Ob in Verpackungen, Textilien, als Klebstoff oder in Fahrzeugteilen – Plastik ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Leider –, denn zur Herstellung von synthetischem Kunststoff werden fossile Ressourcen verbraucht. Außerdem sind diese Produkte nicht biologisch abbaubar und belasten damit die Umwelt, da sie sich zu einem Großteil in der Natur oder auf Deponien anlagern, statt sich zu zersetzen.¹⁾ So wird die Umweltverschmutzung zunehmend zum Problem: Bereits in allen großen Meeresbecken ist Plastikmüll allgegenwärtig; ebenso an vielen Stellen im Süßwasser und in den Lebensräumen an Land.

An nachhaltigeren Alternativen wird deshalb seit Jahren unter Hochdruck gearbeitet. Technologien gibt es zwar, um Bioplastik aus unterschiedlichen natürlichen Quellen wie Stärke, Cellulose oder Milchsäure herstellen zu können – auch schon im industriellen Maßstab. Dennoch machen diese bislang nur einen sehr kleinen Teil des insgesamt produzierten Kunststoffs aus: 2021 lediglich rund 6 Prozent.²⁾ Und: obwohl wesentlich umweltfreundlicher als das petrochemische Pendant, so ist doch auch Bioplastik nicht immer zu 100 Prozent biologisch abbaubar. Der derzeit am häufigsten eingesetzte Biokunststoff PLA (Polylaktat) ist in Salzwasser beispielsweise fast gar nicht zersetzbar. Die bislang existierenden Lösungen sind also noch lange nicht zufriedenstellend.

Eine zukunftsträchtige Möglichkeit aus natürlichen Rohstoffen und auch noch wesentlich besser abbaubar sind Polyhydroxyalkanoate (PHAs). Ihre häufigste Variante, das Polyhydroxybutyrat (PHB), entsteht im natürlichen Stoffwechsel verschiedener Mikroorganismen – praktisch „von alleine“. PHB hat ähnliche Materialeigenschaften wie Polypropylen, einem häufig verwendeten konventionellen Kunststoff, und ist bei Wärme formbar. Die Herstellung mit heterotrophen Bakterien ist deshalb tatsächlich eine schon gut etablierte Methode, auch in größeren Anlagen. Allerdings brauchen die lebenden Plastikproduzenten Energie und müssen mit Nahrung in Form von Zucker gefüttert werden –, was Ressourcen bindet, die eigentlich für die menschliche Ernährung benötigt werden.

Unabhängig von der Nutzung von Ackerland sind dagegen phototrophe Organismen, die lediglich Licht als Energiequelle brauchen und so PHB völlig kohlenstoffneutral synthetisieren: Solche Lebewesen sind Cyanobakterien. „Diese ökologisch relevanten Mikroorganismen kann man biotechnologisch gut manipulieren, um in ihren Stoffwechsel einzugreifen“, erklärt Prof. Dr. Karl Forchhammer, der den Lehrstuhl für Mikrobiologie / Organismische Interaktionen an der Universität Tübingen leitet und sich schon seit drei Jahrzehnten mit Cyanobakterien beschäftigt. „Und, dass sie natürliche Produzenten von PHB sind, wissen wir schon lange. Wir haben uns aber zunächst einmal hauptsächlich damit beschäftigt, warum sie dies überhaupt tun. Nachdem wir das verstanden haben, ging unser Forschungsaspekt in den letzten zwei Jahren in Richtung Anwendung.“

Die Forschenden gehen davon aus, dass Cyanobakterien das fettartige PHB als eine Art Speicherstoff verwenden. Allerdings in Mengen von lediglich etwa 15 Prozent pro Zelltrockengewicht (CDW) – zu gering, um überhaupt annähernd wirtschaftlich zu sein. So machte man sich in Tübingen daran, die Syntheseraten zu steigern.

Mit Erfolg: Forchhammer hat gemeinsam mit seinem ehemaligen Doktoranden Dr. Moritz Koch einen neuen Stamm geschaffen, der bis zu 81 Prozent pro CDW enthält.³⁾ Das produzierte Polymer besteht aus reinem PHB, das hoch isotaktisch ist. Die Seitengruppen dieses Makromoleküls sind also regelmäßig angeordnet, was Voraussetzung für wichtige Eigenschaften eines Kunststoffes ist. „Das hätte ich niemals für möglich gehalten“, sagt er. „Diese Mengen sind die höchsten, die jemals bei einem bekannten Cyanobakterium erzielt wurden und die beste Basis, um ein nachhaltiges Produkt auf nachhaltige Weise herstellen zu können.“ Und das nicht nur, was die Ausgangsstoffe angeht: Das in Cyanobakterien produzierte Plastik ist innerhalb von sechs Monaten komplett wieder abgebaut. „Alles, was die Natur erschaffen hat, kann sie auch wieder abbauen, das ist ein Riesenvorteil“, fügt der Experte hinzu.

