Biokraftstoffe Geschichte: Nikolaus A. Otto verwendet in den 1860er Jahren Ethanol (Spiritus) für seinen Verbrennungsmotor Henry Ford sagt voraus dass Ethanol der Treibstoff der Zukunft sei (1920/30er Jahre) Aufgrund von Alkoholverbot in den USA und geringer Verfügbarkeit von Ethanol wird Rohöl der Hauptkraftstoff Heute ist Rohöl der Ausgangsstoff für: Kunststoffe Kerosin Benzin (Verbrauch allein in D in 2007: 21,3 Millionen Tonnen) Diesel (Dieselmotor 1893, Rudolf Diesel) Heizöl Alternativen: Bioethanol (Ethanol wird heute auch aus Wasser und Ethen synthetisiert) Biodiesel (Microdiesel) 1. Auto, mit Ottomotor betrieben (1886) 20
Biokraftstoffe Bioethanol (E100) Populär in Südamerika Abfälle aus Zuckerrohrverarbeitung dienen Hefen als Substrat (alkoholische Gärung) Brasilien bis 2005 Hauptproduzent, danach von den USA überholt mit einer Produktion von 19 Mrd. Liter in 2007 Seit 1980er Jahren Beimischung von 5% Bioethanol zu Benzin in Europa E10: 10% Bioethanol, 90% herkömmliches Benzin 65% der weltweiten Ethanol Produktion für Kraftstoffe Neue Verfahren: Algenfarmen Vorteile: keine Verbrennung von Lebensmitteln, geringer Energieaufwand und CO 2 Verbrauch (Photosynthese) Nachteile: aufwendige Ernte, bisher geringe Ausbeute 21
Biokraftstoffe Energiebilanz: positv Umweltbilanz: oft schlechter als bei fossilen Brennstoffen (bis zu 1,5 x stärkere Klimaerwärmung als Benzin) Gründe: CO 2 Emission bei der Produktion Freisetzung großer Mengen Distickstoffoxids (Lachgas, N 2 O) bei intensiver Landwirtschaft (aus Stickstoffdüngern) Weiteres Problem: Konkurrenz mit Nahrungsproduktion ( Tortilla Krise ), Abholzung Zukunft: Cellulose Ethanol aus anderweitig nicht nutzbaren Pflanzen 22
Biodiesel Biokraftstoffe Öle (Fettsäuren/Triglyceride) aus Raps Rapsmethylester Abfallprodukt Glycerin Umweltverträglich aber ethisch vertretbar? 23
Momentane Forschung: Biokraftstoffe Herstellung von Biodiesel mit Mikroorganismen (Bakterien/Hefen) (manchmal auch Bezeichnung als Microdiesel) Alle großen Ölfirmen investieren darin um Alternativen zum Rohöl zu finden Mikroorganismen produzieren Triacylglyceride (TAGs), diese werden chemisch verestert (Methylester) Rhodococcus opacus akkumuliert von Natur aus bis zu 76% TAGs (Fettsäuren mit C 13 bis C 19 ) Gentechnische Veränderung von Organismen um gezielte Fettsäuren herzustellen (z.b. nur C 18 ) Rhodococcus opacus: TAG Einschlüsse Aufnahme Fluoreszenzmikroskop nach Anfärbung mit Nilrot 24
Ölfressende Bakterien Pro Jahr laufen ca. 1,3 Millionen Tonnen Rohöl in die Weltmeere (National Research Council, USA, 2003) Hauptverursacher: Einleitung von Land Schiffsverkehr (Unfälle machen nur geringen Teil aus) Natürliche Ölquellen Nach Ölkatastrophen siedeln sich ölfressende Bakterien am Ölteppich an Selbsthilfe des marinen Ökosystems (für kleine Mengen!) Viele Bakteriengattungen: Alcanivorax, Marinobacter, Neptunomonas, Oleiphilus, Cycloclasticus, Thalassolituus 25
Ölfressende Bakterien Vertreter der Gattung Alcanivorax sind weltweit vertreten und spielen wahrscheinlich eine essentielle Rolle in den ersten Schritten der natürlichen Rohöl Beseitigung (z.b. A. borkumensis) aerob, halophil (überlebt Salinität von 1 12,5%) Bilden um Öltropfen einen Biofilm (Bakterien benötigen O 2 überfordert bei Ölkatastrophen) Verschiedene Gene/Proteine die für Abbau von Ölbestandteilen verantwortlich sind, sind bereits identifiziert (und abbaubare Substrate) Baut große Vielfalt an Alkanen/Alkoholen ab (C und Energiequelle) 26
Grüne Biotechnologie Veränderung der Eigenschaft von Pflanzen durch Gentechnik oder SMART Breeding SMART Breeding: Selection with Markers and Advanced Reproductive Technologies Vorgehen: Für gewünschte Genvarianten werden Marker entwickelt Pflanzen, bei denen die Marker binden, werden zur Zucht genutzt Vorteil: Selektion direkt am Gen, nicht am Phänotyp Phänotyp von vielen Faktoren beeinflusst: Umwelt, Epistatische Effekte, Dominanz / Co Dominanz etc. 27
Grüne Gentechnik Bestandteil der Grünen Biotechnologie: Erzeugt Pflanzen, deren Genom technisch verändert wurde Entweder durch Gentransformation oder gezieltes Abschalten einzelner Gene gentechnisch veränderte Organismen (GVO) (englisch: GMO) Speziell bei Gentransformation: transgene Organismen Hauptpflanzen bislang: Soja (über 70% des weltweit angebauten Soja sind GV Pflanzen) Mais, Baumwolle, Raps Zuckerrübe (nur USA, dort 95%) 28
