Biokraftstoffe aus angereichertem Holz

Fossile Brennstoffe sind aktuell noch die Hauptquelle für Energie, Chemikalien und viele weitere Materialien, aber sie sind auch für einen erheblichen Teil der Treibhausgasemissionen verantwortlich. Klimaneutralität ist mit ihnen nicht möglich. Viele Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen arbeiten daher an Möglichkeiten, sie durch Biomasse zu ersetzen, doch die Umwandlung holziger Pflanzenbiomasse in Kraftstoffe und andere nützliche Produkte ist chemisch und energetisch sehr anspruchsvoll. Ein Team der University of Cambridge hat dabei einen neuen Ansatz verfolgt – und ist zu erstaunlichen Ergebnissen gekommen.

Leichtere Umwandlung in Biokraftstoff durch einen Mehrfachzucker

Bislang hat sich die Forschung beim Thema Holz darauf konzentriert, die komplexen Polymere zu verstehen, die im Holz vorhanden sind. Wie können diese so verändert werden kann, dass ihre Umwandlung in einfachere Komponenten möglich ist? Das britische Team um Matthieu Bourdon und Kollegen hat sich für einen anderen Weg entschieden. Die Forschenden nahmen Callose, ein Polymer, das in einigen pflanzlichen Zellwänden natürlich vorkommt, und bauten es erfolgreich in die spezialisierten sekundären Zellwände von Pflanzen ein, also in Holz. Der Effekt war überraschend groß: Das Holz, das mit Callose angereichert war, lässt sich deutlich leichter in Einfachzucker und Bioethanol umwandeln.

Bei Callose handelt es sich um einen Mehrfachzucker, der in bestimmten Pflanzen verschiedene Aufgaben erfüllt. Es wirkt unter anderem wie eine Art natürliches Dichtungsmaterial, das Pilzbefall eindämmen kann. Außerdem nimmt es Einfluss auf Zellverbindungen, weswegen es auch wichtig ist, um Viren an ihrer Ausbreitung zu hindern.

Mehrfachzucker lässt sich problemlos in Pflanzen einbauen

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben zunächst die kleine Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) so verändert, dass sie Callose in ihren Sekundärwänden biosynthetisiert. „Wir konnten zeigen, dass die Pflanzen ein neues Polymer in ihre sekundären Zellwände einbauen konnten, ohne dass dies negative Auswirkungen auf das Wachstum hatte“, sagt Matthieu Bourdon, ehemaliger Forscher am Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge (SLCU), der jetzt am Friedrich-Miescher-Institut für Biomedizinische Forschung arbeitet.

Das Gleiche versuchten Sie bei einem schnell wachsenden Baum, der sommergrünen Hybridpappel (Populus tremula x tremuloides). Das Team stellte fest, dass mit Callose angereichertes Holz interessante neue Eigenschaften aufweist, vor allem eine erhöhte Hygroskopizität, also die Fähigkeit, Stoffe wie Wasser an sich zu binden, sowie eine verstärkte und Porosität. Das führt dazu, dass es leichter ist, die Polymere zu extrahieren oder in einfachere Bausteine wie Zucker oder Bioethanol umzubauen.

„Es war eine große Herausforderung, die ultrastrukturellen Auswirkungen des Callosezusatzes auf die Holzwerkstoffe zu verstehen“, sagt Bourdon. „Die Experimente zeigten überraschenderweise, dass Callose nicht mit anderen Polymeren interagiert, sondern als wasseranziehender Zellwandabstandshalter fungieren könnte.“ Diesem Ansatz ist das Forschungsteam weitergefolgt, mit der Hilfe anderer Fachbereiche. Sie sammelten Wissen ein, unter anderem von Kollegen und Kolleginnen aus der Gentechnik, der Biochemie, der Strukturbiologie und den Materialwissenschaften.

Neben Biokraftstoffen stehen Anwendungen in der Bauindustrie im Fokus

„Wir gehen davon aus, dass unser technisiertes Holz der Herstellung von Biomaterialien und Biokraftstoffen zugute kommen wird, die auf dem Abbau von Biomasse und der Zugänglichkeit von Polymeren beruhen, wie zum Beispiel Verpackungsmaterialien oder sogar fortschrittliche Biomaterialien wie Cellulose-Nanofibrillen und delignifiziertes Holz.“ Mit der Delignifizierung werden Ligninen über verschiedene Prozesse entfernt, um transparentes Holz zu erhalten. Das wiederum eröffnet viele Möglichkeiten für die Bauindustrie.

Im nächsten Schritt sind Feldversuche geplant, um die Ergebnisse zu bestätigen und die Leistung der mit Callose angereicherten Bäume unter realen forstwirtschaftlichen Bedingungen zu bewerten.