Fermenting for Future

In diesem Beitrag möchten wir der Frage nachgehen, wie wir Mikroorganismen in Zukunft noch besser nutzen können als wir das bereits tun. Und zwar nicht nur bei einer Wiederentdeckung traditioneller Fermentierung und neuer Trends wie Mikroalgenzucht zu Hause, sondern auch bei den wirklich großen, globalen Herausforderungen, denen wir uns als Gesellschaft in den nächsten Jahrzehnten stellen müssen. Wie können Mikroorganismen uns zum Beispiel helfen, den Klimawandel in den Griff zu bekommen? Wie können wir sie dazu nutzen, Rohstoffe und Abfälle mit wenig Energieaufwand in Kreisläufen zu führen? Und können wir sie noch besser in unser Ernährungssystem integrieren? Wir möchten damit einen kleinen Überblick geben, was die prinzipiellen Möglichkeiten sind, an was gerade so geforscht und was sogar bereits in Pilotanlagen getestet wird. Vor allem möchten wir jedoch wie immer zur lebhaften und kritischen Diskussion über diese Dinge anregen.

Kurz vorweg: Warum Mikroorganismen?

Im Teaser zum Thema Mikroorganismen haben wir ja schon einmal zusammengefasst, wo unsere Begeisterung für die Welt unter dem Mikroskop herkommt. Hier ergänzen wir kurz die praktischen Vorteile von Mikroorganismen und erklären, warum sie zur Lösung ganz konkreter Probleme so gut geeignet sind. (Wenn ihr darüber schon Bescheid wisst oder ihr vor hattet, hier nur kurz mal drüber zu lesen, könnt ihr auch direkt zum nächsten Teil scrollen.)

Nicht ohne Grund zieren drei mikroskopische Maskottchen das diesjährige Wissenschaftsjahr Bioökonomie (das bis Ende 2021 verlängert wird, yay!). Denn auch wenn Tiere und Pflanzen selbstverständlich wichtig für eine nachhaltige Wirtschaft sind, steckt das meiste unentdeckte und unausgeschöpfte biologische Potenzial wohl in der Welt unter dem Mikroskop. Nicht nur sind die meisten Arten von Mikroorganismen noch gar nicht bekannt, geschweige denn richtig erforscht. Durch ihre einzellige Form, „einfache“ Genetik und schnelle Vermehrung sind sie zudem grandios für eine schnelle Züchtung in eine gewollte Richtung geeignet. Treffen die heutigen Methoden der Wissenschaft und Technologie auf die große natürliche Vielfalt von Mikroorganismen, potenzieren sich die Möglichkeiten. Biodiversität, auch die von Mikroorganismen, ist eben eine der wichtigsten Ressourcen auf unserem Weg in eine nachhaltige Wirtschaft.

Mikroorganismen sind einzelne Zellen und nicht, wie Pflanzen und Tiere, ein Sammelsurium verschiedenster, miteinander interagierender Zelltypen. Diese geringere Komplexität bringt gleich eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich. Denn seien wir mal ehrlich, wenn man einen ganz bestimmten Job erledigt haben möchte und nur diesen, an wen wendet man sich da? Richtig, an Spezialistinnen und Solotalente und nicht an einen Haufen wild durcheinander schnatternder Zellen – viele Köche verderben den Brei (sorry Mehrzeller!). Will man z.B. einen ganz bestimmten Stoff  herstellen und tut das mit einer Pflanze…herrje was wird da nicht sonst noch alles produziert. Bis es überhaupt produziert wird! Aus den Keimzellen müssen sich erst einmal Zellhaufen bilden, die sich zu Blättern, Wurzeln, Blüten und dann endlich zu Samen entwickeln. Diese ganze Investition von Zeit und Ressourcen in für das Ziel unnötige Komplexität spart man sich bei Mikroorganismen, denn alle Zellen sind prinzipiell gleich und tun von Anfang an das gleiche¹. Einfache Handhabe im Labor, kurze Generationszeiten, weniger komplexe Stoffwechselwege sowie häufig weniger genetische Informationen bieten ein mannigfaltiges Repertoire an Technologien zur maßgeschneiderten Nutzung von Mikroorganismen.