Grüne Gentechnik Gentransformation bei Pflanzen: Meistens durch Agrobakterium tumefaciens Überträgt natürlicherweise ein Plasmid auf Pflanzen, welches ins Wirtsgenom integriert wird (löst Tumorbildung und Opinproduktion aus) Plasmid wird durch anderes Plasmid ersetzt, welches die gewünschte DNA enthält (wurde zuvor in E.coli zusammengesetzt) Bakterien injizieren das Plasmid nur, wenn Pflanze nach Verletzung bestimmte phenolische Substanzen abgeben Substanzen nur bei zweikeimblättrigen Pflanzen Methode kaum bei Einkeimblä rigen anwendbar 29
Transgene Pflanzen Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen findet seit 1996 statt 2010: 29 Länder, 15 Mio. Landwirte 10,7% der weltweiten Agrarflächen! (Argentinien: 72%, USA: 39%) = siebenfaches der gesamten deutschen Landwirtschaftsfläche In D: zur Zeit kein Anbau Bis 2008 Anbau von Gv Mais, seit 2009 nicht mehr (Spanien: 22% der Maisanbaufläche) 87% aller angebauten Gv Pflanzen von Monsanto! 30
Transgene Pflanzen Monsanto und Roundup Roundup: Herbizid von Monsanto Wirkstoff: Glyphosat (inhibiert pflanzenspezifisches Enzym zur Herstellung von aromatischen Aminosäuren) In verschiedenen Formulierungen auf dem Markt, u.a. mit Netzmittel Tallowamin Wirkt unspezifisch auf eine Vielzahl von Pflanzen, Einsatz als Herbizid seit 1974 Wirkt nur über Blä er, nicht über Wurzeln Gleichzei ge Behandlung und Saat möglich Giftwirkung auf Tiere umstritten, bislang nicht eindeutig nachgewiesen (eher Probleme durch Tallowamin) 31
Transgene Pflanzen Monsanto und Roundup Seit 1990er: Vertrieb von Pflanzen, die gentechnisch gegen Roundup resistent sind (Mais, Soja, Baumwolle, Raps) Resistenzgen stammt aus Salmonellen Vorteil: Pfluglose Landwirtschaft (weniger Erosion, Arbeitszeit, Energieverbrauch) Insgesamt geringerer Herbiziteinsatz Probleme: Fortschreitende Restistenzbildung bei Unkräutern Geschäftspraxis von Monsanto: Bauern dürfen kein Saatgut behalten, müssen immer neues Saatgut kaufen Abhängigkeit von Monsanto, Problem bei Ernteausfällen In Mexico: Gefahr des Einkreuzens in wilde Maissorten (Anbau in Mexico verboten) Pollen genmanipulierter Pflanzen in Honig: Honig muss gekennzeichnet werden 32
Transgene Pflanzen Amflora: Wurde bis 2011 zu Versuchszwecken in D angebaut Entwickelt von BASF Plant Science Kartoffel, die nur eine Stärkesorte produziert: Amylopektin (keine Amylose) Amylopektin ist stark verzweigt (Amylose linear) besser zur Papier, Textil und Klebstoffherstellung geeignet Einsatz von Amflora würde viel Wasser und Energie bei Produktion sparen Ist essbar, aber zu stark mehlig kochend 33
Transgene Pflanzen Goldener Reis Reis stellt für die Hälfte der Weltbevölkerung das Hauptnahrungsmittel dar (manche asiatische Länder: bis 80%) Problem: Geschälter Reis enthält fast kein Carotin (Provitamin A) Bei Mangel diverse Gesundheitsschäden 250 Millionen Kinder leiden an Vitamin A Mangel, jährlich 1 Million Tote Mögliche Abhilfe: kein polierter Reis, Anbau anderer Arten, Vitaminpräparate, goldener Reis 34
Transgene Pflanzen Goldener Reis Seit 1992 von Ingo Potrykus (ETH Zürich) und Peter Beyer (Uni Freiburg) entwickelt wissenscha liche Forschung, kein kommerzielles Interesse Erste Publikation 2000 In Reis wurden 2 neue Gene eingebaut (1 aus Narzisse, später Mais, das andere aus einem Bakterium), die Carotin Produktion im Samen bewirken Reis ist gelb Da keine öffentliche Förderung: Verkauf des Patents an Firma, mit Lizenz für humanitären Einsatz Wegen komplizierten Genehmigungsverfahren noch kein Einsatz, nur Feldtests Ziel: Saatgut an Bauern verteilen, Einkreuzen in regionale Sorten, Bauern erzeugen dann eigenes Saatgut 35
Transgene Pflanzen Bt Pflanzen: Häufigste Anwendung von transgenen Pflanzen (v.a. Baumwolle, Mais) Enthalten Gene des Bacteriums Bacillus thuringiensis B. thuringiensis hat auf Plasmiden Gene, die Proteine codieren, die für bestimmte Insektenarten tödlich sind (v.a. Käfer, Schmetterlinge, Haut und Zweiflügler) Bakterium lebt vermtl. in Symbiose mit Pflanzenwurzeln Schutz der Pflanzen (deshalb wirken die Toxine speziell bei Pflanzenschädlingen) Toxine bei anderen Tieren, Menschen und Pflanzen wirkungslos Durch Bt Pflanzen keine Insektizide mehr notwendig! Normale Baumwolle für 11% des weltweiten Insektizideinsatzes verantwortlich Giftwirkung nur auf Insekten, die an den Pflanzen fressen Probleme: Resistenzen, Auskreuzen auf Wildrassen 36