Klimaneutral und schnell abbaubar: Bio-Kunststoff aus Cyanobakterien

Von Tobias Brügmann

Plastik, das CO2 aus der Luft als Ressource nutzt, schnell abgebaut wird und sich nicht in der Umwelt ansammelt – noch ist es eine Vision, aber sie wird konkreter. Cyanobakterien, auch als Blaualgen bekannt, können einen Grundstoff dafür herstellen, als Nebenprodukt der Fotosynthese. Doch noch sind die Mengen zu gering für eine industrielle Nutzung. Einem Tübinger Forschungsprojekt ist es nun gelungen, die Ausbeute drastisch zu erhöhen. Der Schlüssel dazu ist die Genetik.

Gleich, ob chemisch-synthetisch oder bio - Plastik ist in Verruf geraten.

Konventionelle Kunststoffe wie PET oder PE werden aus fossilen Ressourcen hergestellt und sind häufig Produkte mit kurzer Lebens- oder Nutzungsdauer, wie Jogurtbecher oder Gemüseverpackungen. Zum Schutz der Umwelt und der Meere hat die Europäische Union ein Verbot von diversen Einwegartikeln wie Plastikgeschirr oder Strohhalmen erlassen. Ab Sommer 2021 greift das Verbot auch in Deutschland.

Bei der Produktion von Bio-Kunststoffen werden dagegen keine fossilen Rohstoffe verbraucht: Biogenes Plastik wird heute vornehmlich aus Maisstärke hergestellt. Die Nutzung von Maisstärke und der Flächenverbrauch zum Anbau der dazugehörigen Pflanzen wirft allerdings ethische Fragen auf: Sollten Ressourcen, die der Ernährung dienen können, für die Produktion von Verpackungsmaterial verwendet werden? Der Anbau nachwachsender Rohstoffe in großem Stil würde den Nutzungsdruck auf die ohnehin knappen Flächen weiter erhöhen.

Diese Probleme stellen sich nicht, wenn spezielle Mikroalgen, sogenannte Cyanobakterien für die Produktion von Bio-Kunststoffen eingesetzt werden. Cyanobakterien sind Einzeller, die im Gegensatz zu anderen Bakteriengruppen Chlorophyll besitzen und dadurch wie Pflanzen Fotosynthese betreiben können. In diesem Prozess gewinnen die Cyanobakterien mit Sonnenlicht Energie, um CO2 zu fixieren und zu Zucker umwandeln. Aufgrund ihrer Ähnlichkeiten zu Algen werden diese Bakterien auch als Blau- oder Mikroalgen bezeichnet. Cyanobakterien können auch auf nicht landwirtschaftlich nutzbaren Flächen kultiviert werden.

In den Cyanobakterien kommt als natürliches Makromolekül die Substanz Polyhydroxybutyrat (PHB) vor. Die physiologische Funktion des PHB ist bislang unklar, es könnte aber den Bakterien als Speicher für 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 günstige 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.

Für die Produktion von PHB setzen die Cyanobakterien CO2 unter Lichteinwirkung in einigen Zwischenschritten zu diesem Biopolymer um. Für die Bildung des Bio-Kunststoffs werden lediglich drei Gene benötigt. In ihrem DNA-Code sind die Enzyme verschlüsselt, welche für die biochemische Umsetzung des Ausgangsstoffs Acetyl-CoA in das komplexere PHB erforderlich sind. Unter natürlichen Umständen produzieren Cyanobakterien das PHB in einer Größenordnung zwischen 0,5 und 6 Prozent ihrer eigenen Trockenmasse, was allerdings eine zu niedrige Konzentration für eine mögliche industrielle Nutzung ist.

Wissenschaftler*innen an der Universität Tübingen forschen an der PHB-Produktion in Cyanobakterien, um sie für eine bioökonomische Nutzung zu optimieren. Zu ihnen gehört auch Dr. Moritz Koch, inzwischen einer der weltweiten Experten auf diesem speziellen Gebiet.

Durch „genetische Kniffe“, so Koch, ist es der Tübinger Arbeitsgruppe gelungen, die PHB-Produktion in Cyanobakterien drastisch zu erhöhen. Dazu gehören gentechnische Veränderungen, die auf bestimmte Gene zielen, etwa eine gezielte Überexpression von Synthesegenen. Aber nicht nur die Gene für die eigentliche PHB-Produktion, sondern auch andere Regulatoren im Kohlenstoffkreislauf bieten geeignete Ziele für eine Produktionssteigerung. Wie aus ihren aktuellen wissenschaftlichen Publikationen hervorgeht, konnten die Wissenschaftler*innen damit „eine massive Steigerung“ der PHB-Produktion herbeiführen. In den optimierten Cyanobakterien beträgt der PHB-Anteil nun etwa 80 Prozent der gesamten Zellmasse (Foto oben).

Der Bio-Kunststoff PHB kann bereits heute im industriellen Maßstab von sogenannten heterotrophen Bakterien wie Cupriavidus necator produziert werden, also von Bakterien, die ihre Energie über ihre Nahrung aufnehmen und nicht selbst mit Hilfe des Sonnenlichts produzieren können. Als Energieträger dient diesen Bakterien Zucker, der häufig aus Nutzpflanzen gewonnen wird – und demnach nicht für die Lebensmittelerzeugung zur Verfügung steht. Hier zeigt sich der große 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 ökologische und ethische Vorteile gegenüber der Nutzung von heterotrophen Bakterien.

Koch bremst allerdings die Erwartungen: „Noch wird im Bereich der PHB-Produktion durch Cyanobakterien Grundlagenforschung betrieben. Es dauert noch Jahre oder Jahrzehnte bis zur praktischen Umsetzung im groß-industriellen Maßstab.“ Der Tübinger Wissenschaftler sieht bis dahin zunächst die Politik am Zuge: „Die PHB-Produktion durch heterotrophe Bakterien ist momentan einfach günstiger. Sollte es allerdings zu einer deutlich höheren CO2-Bepreisung kommen, dann würde sich die CO2-neutrale Produktion mit Cyanobakterien lohnen. Das könnte der Forschung in diesem Bereich neuen Antrieb geben.“ Zusätzlich sei es wichtig, Produkte so zu designen, dass sie leicht in ihre Ausgangsstoffe zerlegt und so einem effizienten Recycling-System zugeführt werden können.

Über eine wirtschaftlich interessante PHB-Produktion hinaus illustriert das Tübinger Forschungsprojekt aber auch das Potenzial von Cyanobakterien: Mit der richtigen genetischen Ausstattung können sie durch Sonnenlicht angetriebene Bio-Fabriken werden. Das Licht sorgt für die nötige Energie, mit der sie – je nach eingesetzten Genen – klimafreundlich ganz unterschiedliche Substanzen synthetisieren können.