Wie Mikroorganismen uns beim Klimawandel helfen können

Die Klimakrise ist eines der drängendsten Probleme unserer Zeit für dessen Bewältigung es einen gewaltigen gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Aufwand bedarf. Deshalb kann man überhaupt nicht genug auf dieses Problem aufmerksam machen. Und es ist gut, dass es einen Wettbewerb der Ideen zu möglichen Lösungsansätzen gibt. Wenig beachtet und dabei besonders spannend sind Lösungen, die sich durch die intelligente Kombination von biologischem Wissen mit dem, was wir in der Natur vorfinden, eröffnen. Deshalb wollen wir uns einmal näher ansehen, was Mikroorganismen hier leisten können.

Photosynthese – wer hat´s erfunden?!

Bei Klimawandel und dem Binden des Klimagases CO₂ denken die meisten wohl zuallererst an Pflanzen. Aber erfunden haben die Umwandlung von CO₂ aus der Luft mittels Photosynthese die Mikroorganismen. Genauer gesagt Cyanobakterien.² Deren Vorfahren wurden von den Vorgängern der heutigen Pflanzen (damals ebenfalls noch Einzeller) im vielleicht weitreichendsten Ereignis der Evolution kurzerhand verschluckt und wurden dann zu den heutigen Chloroplasten, mit denen Pflanzen Photosynthese betreiben. Nachfahren dieser Cyanobakterien existieren auch heute noch außerhalb von Pflanzen, neben einer weiteren Gruppe von einzelligen Photosyntheseprofis: den Algen. Cyanobakterien und einzellige Algen vereinen die Vorteile von Mikroorganismen (s.o.) und Pflanzen (Photosynthese!) – was liegt also näher, als sie sich bei Maßnahmen gegen den Klimawandel zunutze zu machen?

Landwirtschaft ohne Acker

Einer der größten Vorteile von einzelligen Algen und Cyanobakterien gegenüber Pflanzen: Sie brauchen keinen Ackerboden, um zu wachsen. Fruchtbarer Boden ist unglaublich wertvoll, wird weltweit leider immer knapper und wir wollen darauf ja nicht überall Landwirtschaft betreiben, sondern auch noch möglichst viel davon der Natur überlassen. Einzeller kann man in Tanks, Röhren oder planar zwischen zwei Scheiben wachsen lassen³. In diesen „Bioreaktoren“ werden die Mikroorganismen in einem geschlossenen System mit allem versorgt, was sie zum Wachsen brauchen. Geht es nur um Biomasse, können auch offene Becken ausreichen (dann kann man sich nicht sicher sein, dass nur eine einzige Algenart darin wächst, aber das ist für viele Anwendungen nicht wichtig). Führt euch vor Augen, was das bedeutet: Algenreaktoren könnten  theoretisch überall aufgestellt oder aufgehängt werden. An Häuserwänden, auf Firmendächern, in gut belichteten Räumen, auf urbanen Brachflächen, in Wüsten oder sogar auf Raumschiffen und dem Mars.

Auf dem Stand des Wissenschaftsjahrs Bioökonomie auf der Internationalen Grünen Woche wurde u.a. ein Algenreaktor im Kleinformat vorgestellt:

Ist auch einfach entspannend, so einer Algenanlage zuzugucken. Wer also bei all dem Trubel auf der @gruenewoche mal kurz abschalten will, kommt zum Stand des @w_jahr #Bioökonomie Halle 27 Stand 206. Und natürlich erzähle ich auch gerne etwas dazu 😏#DasIstBioökonomie pic.twitter.com/wLQiAycv79

— Martin Reich und 🐢 (@MartinReich5) January 17, 2020

Noch ist vieles davon natürlich noch Zukunftsmusik, aber erste Algenfarmen existieren bereits, auch in Deutschland⁴. In den USA wird inzwischen sogar künstliche Intelligenz (was sonst) genutzt, um Bioreaktoren für Algen zu optimieren⁵. Diese Algenreaktoren sollen mit den Klimaanlagen großer Wolkenkratzer gekoppelt werden, wo sie das ausgestoßene CO₂ direkt abzapfen, bevor es in die Atmosphäre gelangt. Dabei produziert der Reaktor Algenpellets, die wiederum als Ausgangsmaterial z.B. für Materialien genutzt werden können (es gibt z.B. Schuhe aus mit Algen hergestelltem Kunststoff⁶, ⁷. Auch in Europa wird eifrig an Algen geforscht und getüftelt (einiges davon hat Martin in einem früheren Beitrag vorgestellt).

