Klein, aber mächtig: Können Mikroben den Planeten retten?

Mikroben sind mit blossem Auge nicht zu erkennen – und die ältesten und vielfältigsten Lebensformen auf der Erde. Bakterien, Viren, Pilze und Algen haben sich über Milliarden von Jahren entwickelt und dabei eine Reihe von Eigenschaften und Funktionen ausgebildet, die für den Lebenszyklus entscheidend sind. Mit Durchbrüchen wie dem Pockenimpfstoff und Penicillin haben sie dazu beigetragen, die Medizin zu revolutionieren und unzählige Leben zu retten.

In den letzten Jahren haben die Fortschritte in der Mikrobiologie die Anwendungsmöglichkeiten von Mikroben noch erweitert, z. B. zur Verbesserung der Ernteerträge, zur Bekämpfung des Klimawandels und zum Recycling. 

Mikroben spielen eine wichtige Rolle in globalen biologischen Kreisläufen, insbesondere bei der Zirkulation und Verbreitung von CO2 und anderen Treibhausgasen. Einerseits können sie eine Emissionsquelle sein. Bei der Zersetzung bauen Bakterien organische Substanzen durch die Atmung ab und setzen CO2 als Nebenprodukt frei. Algen wachsen in verunreinigten Gewässern sehr schnell und schaffen „Totzonen“, weil sie den Sauerstoffgehalt verringern und die Umgebung für andere Organismen unwirtlich machen.

Aber gleichzeitig können mikrobielle Organismen Gase, die den Planeten erwärmen, binden. Mikroben im Boden binden CO2, das bei der Zersetzung organischer Stoffe freigesetzt wird. Somit enthält der Boden (auf die ganze Welt bezogen) zwei- bis dreimal mehr CO2 als die Atmosphäre. Dieser Prozess ist durch die industrielle Landwirtschaft bedroht. Landwirtschaftliche Tätigkeiten wie Pflügen und Fräsen stören die Bindung von CO2, sodass dieses wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Da sich die Landwirtschaft im vergangenen Jahrhundert intensiviert hat, bindet der Boden 30-60% weniger CO2. Mikroben können dazu beitragen, diese Entwicklung umzukehren.

Wissenschaftler von Loam Bio, einem Unternehmen für mikrobielle Biotechnologie, haben eine bestimmte Klasse von Pilzmikroben identifiziert, die das Potenzial haben, die CO2-Speichereigenschaften des Bodens zu verbessern. Pilze bilden ausgedehnte unterirdische Wurzelgeflechte (Myzel), und das schon seit über 400 Millionen Jahren. Dadurch sind sie in der Lage, über das Wurzelgeflecht in grossen Teilen des Bodens zu interagieren. „Wir haben Pilze aufgrund ihrer symbiotischen Beziehungen zu Pflanzen, ihrer Fähigkeit, die Bodenstruktur zu verbessern, und ihrer Widerstandsfähigkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen ausgewählt“, sagt Dr. Robbie Oppenheimer, Chief Product Officer bei Loam Bio. 

Loam Bio nutzt diese Pilzmikroorganismen zur Entwicklung seiner Saatgutbehandlungsprodukte, die den Pflanzen helfen sollen, CO2 zu binden. Sobald sie in den Boden eingebracht werden, gehen sie symbiotische Beziehungen mit den Pflanzenwurzeln ein und verbessern so die CO2-Speicherung, die Nährstoffbindung und die Produktivität des Betriebs.„Wir führen umfangreiche Tests durch, einschliesslich strenger Labor- und Feldversuche, um sicherzustellen, dass unser Produkt die agronomischen Ergebnisse für die Landwirte verbessert“, sagt Dr. Oppenheimer.

„Durch unsere Forschung haben wir neue Erkenntnisse über das Potenzial von Bodenmikroben, die Bodengesundheit zu verbessern und als bedeutende Senke für stabilen Bodenkohlenstoff zu dienen, gewonnen. Dies deutet darauf hin, dass mikrobielle Lösungen andere Klimaschutzstrategien ergänzen können.

