DÜSSELDORF. Es ist ein ungleicher Wettstreit: An-Ping Zeng und sein Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg gegen den amerikanischen Chemie-Riesen Dupont.
Dessen Verfahren zur Herstellung der Massenchemikalie 1,3-Propandiol wird allerorten als Meilenstein der modernen Biotechnologie genannt. Insgesamt 36 Gene eines Kolibakteriums hat Dupont verändert, damit es diesen Stoff liefert. Bis zu 45 000 Kubikmeter der kostbaren Flüssigkeit werden seit 2007 alljährlich aus der Fabrik in Loudon, Tennessee, abtransportiert und später zu Kunststoffen, etwa für Badeanzüge oder Airbag-Abdeckungen, verarbeitet.
Den Wissenschaftler Zeng jedoch schüchtert die Größe seines Kontrahenten nicht ein. Was die US-Kollegen mit ihrem hochgerüsteten Kolibakterium bewerkstelligen, möchte er mit einem natürlichen Bakteriengemisch aus Klärschlamm billiger und besser schaffen. In seinem Labor tropft klares Propandiol aus einer gläsernen Destillationskolonne. In einem wuchtigen Stahlbehälter schwimmt ein Konsortium aus verschiedenen Mikroben.
"Wirklich neu ist, dass wir eine Gemeinschaft von Mikroben einsetzen", sagt Zeng. Bislang verwenden Biotechnologen fast immer Monokulturen. Beispielsweise produzieren Kolibakterien Enzyme für Waschmittel oder Zusätze für Tierfutter. Meist scheiden die Mikroben aber auch unerwünschte Nebenprodukte aus. Diese zu vermeiden oder in nützliche Stoffe umzuwandeln ist eine der Aufgaben der Biotechnologie.
In Zengs Bakterienbrühe schwimmen unter anderem Clostridien, die auf natürliche Weise Propandiol bilden. Sie produzieren aber auch giftige Säuren als Stoffwechselnebenprodukte, die auf Dauer das Wachstum der Mikroben stoppen würden. Während die Dupont-Forscher solche unerwünschten Stoffwechselwege gentechnisch blockierten, lässt Zeng die Säuren einfach von methanbildenden Bakterien vertilgen. Sie verwandeln die Gifte in Biogas, das aus dem Stahlbottich aufsteigt und zur Energiegewinnung verwendet werden kann.
"Wenn die Amerikaner etwas machen, tun sie es mit viel Aufwand und unglaublich viel Geld", meint Zeng. "Unser Verfahren wird billiger sein. Die Investitionen für die Pilotanlage sind geringer. Wir müssen nicht steril arbeiten, da wir keine Reinkultur verwenden. Die Sicherheitsmaßnahmen sind geringer, weil wir mit natürlichen Mikroorganismen, nicht mit gentechnisch veränderten arbeiten."
Der Chemieingenieur Arnold Frances vom California Institute of Technology in Pasadena bezeichnet die mikrobiellen Konsortien in der Zeitschrift "Trends in Biotechnology" daher als "wichtiges neues Gebiet". Mikrobengemische könnten mehrstufige Aufbau- oder Abbauvorgänge übernehmen, die für Monokulturen zu schwierig wären. Mikrobielle Konsortien seien zugleich äußerst robust, so Frances.
In der Natur treten Mikroben fast immer gemeinsam auf. Verschiedene Milchsäurebakterien zum Beispiel machen aus Milch Joghurt. Diverse Hefen verdauen Traubensaft zu Wein. Selbst chemisch verseuchte Gewässer können natürliche Bakterien-Konsortien bearbeiten.
Am Leipziger Helmholtzzentrum für Umweltforschung (UFZ) wurde ein solcher Vorgang untersucht: In einem noch aus DDR-Zeiten mit Benzol verseuchten Grundwasserleiter nahe Zeitz in Sachsen-Anhalt entdeckte der Mikrobiologe Carsten Vogt Bakterien, die den Schadstoff ohne Sauerstoff abbauen. "Es gibt nur wenige Kulturen, die ohne Sauerstoff dazu in der Lage sind. Wir haben das Glück, eine zu besitzen", sagt er.
Ein spezielles Bakterium gibt hier den Startschuss für den Benzolabbau, indem es die ringförmige Verbindung angreift. Vergärende Bakterien zerlegen die Chemikalie dann weiter. Sie erzeugen dabei Wasserstoff, den wieder andere Mikroben verstoffwechseln: Sie atmen den Wasserstoff und natürliches Sulfat aus dem Wasser und wandeln es in Schwefelwasserstoff um, dem ein durchdringender Geruch nach faulen Eiern anhaftet.
In Zeitz konnte die Bakteriengemeinschaft nachweislich die Giftfracht im Grundwasser senken. Die Benzolvernichter könnten daher auch andernorts Wasser reinigen, glaubt Vogt, der dafür langfristig eine Sanierungsstrategie entwickeln möchte. "Eine Belastung mit Benzol ist keine Seltenheit", sagt er. Da die Chemikalie dem Benzin beigemischt wird, könnte beispielsweise der Untergrund von Tankstellen erhöhte Werte aufweisen.
Es wäre verlockend einfach, das verseuchte Grundwasser mit dem Konsortium aus Vogts Labor zu impfen und sich selbst zu überlassen. Zu einfach, um ohne Nachteil zu funktionieren, wie der Mikrobiologe klarmacht: "Die Bakterien wachsen sehr, sehr langsam. Es würde viele Jahre dauern, bis das Benzol zurückgegangen wäre." Ihm geht es deshalb vorerst darum, die Teamarbeit der Benzolvernichter besser zu verstehen.
Auch Zengs Team ringt noch darum, das Treiben der Mikroben im Stahlbehälter zu begreifen. Zugleich schmiedet man jedoch mit dem Biogashersteller Agraferm Technologies im EU-Projekt "Propanergy" schon Pläne für den Bau einer mobilen Propandiolfabrik. Bis 2010 soll sie fertig sein. Die Europäische Kommission stattete das Vorhaben mit 1,82 Millionen Euro aus. Agraferm hofft auf ein lukratives Geschäft, weil die mobile Fabrik mit Glycerin gespeist werden soll: "Das ist ein lästiger Abfall aus der Biodieselerzeugung. Zeitweilig bekamen wir sogar Geld dafür, wenn wir Glycerin angenommen haben", berichtet Jürgen Kube, Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung bei Agraferm.
Propandiol dagegen bringt 2 000 Euro je Tonne ein. Kube sieht sich deshalb mit der Rohstoffwahl klar im Vorteil gegenüber Dupont: Das amerikanische Unternehmen benötigt Maisstärke und hängt damit vom Nahrungsmittelmarkt und seinen Preisschwankungen ab.
Die mobile Fabrik soll zu Biodieselherstellern fahren und deren Glycerin in Propandiol und Biogas umwandeln. Das Biogas ließe sich, so Zengs Vision, in einem benachbarten Blockheizkraftwerk verfeuern. Dadurch könnte ein Drittel der erforderlichen Energie für die rollende Fabrik gedeckt werden. Die Bakterien würden lediglich zu Beginn einmal mit einer Ladung Klärschlamm zugefügt.
Schon heute erhalten die Wissenschaftler jede Woche Anfragen aus Südamerika, Malaysia und Indonesien, wann ihre Pilotanlage endlich in Betrieb geht. In den Schwellenländern boomt die Palmölverarbeitung zu Biodiesel. Doch das unnütze Glycerin blockiert die Produktionsstätten. Eine sinnvolle Verwendung für den Abfall käme den Spritproduzenten gerade recht.