CO₂ binden, ganz ohne Photosynthese

Ein Nachteil der Photosynthese ist, dass sie Licht benötigt. Nur dann wird auch CO₂ fixiert (daher auch der Name, photo = Licht).  Diese Abhängigkeit vom Licht bringt Nachteile mit sich. Die Intensität von natürlicher Beleuchtung (Sonne) schwankt mit dem Breitengrad, im Tagesverlauf, abhängig vom Wetter und über Jahreszeiten hinweg. An vielen Orten herrscht sogar gar keine Belichtung, zum Beispiel im Inneren von Industrieanlagen, in denen jedoch große Teile der Abgase entstehen, die gebunden werden sollen. Zusätzlich herrschen dort, wo Klimagase enstehen, oft sehr unwirtliche Bedingungen, die photosynthetisierende Mikroorganismen nicht abhaben können.  Für solche besonders schwierigen Jobs müssen also wiederum andere Spezialisten ran: Bakterien und die weniger bekannten Archaeen. Unter diesen erforscht und nutzt man in der Biotechnologie besonders gerne die Gruppe der „Extremophilen“ (cooler Bandname by the way). Denn diese machen verrückte Dinge, wie z.B. in völliger Dunkelheit ihre Energie aus chemischen Verbindungen zu beziehen, die für die meisten anderen Lebewesen sehr ungesund sind. Oder in kochendem Wasser, bei sehr niedrigen Temperaturen, ohne Sauerstoff oder in einer extrem sauren Umgebung zu überleben⁸. Also sucht man an Orten wie schwefeligen Quellen am finsteren Meeresgrund oder (wait for it) in Hasenkötteln! Manchmal hat man das Gefühl, es gäbe in der Natur wirklich nichts, das es nicht gibt. Genau deshalb haben wir oben ja geschrieben: Die Biodiversität ist eine unserer wichtigsten Ressourcen überhaupt! Allein schon durch die immer effizientere Suche nach neuen Mikroorganismen finden sich oft Lösungen für bestehende Probleme. Man muss das Gefundene dann nur noch für die Anwendung optimieren⁹.

Abgase als Rohstoff – Mit Mikroorganismen Kreisläufe schließen

Zurück zu den Hasenkötteln: Auf Mikroorganismen-Sicht sind diese nun nicht unbedingt ein Extremstandort, aber für Photosynthese ist er sicherlich nicht geeignet. Einige der Bakterienarten, die man darin gefunden hat (okay, die leben vor allem auch im Darm der Kaninchen, aber das mit den Kötteln war doch lustig), können jedoch Abgase zu Ethanol fermentieren. Die Firma LanzaTech aus Großbritannien hat sich dies zunutze gemacht und eine Methode entwickelt, um die Abgase aus einer Fabrik zu reduzieren und gleichzeitig etwas Nützliches zu produzieren¹⁰. Die Bakterien befinden sich in einem an die Fabrik angeschlossenen Fermenter (so nennt man das Gefäß, in dem Mikroorganismen etwas „fermentieren“, also ihren Job erledigen) und verarbeiten das bei der Produktion entstehende Kohlenmonoxid, dass normalerweise als CO₂ in die Atmosphäre entlassen wird, zu Ethanol. Dieser kann dann als Biokraftstoff genutzt werden, zum Beispiel für Flugzeuge. Auch am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) ¹¹ wird an solchen Verfahren geforscht. Aber nicht nur Biokraftstoff, sondern auch Materialien wie Bioplastik sind ein mögliches Produkt, das Mikroorganismen aus Abgasen herstellen können ¹². Stellt euch vor, wir könnten auf diese Weise unsere Abgase immer wieder in Rohstoffe zurückverwandeln und eine auf Kreisläufen basierende Wirtschaft erschaffen!

Warum nicht gleich klimafreundlicher produzieren?

