Forscher der North Carolina State University haben eine bahnbrechende Entdeckung gemacht, die die Zukunft der nachhaltigen chemischen Industrieproduktion neu gestalten könnte. Ihre jüngste Studie, veröffentlicht in Science Advances, beschreibt, wie genetisch veränderte Pappeln zu einer wirtschaftlicheren und umweltfreundlicheren Methode zur Produktion industrieller Chemikalien führen können.
Die Studie zeigt, dass ein reduzierter Methoxigehalt in Lignin dessen mikrobiologische Abbaubarkeit erhöht, was die Produktion von Chemikalien ohne den Einsatz von Erdöl ermöglicht. Traditionell hat die Widerstandsfähigkeit von Lignin gegen Zersetzung die Umwandlung von Biomasse in industrielle Produkte behindert. Die Forscher haben jedoch den Methoxigehalt als entscheidenden Faktor identifiziert, der die Effizienz der mikrobiellen Fermentation beeinflusst, die für die Umwandlung von Biomasse in nützliche Chemikalien unerlässlich ist.
Unter der Leitung von Robert Kelly und Jack Wang hat das Team über ein Jahrzehnt in diesem Bereich geforscht. Sie entdeckten, dass Bäume mit niedrigem Ligningehalt ideal für die Papierproduktion sind, während Bäume mit niedrigem Methoxigehalt effizienter für die mikrobielle Zersetzung und die Umwandlung von Holz in Chemikalien wie Aceton und Wasserstoff sind. Diese Methode bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen fossilen Brennstoffen, da sie weniger Energie benötigt und eine geringere Umweltbelastung verursacht.
Warum Pappeln? Die Wissenschaftler erklären, dass diese Bäume schnell wachsen, minimalen Pestizideinsatz erfordern und auf Marginalflächen gedeihen, die für den Lebensmittelanbau ungeeignet sind. Zuvor hatte Kellys Gruppe gezeigt, dass bestimmte extrem thermophile Bakterien die Cellulose von Bäumen abbauen konnten, jedoch nicht in einem wirtschaftlich tragfähigen Maßstab.
Durch die genetische Modifikation von Pappeln mit CRISPR-Technologie zur Reduzierung des Ligningehalt und des Methoxigehalts verbesserten die Forscher die Effektivität der Bakterien, was zu einer verbesserten Chemikalienproduktion führte. Wie Ryan Bing, ein ehemaliger Doktorand von Kelly, bemerkte: „Wir können die Fähigkeit bestimmter thermophiler Bakterien nutzen, Pflanzenmaterial zu konsumieren und in wertvolle Produkte umzuwandeln.“ Die Studie zeigt, dass die Reduzierung des Methoxigehalts die Cellulose für diese Bakterien zugänglicher macht und damit frühere Einschränkungen beseitigt.
Die genetische Modifikation von Bäumen bietet nicht nur eine tragfähige Quelle für die industrielle Chemieproduktion, sondern verringert auch erheblich den Bedarf an Vorbehandlungsprozessen, was die Kosten und die Umweltauswirkungen senkt. Anstelle von Enzymen und Chemikalien zur Zersetzung von Pflanzenbiomasse nutzt dieser Ansatz Mikroorganismen, die Cellulose in einem einzigen Schritt abbauen und fermentieren, um Produkte wie Ethanol zu erzeugen und somit die Gesamteffizienz zu steigern.
Die Auswirkungen dieser Forschung könnten die Produktion vieler industrieller Chemikalien transformieren und eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative zu Erdölprodukten bieten. Wenn genetisch veränderte Pappeln mit niedrigem Methoxy- und Ligningehalt sich in Feldversuchen als tragfähig erweisen, könnten sie eine entscheidende Quelle zur Deckung des globalen Bedarfs an nachhaltigen industriellen Chemikalien werden und gleichzeitig zur Minderung des Klimawandels beitragen.
Wang und sein Team haben Feldversuche mit genetisch veränderten Pappeln gestartet, um ihre Widerstandsfähigkeit und Tragfähigkeit außerhalb kontrollierter Umgebungen zu bewerten. Positive Ergebnisse könnten eine kosteneffektive und nachhaltige Lösung für die chemische Produktion im großen Maßstab bieten, die die Abhängigkeit von Erdöl verringert und zur Bekämpfung des Klimawandels beiträgt.
Darüber hinaus unterstreicht die Studie das Potenzial thermophiler Bakterien als Werkzeuge in der chemischen Industrie, da sie bei hohen Temperaturen gedeihen und somit die Notwendigkeit beseitigen, in sterilen Arbeitsbedingungen zu arbeiten, die normalerweise erforderlich sind, um Kontaminationen in industriellen Prozessen zu vermeiden.
Co-Autor Daniel Sulis betonte die bedeutenden Umweltauswirkungen dieser Entdeckung und bietet einen Weg, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren und auf eine grünere, nachhaltigere Wirtschaft hinzuarbeiten. „Umweltkatastrophen, die durch den Klimawandel angeheizt werden, verdeutlichen die Dringlichkeit, Alternativen zu fossilen Brennstoffen zu finden, und Bäume als reichlich vorhandene natürliche Ressource könnten eine vielversprechende Lösung sein, um den chemischen Bedarf der Gesellschaft zu decken und gleichzeitig den Planeten zu schützen“, sagte Sulis.