid und bauen daraus den Speicherstoff PHB, der ähnlich wie Polyester einsetzbar ist.

80
Prozent der Biomasse der Cupriavidus-Bakterien bestehen aus diesem Speicherstoff PHB, wenn die Bakterienzucht auf den Gewinn von Biokunststoff angelegt wird. So kann CO2 aus Abgasen der Industrie sehr effizient in wertvolle Produkte umgewandelt werden.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 06.08.2022)