Bekämpfung der Plastikverschmutzung

Tatsächlich bieten Mikroben eine Reihe weiterer Vorteile für die Umwelt. Sie können die Fruchtbarkeit des Bodens verbessern, den Bedarf an synthetischen Düngemitteln, Fungiziden und Insektiziden verringern und die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Umweltstressfaktoren erhöhen. Bestimmte Mikrobenarten können zur Bioremediation beitragen, d. h. zur Beseitigung von Schadstoffen, Toxinen und anderen Verunreinigungen aus Boden und Wasser. Mikroben spielen auch eine wichtige Rolle bei der Verwertung von Lebensmittelabfällen durch Kompostierung: Bakterien zersetzen Lebensmittel und biologisch abbaubare Abfälle in nährstoffreichen Boden, wodurch gleichzeitig Abfall reduziert und etwas Nützliches produziert wird. Wissenschaftler wollen dieses Prinzip auf einen der häufigsten Schadstoffe anwenden – Plastik.

Plastik ist eine Plage für die Umwelt, weil es nicht biologisch abbaubar ist. Durch Sonnenlicht, Oxidation oder Reibung zerfällt es in immer kleinere Stücke. Aber dieses Mikroplastik, aus dem schliesslich Nanoplastik wird, verbleibt in der Umwelt, verunreinigt Wasser und Boden und schadet Tieren. Wissenschaftler entwickeln neue mikrobiologische Verfahren, um dieses Problem zu lösen.

Kunststoffe bestehen aus Polymeren, langen Ketten sich wiederholender molekularer Einheiten, die Monomere genannt werden. Dr. Joanna Sadler und ihre Kollegen von der Universität Edinburgh erkannten, dass diese Polymere, sobald sie abgebaut sind, mit Hilfe von gentechnisch veränderten Bakterien in höherwertige Produkte umgewandelt werden könnten.

„Unser Ziel ist es, sowohl die Kunststoffindustrie zukunftssicher zu machen als auch die schwierigeren Aspekte des heutigen Plastikabfalls anzugehen“, sagt Dr. Sadler. Ihr innovativer Ansatz besteht darin, das CO2 aus dem Kunststoff in die Stoffwechselprozesse einer Zelle einzubinden. Indem sie das Genom der Zelle manipulieren, können sie dieses CO2 so umleiten, dass ganz andere Stoffe gebildet werden. Es ist ihnen bereits gelungen, PET-Kunststoffmoleküle in Vanillin umzuwandeln, das Molekül, das für den Duft und das Aroma der Vanille verantwortlich ist und in der Parfümherstellung verwendet wird.

„Dieser Ansatz ermöglicht es uns, Kunststoff als potenziellen Rohstoff für die grüne Wirtschaft zu betrachten, was einen Paradigmenwechsel in der Einstellung zu Plastikabfällen darstellt“, sagt Dr. Sadler. „Wir haben bereits bewiesen, dass es zur Herstellung von Vanillin verwendet werden kann, und Forschungsergebnisse aus der ganzen Welt belegen, dass Kunststoff in eine Reihe interessanter und kommerziell relevanter Produkte umgewandelt werden kann. Das ist ein Synergievorteil.

“Weitere Verwendungsmöglichkeiten für Bakterien können durch gentechnische Verfahren erschlossen werden, die von kleinen bis hin zu umfangreichen Anpassungen reichen können. Dr. Sadler weist darauf hin, dass schrittweise Änderungen oft bessere Ergebnisse bringen. „Es kommt darauf an, was man von den Bakterien will. Wenn die Bearbeitungen nur ein paar Schritte vom Ausgangsmaterial entfernt sind, ist es in der Regel einfach“, sagt sie. „Wenn man aber grosse synthetische Gencluster einführt, kann dies die Lebensfähigkeit und Wachstumsrate der Bakterien beeinträchtigen.“ 

Diese Fortschritte in der Biotechnologie zeigen nicht nur die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit des mikrobiellen Lebens, sondern unterstreichen auch das Potenzial für von der Natur inspirierte Lösungen zur Bewältigung der akuten Herausforderung der Umweltzerstörung.