Fabian Kolodzy, Funktionale und interaktive Polymere, RWTH Aachen
Anna Wendel, INRES - Molekularbiologie der Rhizosphäre, Universität Bonn
Laufzeit: 15.03.-14.09.2024
Kontrollierte Freisetzung von Düngemitteln und Pestiziden wird in der Landwirtschaft verwendet, um einerseits den Ernteertrag zu erhöhen und andererseits die Umweltbelastung durch Agrochemikalien zu minimieren. Mikrogele sind quellbare Polymernetzwerke, deren stimuli-responsives Quellverhaltens z.B. gegenüber pH- oder Temperaturänderungen für kontrollierte Freisetzung geeignet ist. Die erfolgreiche Anwendung mikrogelbasierter Pflanzenschutzformulierungen konnte bereits in Labor- und Feldversuchen bestätigt werden. Gleichzeitig stellt der Einsatz von Mikrogelen jedoch ein Risiko für den Erhalt der Bodengesundheit dar, da deren Biodegradabilität bisher nur unzureichend untersucht wurde. Das Ziel dieses Mini-Projektes bestand daher in der Untersuchung der mikrobiellen Degradation von Chitosan- und Pektin-basierten Mikrogelen, wobei insbesondere chemische und ionische Vernetzungsmechanismen verglichen wurden.
Im Rahmen dieses Mini-Projektes ist es gelungen, zwei Chitosan- und zwei Pektin-basierte Mikrogele in größerem Maßstab herzustellen. Die Synthese der ionisch vernetzten Mikrogele ist ohne den Einsatz organischer Lösungsmittel möglich und somit nachhaltiger als die Emulsions-basierte Synthese chemisch vernetzter Mikrogele. Im Anschluss wurde die Biodegradation der Mikrogele in Lösung durch Enzyme und im Boden durch Mikroorganismen nachgewiesen, wobei die ionisch vernetzten Mikrogele schneller degradieren als die chemisch vernetzten Mikrogele. Darüber hinaus wurden signifikante Unterschiede im Degradationsverhalten zwischen chemisch vernetzten Chitosan- und Pektin-Mikrogelen beobachtet. Diese Unterschiede korrelieren mit dem Quellverhalten der Mikrogele und deuten darauf hin, dass der Quellungsgrad eine entscheidende Rolle bei ihrer Biodegradation spielt, was genauer untersucht werden sollte.
Unsere gewonnenen Erkenntnisse belegen die biologische Abbaubarkeit von Chitosan- und Pektin-basierten Mikrogelen. Da es sich bei Chitosan und Pektin um biobasierte Polysaccharide handelt, sind Pflanzenschutzformulierungen auf Basis dieser Mikrogele für die Etablierung einer zirkulären Bioökonomie gut geeignet, bei der sowohl die regulatorischen Ziele zur globalen Ernährungssicherheit als auch zur Wahrung der Umweltsicherheit miteinander in Einklang gebracht werden können. Die Projektergebnisse werden somit in Zukunft dazu beitragen, die Akzeptanz dieser Technologie durch regulatorische Institutionen sowie Anwender und Verbraucher zu erhöhen.
Tobias Pfennig, Computational Life Science, RWTH Aachen
Andreas Nakielski, Yasemin Baran, Synthetische Mikrobiologie, HHU Düsseldorf
Laufzeit: 01.01.-30.06.2024
Ziel des Projekts CyPrACoL war es, die beste Option für die Beleuchtung und das Wachstum von Cyanobakterien zu ermitteln. Cyanobakterien wachsen mit Hilfe von Licht und Kohlendioxid aus der Luft, was sie für die Biotechnologie sehr interessant macht. Mit ihnen können verschiedene Produkte, von Lebensmitteln bis hin zu hochwertigen Chemikalien, hergestellt werden. Es gibt viele verfügbare Lichtquellen für das Wachstum der Cyanobakterien. Für eine bioökonimisch sinnvolle Wahl einer Lichtquelle sind wichtig 1) die Energieeffizienz des Lichts und 2) wie gut die Cyanobakterien mit dem Licht wachsen können. Cyanobakterien absorbieren einige Farben des Lichts besser als andere. Dies hat einen erheblichen Einfluss darauf, wie gut ihre Photosynthese funktioniert. Das ist wichtig da verschiedene Lichtquellen unterschiedliche Mengen der einzelnen Lichtfarben erzeugen, was sie für die Versorgung der Cyanobakterien besser oder schlechter machen kann.
Um diese Hypothese zu testen, züchteten wir zunächst Cyanobakterien entweder mit LED- oder mit Leuchtstoffröhrenlicht mit einer gleicher Intensität. Der Stromverbrauch der LEDs war 80 Mal niedriger, da alte und überdimensionierte Leuchtstoffröhren verwendet wurden. Es gab jedoch nur einen geringfügigen Unterschied im Wachstum, der nicht eindeutig auf einen Effekt der unterschiedlichen Beleuchtung zurückgeführt werden konnte. Daher simulierten wir das Wachstum auch rechnerisch mit einem mathematischen Modell, um unsere Analyse zu unterstützen. In der Simulation ließ das LED-Licht die Cyanobakterien 14 % schneller wachsen.
Zusätzlich simulierten wir das Wachstum der Cyanobakterien unter vielen verschiedenen, im Internet veröffentlichten Beleuchtungen undbewerteten sie nach ihrem angegebenen Stromverbrauch. Wir stellten fest, dass einige, aber nicht alle LED-Leuchten insgesamt weniger Strom für das Wachstum der Cyanobakterien verbrauchen könnten. In einer zweiten Simulation optimierten wir die Mengen an blauem und rotem Licht, die zu bestem Wachstum der Cyanobakterien führen sollten. Wir fanden heraus, dass die Verwendung von reinem rotem Licht am energieeffizientesten ist. Die Zugabe von blauem Licht könnte das Wachstum verbessern, jedoch mit verringerter Energieeffizienz. Daher könnte LED-Beleuchtung eine gute Option sein, um die Biotechnologie mit Cyanobakterien umweltfreundlicher und kostengünstiger zu machen als mit herkömmlichen Leuchtstoffröhren, wenn man sich die Zeit nimmt und nach den richtigen Lampen für den Zweck sucht.
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