Mikroorganismen können aber noch mehr tun, um uns beim Überwinden der Klimakrise zu helfen. Denn biologische Prozesse haben eine wunderbare Eigenschaft: Sie verarbeiten Stoffe meist bei Zimmertemperatur und normalem Atmosphärendruck¹³. Dies hat die Natur mit der Erfindung spezialisierter Proteine geschafft, den Enzymen. Gelingt es also, mit Mikroorganismen bzw. deren Enzymen, einen bestimmten Stoff herzustellen, geschieht dies mit viel weniger Energieaufwand als bei einem vergleichbaren petrochemischen Prozess¹⁴. Hier liegt ein großes Potenzial, Klimagase gar nicht erst entstehen zu lassen. Nehmen wir die Produktion von Stickstoffdünger aus Luftstickstoff: Seit Jahrmillionen existieren Bakterien, die dies mithilfe entsprechender Enzyme bewerkstelligen. Anfang des 20. Jahrhunderts haben Menschen das Haber-Bosch-Verfahren entwickelt, das prinzipiell dasselbe bewerkstelligt. Der dank dieses Verfahrens in großen Mengen hergestellte Stickstoffdünger hat die Landwirtschaft revolutioniert und es erst ermöglicht, dass ausreichend Nahrung für sieben Milliarden Menschen und mehr produziert werden kann. Neben anderen Schattenseiten (was kommt schon ohne einen Preis?) ist ein Problem dieses Verfahrens der hohe Energieeinsatz. Denn der Stickstoff wird unter hohem Druck und bei 400-500 °C gebunden. Da man dafür bisher vor allem fossile Energieträger nutzt, ist mit dem Verfahren ein hoher Ausstoß von CO₂ verbunden. Könnten wir nicht stattdessen Mikroorganismen nutzen, die ganz natürlicherweise und mit viel weniger Energieaufwand Stickstoff fixieren? Wie bei vielen biobasierten Alternativen zu konventionellen Prozessen lautet die Antwort momentan noch: Prinzipiell ja, aber bisher nicht annähernd in den Mengen, die nötig wären. Hier muss also noch viel geforscht, entwickelt und investiert werden¹⁵.

Sogar mit Bakterien erzeugte Elektrizität könnte einmal einen Beitrag zu unserer Energieerzeugung liefern. Im Labor funktioniert das schon¹⁶, wir müssen diese regenerative Energiequelle nur im großen Maßstab nutzbar machen.

Ein weiteres Beispiel für eine Branche, in der Mikroorganismen helfen könnten, den CO2-Ausstoß zu senken, ist die Bauindustrie. Mir war lange nicht klar, dass die Herstellung von Zement eine der größten Quellen menschlichen CO₂-Ausstoßes ist ¹⁷. Das liegt daran, dass dabei Kalkstein zu Kalziumoxid „verbrannt“ wird. Aber siehe da: auch diesen chemischen Prozess haben Mikroorganismen schon lange vor uns entwickelt. Das könnte man sich zunutze machen, um in Zukunft klimafreundliche Baumaterialien zu produzieren und neben Holz und anderen biobasierten Materialien für die Gebäude der Zukunft zu nutzen¹⁸.

Fazit: #FermentingforFuture now!

Es geht also zusammengefasst darum, Mikroorganismen und deren Enzyme so zu nutzen und eventuell umzubauen, dass sie uns dabei helfen, Klimagase zu vermeiden, aus der Atmosphäre zu binden und als Rohstoff für biobasierte Produkte zu nutzen. So können wir die traditionelle Methode der Fermentation weiterentwickeln und eine Lösung aus der Natur für unsere Herausforderungen nutzen.¹⁹ Viele Puzzleteile für diese Zukunftsvision existieren bereits: z. B. Bakterien, die CO₂ fixieren können, auf der einen und innovative Materialien aus bakterieller Zellulose auf der anderen Seite²⁰. Oder einzellige Algen, die immer effizienter und ohne Ackerboden in Algenreaktoren heranwachsen, auf der einen und Carbonfasern aus Algen auf der anderen Seite²¹. Oder die Idee, Verpackungs- und Baumaterial aus Pilzmyzel herzustellen ²²,²³, auf der einen und die Verwertung biologischer Abfälle durch Pilze auf der anderen Seite. Und bei allen diesen Ansätzen die weitreichenden Möglichkeiten der synthetischen Biologie, die Eigenschaften von Mikroorganismen zu verändern und perfekt auf unsere Bedürfnisse anzupassen – bald sogar völlig neue zu konstruieren.

Noch sind wir einige große und viele kleine Schritte entfernt von einer klimaneutralen Gesellschaft. Natürlich sollten wir dabei auch die Aktivitäten verringern, die überhaupt erst zu einem Ausstoß von Klimagasen führen. Und es müssen Formen der Energieerzeugung gefunden und ausgebaut werden, die unabhängig vom Kohlenstoffkreislauf funktionieren. Wir müssen uns aber auch klarmachen, dass dies angesichts einer noch weiter wachsenden Weltbevölkerung und eines gleichzeitig steigenden Wohlstandes sehr wahrscheinlich nicht ausreichen wird. Deshalb sind neue Erkenntnisse aus der Forschung an klima-aktivistischen Mikroorganismen und ihre Überführung in praktische Ansätze wichtige Puzzleteile für eine nachhaltige und klimaneutrale Kreislaufwirtschaft, für die wir vor allem auch den Kohlenstoffkreislauf schließen müssen. Wir denken, dass angesichts des Bewusstseins um die drängenden Probleme viel zu wenig über das große Potenzial von Mikroorganismen, Enzymen und synthetischer Biologie gesprochen wird. Hier können wir womöglich eine der wichtigsten Weichen in Richtung Nachhaltigkeit stellen. Fermenting for Future!

