Document ID: /fineweb-2-swissfilter-quality_10-filterrobots/filtered/03269.jsonl.gz/956

Mikrobielle Zusammenarbeit optimiert die Umwandlung von Biomasse
Im Wettlauf um erneuerbare Energiequellen sind Pflanzen einer der vielversprechendsten Kandidaten für den Ersatz von Rohöl. Vor allem Lignozellulose – Biomasse aus nicht essbaren Pflanzen wie Gras, Blättern und Holz, die nicht mit Nahrungspflanzen konkurrieren – ist reichlich vorhanden und erneuerbar und bietet für eine ganze Reihe von Chemikalien eine hervorragende Alternative zum Erdöl.
Um daraus nützliche Chemikalien zu extrahieren, wird Lignocellulose zunächst vorbehandelt, um sie «aufzubrechen» und leichter weiterverarbeitbar zu machen. Dann wird sie Enzymen ausgesetzt, die die Cellulose, eine Kette von verknüpften Zuckern (Glukose), auflösen. Dieser Schritt kann erfolgen, indem der vorbehandelten Lignozellulose ein Mikroorganismus hinzugefügt wird, der auf natürliche Weise die notwendigen Zellulose spaltenden Enzyme produziert, z.B. ein Pilz.
Die Enzyme «knacken» die Zellulose und wandeln sie in ihre einzelnen Zucker um, die dann weiterverarbeitet werden können, um eine Schlüsselchemikalie herzustellen: Milchsäure. Dieser zweite Schritt wird ebenfalls mit einem Mikroorganismus durchgeführt, einem Bakterium, das die Zucker «frisst» und Milchsäure produziert, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist.
Im letzten Schritt dieser mikrobiellen Montagelinie kann die Milchsäure dann zu einer ganzen Reihe nützlicher Chemikalien verarbeitet werden.
Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Berner Fachhochschule (BFH), der Universität Cambridge und der EPFL hat diese Montagekette in einem einzigen Aufbau ermöglicht und gezeigt, dass diese Umwandlung vielseitiger und modularer gestaltet werden kann. Durch einfaches Austauschen der Mikroorganismen im letzten Schritt, der Milchsäureverarbeitung, können sie eine ganze Reihe nützlicher Chemikalien herstellen.
Die bahnbrechende Studie wurde in Science veröffentlicht und von Robert Shahab, einem Doktoranden der EPFL im Labor von Professor Jeremy Luterbacher, durchgeführt, während er im Labor von Professor Michael Studer, dem Leiter der Studie, an der BFH arbeitete.
Die Forschenden stellen eine sogenannte «Laktatplattform» vor, bei der es sich im Wesentlichen um einen räumlich getrennten Bioreaktor handelt, in dem mehrere verschiedene Mikroorganismen koexistieren können, die jeweils einen der drei Schritte der Lignozelluloseverarbeitung durchführen.
Die Plattform besteht aus einer Rohrmembran, die eine definierte Menge Sauerstoff durchlässt. Auf der Oberfläche der Röhre kann der Pilz gezüchtet werden, der den gesamten Sauerstoff verbraucht, der durch die Membran hindurchgeht, und der die Enzyme liefert, die Zellulose in Zucker aufspalten. Weiter entfernt von der Membran und daher in einer Atmosphäre ohne Sauerstoff wachsen die Bakterien, die den Zucker «fressen» und ihn in Milchsäure umwandeln.
Pilzartiger Biofilm, der in einem ansonsten anaeroben Bioreaktor auf einer sauerstoffdurchlässigen, spiralförmig gewickelten Rohrmembran wächst. Der Biofilm wird am Ende eines Fermentationslaufs aus dem Reaktor entfernt. Kredit: M. Studer (BFH)© 2020 EPFL
Aber Shahabs wirkliche Innovation lag im letzten Schritt. Durch die Verwendung verschiedener Milchsäure-fermentierender Mikroorganismen war er in der Lage, verschiedene nützliche Chemikalien herzustellen. Ein Beispiel war Buttersäure, die in Biokunststoffen verwendet werden kann, während Luterbachers Labor kürzlich zeigte, dass sie sogar in einen Düsentreibstoff umgewandelt werden kann.
Die Arbeit demonstriert die Vorteile mikrobieller Mischkulturen bei der Verarbeitung von Lignocellulose-Biomasse: Modularität und die Fähigkeit, komplexe Substrate in wertvolle Plattformchemikalien umzuwandeln.
«Die mit der Laktatplattform erzielten Ergebnisse zeigen sehr schön die Vorteile künstlicher mikrobieller Konsortien zur Bildung neuer Produkte aus Lignozellulose», sagt Michael Studer. «Die Schaffung von Nischen in ansonsten homogenen Bioreaktoren ist ein wertvolles Instrument zur Co-Kultivierung verschiedener Mikroorganismen», so Studer.
«Die Vergärung von Lignozellulose zu vielen verschiedenen Produkten war ein erheblicher Arbeitsaufwand, aber es war wichtig zu zeigen, wie vielseitig die Laktatplattform ist», sagt Robert Shahab. «Die Bildung von Laktat und die Umwandlung in Zielprodukte zu sehen, war eine grossartige Erfahrung, da sie zeigte, dass das Konzept der Laktatplattform in der Praxis funktioniert.»
Jeremy Luterbacher fügt hinzu: «Die Studie wurde im Labor von Professor Michael Studer an der BFH durchgeführt: «Das letztendliche Ziel ist der Wiederaufbau eines grünen Produktionssektors, der einen Sektor ersetzt, der viele Produkte aus Rohöl herstellt. Eine Methode, die Flexibilität und Modularität einführt, ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung».
Eine Illustration der verschiedenen Chemikalien, die mithilfe der Laktatplattform aus Buchenholz hergestellt werden können. Credit: RL Shahab/Wissenschaft.