Zielsetzung und Anlass:
Die Eutrophierung stellt eine der größten ökologischen Bedrohungen der Ostsee dar, was sich aktuell in einer riesigen Todeszone (Sauerstoffmangel) am Meeresboden der tiefen Becken wiederspiegelt. Deshalb soll in dieser Machbarkeitsstudie eine nachhaltige marine Biomasse-Produktion des Blasentangs (Fucus vesiculosus) in Freilandversuchen in der Ostsee durchgeführt werden, um mit Hilfe dieser Makroalge eine Abreicherung von überschüssigen Nährstoffen herbeizuführen. In mehreren Schritten werden wir untersuchen inwiefern eine Hochskalierung vom Labor- zum offshore-Maßstab möglich und wie groß das Potenzial von großflächigen offshore-Freilandkulturen von Makroalgen ist. Weiterhin untersuchen wir ob die Biomasse umweltschonend produziert und als Wertstoff (Kosmetik), organischer Dünger, und/oder Biogas-Rohstoff (Energieträger) genutzt werden kann.
Das Gesamtziel des Vorhabens in diesem Konsortium ist somit die Beurteilung der Chancen und Möglichkeiten von großflächigen Makroalgen-Freilandkulturen hinsichtlich:
I. Schaffung eines regional möglichst geschlossenen Nährstoffkreislaufs zur Reduzierung der Nährstoffanreicherung in der südwestlichen Ostsee,
II. Produktion von nachhaltigen Rohstoffen ohne dünge-, pflanzenschutz- und wasser-intensiven Landverbrauch, sowie
III. Prüfung zusätzlicher Ertragsmöglichkeiten für Fischer und Einsparmöglichkeiten für Landwirte.
Das vielfältige Potenzial der Ökosystemdienstleistungen von Blasentang-Freilandkulturen wird somit erstmalig experimentell in der Ostsee untersucht, und trägt zu den UN Nachhaltigkeitszielen bei. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und regionalen Stakeholdern (Fischer, Windparkbetreiber, Landwirte, Anlagenbetreiber für Biogas) durchgeführt.
Arbeitsschritte und Methoden:
Während der Projektdauer von drei Jahren bearbeiten wir vier Schwerpunkte: I. Kultivierung, II. Biomassecharakterisierung, III. Ernte und IV. Nutzung des Blasentangs.
I. die bereits etablierte Nachzucht von Blasentang auf für die Freilandkultur geeignete Substrate wird optimiert. Danach wird die gut funktionierende Algenkultivierung vom Labor- und Mesokosmen-Maßstab zu mittleren Feldkulturen in der Eckernförder Bucht ( Prototyp einer Offshore-Kultur) heraufskaliert. Während all der Stufen der Hochskalierung werden die Effekte auf die Umwelt (abiotisch: Nährstoffgehalte, Sauerstoffkonzentration, pH; biotisch: Biodiversität organismisch und per eDNA) detailliert untersucht. Weiterhin soll die Zusammenarbeit mit Fischern und Windanlagenbetreibern als auch Genehmigungsbehörden (BSH, LLUR etc.) als Stakeholdern in Anspruch genommen werden, zu denen bereits intensive Kontakte bestehen.
II. Die erzeugte Blasentasng-Biomasse wird ökophysiologisch und biochemisch charakterisiert, um bspw. Überlebensgrenzen, optimale Erntezeitpunkte und vielversprechende Wertstoffe zu identifizieren.
III. Die Erntemethodik und Erstbehandlung an Land muss sorgfältig untersucht werden. Hier ist zum einen die Expertise von Fischern gefragt, die zumindest partiell von Fischfang auf die Wartung der Algenkulturen und die Algenernte umsteigen wollen. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung der Biomasse an Land. Eine energieaufwändige Trocknung soll als Vorbehandlung vermieden werden.
