Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
J\u00e4hrlich fallen enorme Mengen an Kautschukhaltigen (cis-1,4-Polyisopren) Abf\u00e4llen an, von denen Altreifen den gr\u00f6\u00dften Anteil stellen. Einen geringeren aber dennoch betr\u00e4chtlichen Anteil, macht anderes Altkautschukmaterial in Form von Laborhandschuhen und Latexmatratzen aus, welche bisher deponiert oder thermisch verwertet werden. Eine R\u00fcckf\u00fchrung dieser Problemabf\u00e4lle in den Stoffkreislauf erscheint daher erstrebenswert. Diese k\u00f6nnte durch die \u00dcberf\u00fchrung der Materialien in reaktivere Formen geschehen oder durch die Biotransformation in interessante chemische Verbindungen f\u00fcr die industrielle Nutzung.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMehl aus Altreifen kann nur zu einem sehr geringen Anteil f\u00fcr die Produktion neuer Kraftfahrzeugreifen genutzt werden, da durch den Schwefelvulkanisationsprozess bei der Herstellung die Oberfl\u00e4che des Kautschuks reaktionstr\u00e4ge wird. Eine Desulfurikation durch Mikroorganismen erh\u00f6ht die Reaktionsf\u00e4higkeit des Materials f\u00fcr eine erneute Vulkanisation erheblich, so dass gr\u00f6\u00dfere Mengen des Reifenmehls recycelt werden k\u00f6nnen. Daher soll eine mikrobielle Desulfurikation von Altreifenmehl durch verschiedene Organismen in einem Feststofffermenter etabliert werden, welcher sich durch einen geringeren Verbrauch von Wasser auszeichnet, bevor dieses Verfahren einen scale-up erfahren soll.Auch Latexhandschuhe und -matratzen k\u00f6nnten f\u00fcr biotechnologische Prozesse von Interesse sein. Da einige Bakterien wie Spezies der Gattungen Gordonia, Actinoplanes und Streptomyces in der Lage sind, cis-1,4-Polyisopren als Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen, soll untersucht werden, ob mit diesen Bakterien die Nutzung von Abfallstoffe f\u00fcr die Produktion hochwertiger chemischer Verbindungen m\u00f6glich ist. Eine m\u00f6gliche Anwendung l\u00e4ge in der Synthese von Polyhydroxyalkanoaten, insbesondere mit einer ungew\u00f6hnlichen Zusammensetzung von Monomeren, durch rekominante St\u00e4mme oder der Aufreinigung interessanter Intermediate des Kautschukabbaus f\u00fcr folgende chemische Synthesen.Die Aufgabe der H\u00f6Fer Bioreact GmbH liegt in der Optimierung und Weiterentwicklung der zu benutzenden Feststofffermenter und Verfahren, w\u00e4hrend die molekularbiologischen, biochemischen und analytischen Arbeiten von der Arbeitgruppe Prof. Dr. A. Steinb\u00fcchel durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
J\u00e4hrlich fallen hohe Mengen an kautschukhaltigen Abfallprodukten an. Eine biotechnologische Behandlung bzw. Verwertung dieser Abfallstoffe kann eine enorme Umweltentlastung bewirken. Die Ergebnisse werden nachfolgend zusammenfassend dargestellt und bewertet. Eine ausf\u00fchrliche Darstellung der Ergebnisse und deren Diskussion ist dem Bericht zu entnehmen.Um solch einen Prozess optimal zu gestalten, wurden Bakterien isoliert und identifiziert, die in der Lage sind, mit Kautschuk als alleiniger Kohlenstoffquelle zu wachsen. Es wurden einige moderat thermophile Bakterien isoliert, die ihr Wachstumsoptimum bei 50-55 \u00b0C haben und in Fermentationsprozessen Vorteile gegen\u00fcber mesophilen Spezies zeigen k\u00f6nnten. Bei diesen Bakterien konnte durch Mineralisationsexperimente ein Kautschukabbau gezeigt werden. Durch Gel-Permeationschromatographie konnte eine Spaltung des Kautschuk-R\u00fcckgrads gezeigt und das Auftreten von niedermolekularen Abbauprodukten