Mit Knallgasbakterien zur Kreislaufchemie
Knallgasbakterien verwandeln CO2 mithilfe von Wasserstoff in wertvolle chemische Bausteine – zum Beispiel biologisch abbaubare Kunststoffe. Forschende am WSS-Forschungszentrum catalaix in Aachen entwickeln Methoden, um diese Fähigkeiten technisch nutzbar zu machen. Ziel ist eine Kreislaufchemie, die ohne fossile Rohstoffe auskommt.
Das WSS-Forschungszentrum catalaix hat sich das gewaltige Ziel gesetzt, die chemische Industrie grundlegend zu verändern – hin zu einer nachhaltigen, mehrdimensionalen Kreislaufwirtschaft. Chemische Produkte wie Kunststoffe entstehen heute zumeist aus fossilen Energieträgern wie Erdöl und werden, da oft kaum abbau- und rezyklierbar, am Ende ihrer Nutzungszeit entsorgt oder verbrannt.
An der RWTH Aachen entwickeln die catalaix-Forschenden einerseits innovative, katalytisch getriebene Methoden, um aus heutigen Kunststoffen hochwertige, wiederverwendbare chemische Bausteine zu gewinnen. Andererseits suchen sie nach Wegen, um aus erneuerbaren Kohlenstoff- und Energiequellen neue, nachhaltige, biologisch abbaubare Kunststoffe zu gewinnen.
Einen bemerkenswerten Ansatz für eine solche CO2-basierte Biotechnologie verfolgt die Arbeitsgruppe von Lars Lauterbach, Professor für Synthetische Mikrobiologie an der RWTH Aachen. Sein Team arbeitet mit einer Gruppe faszinierender Mikroorganismen, den sogenannten Knallgasbakterien. Diese Bakterien gewinnen Energie, indem sie Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser verbrennen – eine Reaktion, die auch als Knallgasreaktion bekannt ist. Diese Reaktion ist eigentlich explosiv – in den Bakterien läuft sie jedoch kontrolliert ab.
«Knallgasbakterien sind kleine chemische Fabriken: Sie können CO2 mithilfe von Wasserstoff direkt in wertvolle Moleküle umwandeln. Wenn wir diese natürlichen Stoffwechselwege technisch nutzbar machen, können wir chemische Bausteine und biologisch abbaubare Kunststoffe künftig aus CO2 und erneuerbarer Energie herstellen – ganz ohne fossile Rohstoffe», sagt Lars Lauterbach.
CO2-Fixierung mit Wasserstoff
Ein gut erforschtes und vielversprechendes Knallgasbakterium ist das Bodenbakterium Cupriavidus necator. Es nutzt die mit der Knallgasreaktion gewonnene Energie für seinen Stoffwechsel. Das Bakterium ist in der Lage, CO2 aus der Atmosphäre in organische Verbindungen umzuwandeln; wenn organische Kohlenstoffquellen wie Zucker oder Lipide vorhanden sind, nutzt es auch diese. Der Clou: Überschüssigen Kohlenstoff speichert das Bakterium in Form eines biologisch abbaubaren Kunststoffs namens Polyhydroxybutyrat (PHB) in seinen Zellen.
«Cupriavidus necator besitzt also zwei grossartige Fähigkeiten», sagt Meryem Bahceli, Doktorandin in Lars Lauterbachs Forschungsgruppe. «Zum einen fixiert es CO2 mithilfe von Wasserstoff. Es lässt sich nutzen, um CO2 aus der Atmosphäre in chemische Produkte zu überführen, wenn man grünen Wasserstoff verwendet – also solchen, der unter Verwendung erneuerbarer Energien hergestellt wurde. Zum anderen kann man mit Hilfe von Cupriavidus aus CO2 direkt biologisch abbaubare Kunststoffe herstellen.»
Genau dies ist das langfristige Ziel der Forschungsgruppe von Lars Lauterbach in catalaix. Und zwar mithilfe verschiedenster Ansätze: Ein naheliegender Weg ist es, Cupriavidus necator zu kultivieren und den Biokunststoff PHB und dessen Derivate produzieren zu lassen. In Japan stelle ein Unternehmen auf diese Weise beispielsweise bereits Einweg-Zahnbürsten her, sagt Meryem Bahceli. Allerdings verwenden sie organische Kohlenstoffquellen wie Zucker und Fette, was aus Nachhaltigkeitssicht ungünstiger ist, als wenn man das Bakterium mit dem Treibhausgas CO2 «füttern» würde.
Bakterien voller Biokunststoff
In catalaix arbeiten die Forschenden deshalb auf verschiedenen Ebenen an der Verbesserung der Kultivierungsmethoden des Bakteriums – mithilfe sogenannter Gasfermentationen. So haben die Forschenden beispielsweise kürzlich in einer Publikation (1) eine Methode vorgestellt, mit der sich das Bakterium in der Kultur schrittweise rasch von der zuckerbasierten Ernährung auf die CO2-Fixierung umstellen lässt.
Doktorandin Halima Aliyu Alhafiz beschäftigt sich mit der Frage, wie sich Cupriavidus auf CO2-Basis so kultivieren lässt, dass die Bakterien möglichst viel PHB produzieren. Sie habe eine Ausbeute von ungefähr 42 Gramm Zelltrockengewicht pro Liter Kulturflüssigkeit erreicht, erzählt Halima Aliyu Alhafiz. «Das Polyhydroxybutyrat machte 72 Prozent davon aus. Das bedeutet: Unter guten Bedingungen besteht der Grossteil des Bakteriums aus diesem Biokunststoff.»
