06.10.2022 - The Pennsylvania State University

Forscher entwickeln synthetische anaerobe Bakterien zur Abscheidung und Umwandlung von Methan

"Wir wollen die Freisetzung von Methan stoppen und es nutzen, anstatt es zu verbrennen"

Methan ist ein starkes Treibhausgas, das nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde pro Molekül 25-mal schädlicher für die Umwelt ist als Kohlendioxid. Bakterien am Meeresboden können Methan aus ihrer Umgebung entfernen, und zwar ganz ohne Sauerstoff, durch einen Prozess, der anaerobe Methanoxidation (AMO) genannt wird. Forscher der Penn State und der University of Arizona werden einen vierjährigen Zuschuss der National Science Foundation (NSF) in Höhe von 3,2 Millionen Dollar nutzen, um biotechnologische Grundlagen zu entwickeln, die eine synthetische Version dieser Bakterien in einem System zur Erfassung und Umwandlung von Methan an seiner Quelle einsetzen.

Thomas Wood, Professor für Chemieingenieurwesen am Penn State College of Engineering, und Ingmar H. Riedel-Kruse, außerordentlicher Professor für Molekular- und Zellbiologie und Biomedizintechnik an der University of Arizona, haben sich zusammengetan, um skalierbare biologische Reaktoren zu entwickeln, die Methan nutzbar machen, bevor es als schädliches Treibhausgas in die Atmosphäre entweichen kann. Woods Labor hat das Enzym der methanfressenden Mikroben, die am Meeresboden vorkommen, geklont. Das Enzym soll in Bioreaktoren eingesetzt werden, die auf früheren Erfolgen von Riedel-Kruse bei der Entwicklung synthetischer Konsortien aufbauen.

"Diese Bakterien, die Methan einfangen, sind Anaerobier", sagte Wood. "Obwohl sie sehr langsam wachsen - sie verdoppeln sich nur alle 100 Jahre - fangen sie Methangas sehr effizient ein. Wir können sie im Labor nicht selbst züchten, aber wir konnten ihre DNA klonen".

Das Hauptziel dieses Projekts besteht laut Wood darin, die gentechnisch veränderten Bakterien in Reaktoren einzubauen, die praktisch und wirtschaftlich genug sind, um Methan zu einer Ressource und nicht zu einer Verschmutzung zu machen.

"Diese kleinen, abgelegenen Bioreaktoren werden dazu dienen, Methan an seiner Quelle - Fracking-Standorte, Mülldeponien und Kläranlagen - aufzufangen und es sofort in Elektrizität oder wertvolle chemische Bausteine umzuwandeln, die in anderen Verbindungen wie Alkoholen, Kunststoffen und Treibstoffen für unsere Autos verwendet werden können", so Wood. Die anaerobe Natur der Bakterien ist der Schlüssel. Um die Methangärung durch diese Bakterien zu reproduzieren, müssen die Forscher einen anaeroben Bereich schaffen, in dem kein Sauerstoff vorhanden ist. Sie werden einen Biofilm - Schleim - verwenden, um die räumliche Anordnung der Bakterien im Reaktor zu kontrollieren.

"Wir werden räumlich definierte kleine Bälle erzeugen, die hauptsächlich aus Schleim bestehen", so Wood.

Der äußere Bereich des Schleims wird den Sauerstoff entziehen, damit die anaeroben Zellen im Inneren das Methan einfangen und in ein chemisches Zwischenprodukt umwandeln können. Die äußeren, aeroben Zellen wandeln das Zwischenprodukt ebenfalls in das Endprodukt um.

"Die modularen, leicht skalierbaren Bioreaktoren stellen ein praktisches Verfahren dar, das an vielen verschiedenen Orten betrieben werden kann", so Wood. "Es wird weitaus effizienter und kostengünstiger sein als die derzeitigen Verfahren zur Abscheidung und Umwandlung von Methan. Wir wissen noch nicht, wie das Verfahren an einem Fracking-Standort aussehen könnte, aber auf kommunaler Ebene ist es leicht zu erkennen, wohin wir als Nächstes gehen: feste Biofilmreaktoren".

Etablierte Raffinerien, wie die der Fracking-Industrie, wandeln Methan in benzinähnliche Verbindungen um, kosten aber Dutzende von Milliarden Dollar in der Herstellung. Die Beförderung des Methans zu diesen Raffinerien von weit entfernten Standorten ist ineffizient, da bis zu 20 % des Methans während des Transports von der Quelle zur Raffinerie an die Atmosphäre verloren gehen, so Wood.

"Wir wollen das Methan nicht mehr freisetzen, sondern es nutzbar machen, anstatt es zu verbrennen", so Wood. "Unsere einfachen, biologischen Reaktoren arbeiten an Ort und Stelle und bei Raumtemperatur. Man muss nicht 20 Milliarden Dollar ausgeben und enorme Mengen an Energie aufwenden, um Methan einzufangen und in etwas Nützliches umzuwandeln."

Die Forscher haben ein interdisziplinäres Team mit Fachwissen in den Bereichen synthetische Biologie, Chemieingenieurwesen, Bioreaktordesign und Sozialwissenschaften sowie potenzielle künftige Nutzer zusammengestellt, um die neue Technologie umzusetzen. Die Bioreaktoren werden an relevanten Standorten getestet, zunächst in Kläranlagen.

Neben der Entwicklung eines neuen Ansatzes für die Umwandlung von Methan in Chemikalien werden die Forscher auch untersuchen, wie die Technologie auf sozial- und umweltverträgliche Weise verbreitet werden kann, so Riedel-Kruse. Die NSF hat den Preis um 300.000 Dollar erhöht, damit die Forscher ihre Bildungskomponente erweitern können.

Im Rahmen dieser Outreach-Komponente werden Highschool-Lehrer darin geschult, innovative Bildungsaktivitäten zu entwickeln und zu verbreiten, die den Schülern die Mikrobiologie näher bringen und ihnen helfen, die im Rahmen des Projekts entwickelten Technologien anzuwenden. Der anfängliche Schwerpunkt wird auf unterrepräsentierten Gruppen liegen, insbesondere auf den indianischen Gemeinden in der Nähe der Universität von Arizona, wobei später geplant ist, die Ausbildung landesweit auszuweiten.

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