nachgewiesen werden. Hierbei handelte es sich um Intermediate mit Molekulargewichten von 13 kDa (200 Isopreneinheiten) sowie 570 Da (ca. 8 Isopreneinheiten). Carbonygruppen lie\u00dfen sich in beiden Zwischenprodukten nachweisen, das 13 kDa Intermediat verf\u00fcgte zus\u00e4tzlich noch Aldehydgruppen. Untersuchungen der fermentativen Behandlung von verschiedenen Kautschukmaterialien und der Desulfurikation von Altreifengranulat wurden durchgef\u00fchrt.Aus einem neu isolierten Latexkl\u00e4renden Streptomyceten konnte ein Gen identifiziert und kloniert werden, welches am Kautschukabbau beteiligt ist. Die M\u00f6glichkeit des Einsatzes dieses Gens in rekombinanten St\u00e4mmen in der Feststofffermentation wird untersucht.Aus dem adhesiv wachsenden Polyisoprenabbauenden Bakterium Gordonia westfalica Kb1wurde ein 101 kbp gro\u00dfes Megaplasmid isoliert und charakterisiert, welches m\u00f6glicherweise am Kautschukabbau beteiligt ist. F\u00fcr die Gattung Gordonia konnten basierend auf dem origin of replication (oriV) des Megaplasmids Shuttlevektoren konstruiert werden, die eine genetische Bearbeitung dieser Gattung erm\u00f6glichen.Das vollst\u00e4ndige Megaplasmid konnte nativ und rekombinant in die St\u00e4mme Gordonia polyisoprenivorans VH2 und Y2K, Mycobakterium smegmatis mc2155 und Rhodococcus opacus Km100 transferiert werden, wodurch ein Transfer in weitere nah verwandte St\u00e4mme denkbar ist. Die Expressionsanalysen von ORFs des Megaplasmids mit putativer metabolischer Funktion zeigten, dass die ORFs 42 und 6 w\u00e4hrend der Kultivierung mit IR expremiert wurden, wohingegen sie w\u00e4hrend der Kultivierung mit Komplexmedium nicht oder sehr schwach expremiert wurden. Durch verst\u00e4rkte Expression dieser Gene in einem 2 induzierbaren Vektor k\u00f6nnte ein effektiverer Umsatz von IR erfolgen. F\u00fcr die biotechnologische Umsetzung von kautschukhaltigen Rest- und Abfallstoffen wurden durch die vorher geschilderten Arbeiten wichtige Grundlagen gelegt. Sowohl von der biologisch- technischen (Stammisolation, Fermentation und Prozessoptimierung) als auch von der biologischmolekulargenetischen Seite (Genklonierung, Entwicklung genetischer Werkzeuge) konnten Erfolge erzielt werden, welche f\u00fcr die Zielsetzung des Projekts eine beachtliche Grundlage bilden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse des Projekts wurden in wissenschaftlichen Fachzeitschriften sowie auf wissenschaftlichen Tagungen und in einer Ausstellung pr\u00e4sentiert. Eine Auflistung aller Beitr\u00e4ge ist dem Bericht zu entnehmen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Verlauf des Projektes erwiesen sich die langsamen Abbauraten von Kautschuk durch Mikroorganismen als gro\u00dfes Problem und behinderten einen schnellen Fortgang der Untersuchungen. Trotzdem zeigte sich, dass die eingeschlagene Strategie und die Vorgehensweise richtig gew\u00e4hlt wurden. Es h\u00e4tte jedoch mehr Zeit zur Verf\u00fcgung stehen m\u00fcssen; dieser Zeitfaktor war untersch\u00e4tzt worden.F\u00fcr die technische Zielsetzung des Projektes sind durch die durchgef\u00fchrten Untersuchungen weitere wichtige Grundlagen gelegt worden. Dies wird auch dokumentiert durch die Publikationen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften und auf wissenschaftlichen Tagungen. Das Vorhaben wird deshalb auch \u00fcber die eigentliche, von der DBU gef\u00f6rderte Projektlaufzeit fortgef\u00fchrt werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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