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Martin Reich

Martin ist Mitgründer von Progressive Agrarwende und promovierter Biologe. Während seiner Promotion hat er vor allem an der Nährstoffeffizienz von Nutzpflanzen geforscht. Heute ist er in der Life Science Kommunikation und als wissenschaftlicher Referent für Themen wie Bioökonomie, Biotechnologie und Ernährung tätig.

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Christian Kaiser

Biologe und Doktorand an der Uni Düsseldorf. Früher auf der Suche nach neuen Mikroben und ihren chemischen Wundern, nun mit Blick auf smarte Entscheidungen in der Welt der Wurzeln.

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1. Tatsächlich sind Mikroorganismen nur im Vergleich zu Vielzellern relativ unkompliziert. Auch sie sind biochemisch komplex und auch in ihnen laufen alle möglichen Dinge ab, die nicht unbedingt gewollt sind. In einem zukünftigen Beitrag sollten wir uns unbedingt mit sog. zellfreien Systemen beschäftigen, dem nächsten Schritt der Reduktion von Komplexität
2. verwirrenderweise auch immer noch Blaualgen genannt. Das sollten wir eigentlich endlich seinlassen. Verdammt, jetzt haben wir es ja schon wieder getan…
3. Und noch auf zahlreiche weitere Arten, hier findet ihr eine Zusammenstellung verschiedener Reaktortypen: http://www.algaeobserver.com/photobioreaktor-typen-einsatzgebiete
4. Zum Beispiel in Klötze, Mecklenburg-Vorpommern: https://www.youtube.com/watch?v=3iBp6oMiJKY
5. https://www.forbes.com/sites/cognitiveworld/2020/01/23/hypergiant-ai-algae-climate-change/
6. https://futurism.com/kanye-west-yeezy-sneakers-algae
7. https://www.vivobarefoot.de/ultra-bloom-iii-nachhaltig-an-wasser-und-an-land/
8. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00204/full
9. https://biooekonomie.de/das-digitalisierte-biotech-labor
10. https://www.lanzatech.com/
11. https://www.ime.fraunhofer.de/de/wissenschaftsjahr-2020-2021_biooekonomie/abgase_recyceln.html
12. https://biooekonomie.de/forscherprofil/mikrobiellen-abgas-fressern-auf-der-spur
13. Diese Eigenschaft biobasierter Prozesse ist eine der Grundlagen für eine nachhaltige, „grüne“ Chemie. Dazu das Umweltbundesamt: „Besonders eindrucksvoll sind Beispiele wie die Produktion von Vitamin B12, das sich biotechnologisch in einem Arbeitsschritt, mit Hilfe der klassischen chemischen Synthese aber nur aufwändig in vielen Schritten herstellen lässt“ https://www.umweltbundesamt.de/themen /chemikalien/chemikalien-management/nachhaltige-chemie#beispiele-einer-nachhaltigen-chemie
14. https://de.wikipedia.org/wiki/Petrochemie
15. Mehr über biobasierte Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170713154848.htm, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5492413/
16. https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/tu-berlin-erzeugt-strom-durch-bakterien/
17. https://www.tagesspiegel.de/wissen/die-klimaschaedliche-gier-nach-zement-klimakiller-beton/25033772.html
18. https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30391-1)
19. Als Fermentation bezeichnet man ganz allgemein die chemische Umwandlung von Stoffen durch Bakterien und Enzyme.
20. Es gibt z.B. Start-ups, die einen Lederersatz aus bakterieller Zellulose herstellen (http://www.scobytec.com/)
21. https://www.europeanscientist.com/de/umwelt/carbon-aus-algen-ein-baustoff-der-die-umwelt-schuetzt/
22. https://synbiobeta.com/synbiobeta-podcast-the-mycelium-revolution/
23. https://mycterials.eca.ed.ac.uk