Bei der Kultivierung von Knallgasbakterien gilt es stets, die Sicherheit im Auge zu behalten. «Die Arbeit mit kleinen Mengen im Chemielabor birgt zwar kaum Explosionsgefahr, zumal die Experimente stets im Abzug stattfinden», erzählt Halima Aliyu Alhafiz. «Aber sobald sich der Produktionsmassstab vergrössert, müssen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.» In industriellen Anlagen wird daher meist unter Druck gearbeitet, was teuer ist und sicherheitstechnisch hohe Ansprüche stellt.
Sichere Kultivierungssysteme
«Wir versuchen deshalb, keinen Gasraum entstehen zu lassen, indem wir die Gase mithilfe einer Membran leiten», sagt Halima Aliyu Alhafiz. Die Forschungsgruppe hat beispielsweise ein bioelektrochemisches System mit einer sogenannten Protonenaustauschmembran-Zelle entwickelt und kürzlich in einer Publikation vorgestellt (2). Legt man in einem solchen System Strom an, entsteht auf der einen Seite Sauerstoff, auf der anderen Wasserstoff. Der Wasserstoff diffundiert unmittelbar ins Kulturmedium und steht den Bakterien zur Verfügung – man braucht ihn nicht mehr in Form eines unter Druck stehenden Gases zuzuführen.
Gleichzeitig zeigt diese Publikation einen zweiten spannenden Ansatz auf, um Cupriavidus zu nutzen: Mit gentechnischen Methoden lässt sich das Bakterium nämlich so verändern, dass es statt PHB andere Stoffe produziert: In dem Elektrolyse-System verwendeten die Forschenden beispielsweise einen Bakterienstamm, der Isopropanol herstellt – einen begehrten Industriealkohol, der als Lösungsmittel, Desinfektionsmittel oder zur Verarbeitung von Kunststoffen genutzt wird.
«Knallgasbakterien sind kleine chemische Fabriken: Sie können CO2 mithilfe von Wasserstoff direkt in wertvolle Moleküle umwandeln.»
Lars Lauterbach
Mischkultur für Chemikalienvielfalt
Eine breite Palette von Chemikalien produzieren zu können, ist entscheidend für eine nachhaltige Kreislaufchemie. «Eine nachhaltige Zukunft können wir nicht mit bloss einer einzigen biologischen Polymer-Art aufbauen», sagt Meryem Bahceli. Sie selbst verfolgt in ihrer Doktorarbeit diesen Ansatz mit einer anderen Idee: mit Mischkulturen, in denen Biopolymere schrittweise durch die Koppelung verschiedener Mikroorganismen entstehen. Für einen Machbarkeitsnachweis hat sie neben Cupriavidus necator das Bakterium Bacillus subtilis ausgewählt.
Dabei produziert das Knallgasbakterium in einem ersten Schritt aus CO2 und Wasserstoff eine chemische Substanz und gibt diese ins Kulturmedium ab. In Meryem Bahcelis Experimenten handelt es sich dabei um Pyruvat, ein wichtiges Stoffwechselprodukt. Im zweiten Schritt nutzt Bacillus subtilis das Pyruvat, um γ-Polyglutaminsäure zu produzieren – ein Biopolymer, das in der Kosmetik- und in der Nahrungsmittelindustrie oder in der Medizin eingesetzt werden kann.
«Die Herausforderung ist es, diese Mischkultur so zu stabilisieren, dass keiner der beiden Stämme den anderen überwuchert», sagt Meryem Bahceli. Die Grundidee sei es, eine Art modulares System zu entwickeln. Von Bacillus subtilis zum Beispiel lassen sich gentechnisch veränderte Stämme herstellen, die unterschiedliche Biokunststoffe oder Biokomponenten produzieren. «Je nachdem, welchen zweiten Organismus man wählt, erhält man ein anderes Endprodukt», sagt Meryem Bahceli.
Enzyme regenerieren Kofaktor
Ein weiterer Ansatz, den die catalaix-Forschenden verfolgen, ist es, jene Enzyme aus dem Knallgasbakterium zu gewinnen und zu verwenden, mit denen es Wasserstoff verwertet. Diese sogenannten Hydrogenasen lassen sich an andere chemische Prozesse koppeln. In einer Studie (3) nutzte die Forschungsgruppe diesen Ansatz etwa, um aromatische Verbindungen aus Lignin, einem natürlichen Biopolymer und Abfallprodukt der Papierindustrie, aufzuwerten.
Enzyme aus verschiedenen Bakterien ermöglichten die Umwandlung der Lignin-Derivate. Damit diese Enzyme einsatzfähig bleiben, benötigen sie sogenannte Kofaktoren, die während der Reaktion Elektronen übertragen. Kofaktoren sind oft sehr teuer und müssen nach dem Ablauf der Reaktion durch Elektronentransfers ihrerseits regeneriert werden. Genau dafür setzten die Forschenden eine Hydrogenase aus Cupriavidus necator ein: Sie nutzt Wasserstoff, der mittels elektrischen Stroms aus Wasser hergestellt wird, um den Kofaktor nach jedem Zyklus wieder in seine energiereiche Form zu bringen, welche die Lignin-Umwandlungs-Enzyme aktiviert.
Knallgasbakterien sind unscheinbar und den meisten Menschen völlig unbekannt. Doch die winzigen Lebewesen verfügen nicht nur über faszinierende Strategien, um selbst zu überleben. Sie besitzen Fähigkeiten, die für die Zukunft des gesamten Planeten wichtig werden könnten. Fähigkeiten, welche die Gruppe von Lars Lauterbach in ihrer gesamten Breite untersucht, um die chemische Industrie nachhaltiger zu machen.