Der erste Schritt zur Produktion des nachhaltigen Bioplastiks ist die Photosynthese, die die grünen Bakterien zur Synthese von Zellbausteinen aus CO₂, Sonnenlicht und Wasser prinzipiell genauso wie die Pflanzen betreiben. Wird das Wachstum aus irgendeinem Grund eingeschränkt, so schalten die Bakterien auf den Überlebensmodus um: anstatt notwendige Zellbausteine herzustellen, produzieren sie nun Glykogen, das anschließend zu einem kleinen Teil in PHB umgewandelt wird.

In diesem Zusammenhang steht eine entscheidende Entdeckung, die die Tübinger Biologen machten: Sie fanden die Schaltstelle, die die Verteilung des fixierten Kohlenstoffs in der Zelle steuert. Sobald man diesen Schalter entfernt und die Zellen zudem unter Stickstoffmangel setzt, entsteht aus dem fixierten Kohlenstoff kein Glykogen mehr, sondern PHB. Dieses lässt sich anschließend leicht mithilfe von Lösungsmitteln aus den Zellen extrahieren und als Rohstoff für praktische Anwendungen einsetzen.

Damit aber des Guten noch nicht genug: Da bei der Photosynthese CO₂ in nicht unbeträchtlichen Mengen verbraucht wird, ist die Bioplastikproduktion nicht nur ressourcenschonend, sondern kann auch noch aktiv zur Reduktion des Treibhausgases beitragen. Eine konkrete Verwendung des Verfahrens als CO₂-Falle in Kombination mit Anlagen, die das Gas produzieren, soll getestet werden. „Dieser Zusatznutzen macht das Verfahren überhaupt erst rentabel“, so Forchhammer. Für ihr nachhaltiges Bioplastik wurden die Forschenden Ende 2021 mit dem 2. Platz beim Science2Start Ideenwettbewerb ausgezeichnet.

Nun steht der Transfer aus dem Labor in den großtechnischen Maßstab an. „Dieser Übergang verlangt nochmals viel neue Technologie“, erklärt Forchhammer, der diesen selbstverständlich weiterhin biowissenschaftlich begleitet. „Aber ich bin kein Anlagenbauer. Damit hatten wir eigentlich auch noch gar nicht gerechnet. Das Interesse nach dem Wettbewerb war jedoch so groß, dass wir bereits Kollaborationen geschlossen haben, um diese Entwicklungen in einem interdisziplinären Team konkret starten zu können.“

In einem ersten Upscaling soll die Kultivierung der lebenden Minifabriken in 500 Liter-Bassins getestet, dann die Produktivität modular gesteigert werden, eventuell auch in Flachbettreaktoren. Dabei sind eine Menge Parameter zu beachten, etwa die richtige Lichtdosierung oder die Wasserqualität. Gerade das eingesetzte Wasser birgt auch noch viel Potenzial für noch mehr Nachhaltigkeit: „Eventuell könnte man Abwasser oder auch sogar Salzwasser verwenden, das wären wahnsinnig günstige Quellen“, meint der Biologe.

Und auch an der Verwendung der restlichen Biomasse, die nach der PHB-Extraktion übrigbleibt, soll noch gearbeitet werden. Zum Beispiel wäre es denkbar, Pigmente daraus zu gewinnen. Ebenso wäre es natürlich theoretisch möglich, die Cyanobakterien zur Herstellung noch ganz anderer Rohstoffe zu nutzen. „An solchen Green-Cell-Factories wird weltweit intensiv gearbeitet – von Biokraftstoff bis hin zu Ethylen für die chemische Industrie -, da sind wir nicht die Einzigen“, so Forchhammer. „Aber beim Bioplastik sind wir auf jeden Fall ganz vorne dabei: Das endgültige Rennpferd haben wir noch nicht, aber einen gut funktionierenden Prototyp bestimmt.“