IV. Aus den biochemischen Analysen unter II. lassen sich bereits interessante Wertstoffe (Naturstoffe) z.B. für die kosmetische Industrie ableiten. Ansonsten ist die einfachste und bereits bewährte Nutzungsmöglichkeit das Einarbeiten der Algenbiomasse nach vorheriger Extraktion von Wertstoffen als Ersatz für mineralische Kunstdünger. Vor einer großflächigen und langfristigen Nutzung der Algenbiomasse als natürlicher Mineraldüngerersatz muss deren Belastung mit Schadstoffen, z.B. Schwermetallen, geprüft werden. (Text gekürzt)
Cellulose stellt den am häufigsten vorkommenden Naturstoff unseres Planeten dar. Mit einer pflanzlichen Weltjahresproduktion von ca. 180 Milliarden Tonnen (Engelhardt, j. Carbohydr. Eur. 12, 5-14 (1995)) ist Cellulose der bedeutendste nachwachsende Rohstoff. Dieses Biopolymer findet außer in der Papier-, Pharma- und Textilindustrie in vielen anderen Bereichen (z.B. Medizin, Kosmetik, Kunststoff-Industrie) reichliche Verwendung. Trotz der großen wirtschaftlichen Bedeutung und über drei Jahrzehnten intensiver Forschung ist bisher nicht bekannt, wie Cellulose in der Pflanze gebildet wird. Informationen über die Gene und die dazugehörigen Enzyme, die die Cellulose synthetisieren, würden neue Möglichkeiten eröffnet bis hin zu transgenen Pflanzen mit erhöhtem Cellulosegehalt, einer verbesserten Qualität, aber auch der Entwicklung ganz neuer Herbizide, die gezielt die Cellulosebiosynthese z. B. von Unkräutern inhibieren können. Die Zielsetzung dieses Projektes ist es, die Proteine die an der Cellulosesynthese beteiligt sind, unter Aktivitätserhalt zu isolieren und zu charakterisieren sowie die entsprechenden Gene zu identifizieren, um so erstmals den molekularen Mechanismus der pflanzlichen Cellulosebiosynthese aufzuklären.
Das Ziel der in diesem Projektvorhaben geplanten Arbeiten ist die Nutzung von Mikroalgen als nachhaltige Rohstoffe zur biologischen Herstellung von Feinchemikalien unter Vermeidung toxischer Substanzen und auf der Basis der Etablierung effizienter heterotropher Produktionsprozesse und der Nutzung biogener Reststoffe als Kohlenstoffquellen. Damit ist geplant, dass der gesamte Produktionsprozess Bestandteil einer effizienten Wertschöpfungskette ist, die u.a. auch die Verwertung und Umsetzung von photosynthetisch hergestelltem Biomaterial (Cellulose) beinhaltet. Somit ist indirekt auch die Verwertung und Umwandlung von CO2 in Feinchemikalien als Bestandteil der Projektstrategie gewährleistet. Als Produkte stehen spezifische Tri- und Sesquiterpene zur Auswahl, die entweder als Naturstoffe in der Alge produziert werden oder deren Produktion auf heterologem Wege biokatalytisch induziert wird. Alle genannten Produkte sind von großem Interesse in der chemischen/pharmazeutischen Industrie, in der industriellen Biotechnologie sowie in der Kosmetikindustrie.
In den letzten Jahrzehnten gewinnen Biopolymere als Ersatz für synthetische Kunststoffe zunehmend an wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung. Die Biopolymere Cellulose und Stärke gehören dabei zu den wichtigsten nachwachsenden Rohstoffen, die stofflich für die Entwicklung und Produktion von Funktionspolymeren verwendet werden. Aufgrund ihres historisch schon sehr langen Gebrauchs, stehen sie in gleichbleibender Qualität und Reinheit zur Verfügung. Längst ist jedoch nicht das gesamte Potential dieser Naturstoffe bekannt und ausgeschöpft. Ihre molekular und übermolekular strukturell bedingten Eigenschaften lassen sich über eine gezielte chemische Modifizierung der Hydroxylgruppen breit variieren und für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche spezifisch anpassen. Durch die erhältlichen wasserbindenden, verdickenden, klebenden und haftvermittelnden Eigenschaften erfüllen sie wichtige Funktionen, beispielsweise in Nahrungsmitteln, Pharma- und Kosmetikprodukten sowie in Baustoffen, Farben und Verpackungsmaterialien. Stärkeester sind dabei besonders interessante Produkte, da diese durch die chemische Modifizierung thermoplastische Eigenschaften gewinnen können. Wie aus aktuellen Arbeiten hervorgeht, sind insbesondere Stärkeester, die durch die Umsetzung mit langkettigen Fettsäuren erhalten werden, für die Verformung zu Folien und Filmen geeignet. Ziel des Vorhabens ist es, aus thermoplastischen Stärkeestern Folien und Klebstoffe zu entwickeln, die bezüglich ihrer chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften für Anwendungen im Bereich Lebensmittelverpackung etabliert werden können. Zur Modifizierung wird das vorhandene Know-how der Antragsteller weiterentwickelt, um neue Produkte mit hoher Wertschöpfung durch die Einführung spezifischer Funktionalitäten zu schaffen und diese auch in einen technisch nutzbaren Maßstab zu überführen.