Projekt 13072/01

Förderschwerpunkt Biotechnologie: ICBio: Entwicklung eines innovativen biotechnologischen Verfahrens zur stofflichen Wiederverwertung kautschukhaltiger Rest- und Abfallstoffe

Projektträger

Westfälische Wilhelms-Universität MünsterInstitut für Molekulare Mikrobiologieund Biotechnologie
Corrensstr. 3
48149 Münster
Telefon: 0251/83-39821

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Jährlich fallen enorme Mengen an Kautschukhaltigen (cis-1,4-Polyisopren) Abfällen an, von denen Altreifen den größten Anteil stellen. Einen geringeren aber dennoch beträchtlichen Anteil, macht anderes Altkautschukmaterial in Form von Laborhandschuhen und Latexmatratzen aus, welche bisher deponiert oder thermisch verwertet werden. Eine Rückführung dieser Problemabfälle in den Stoffkreislauf erscheint daher erstrebenswert. Diese könnte durch die Überführung der Materialien in reaktivere Formen geschehen oder durch die Biotransformation in interessante chemische Verbindungen für die industrielle Nutzung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMehl aus Altreifen kann nur zu einem sehr geringen Anteil für die Produktion neuer Kraftfahrzeugreifen genutzt werden, da durch den Schwefelvulkanisationsprozess bei der Herstellung die Oberfläche des Kautschuks reaktionsträge wird. Eine Desulfurikation durch Mikroorganismen erhöht die Reaktionsfähigkeit des Materials für eine erneute Vulkanisation erheblich, so dass größere Mengen des Reifenmehls recycelt werden können. 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 könnten für 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 für die Produktion hochwertiger chemischer Verbindungen möglich ist. Eine mögliche Anwendung läge in der Synthese von Polyhydroxyalkanoaten, insbesondere mit einer ungewöhnlichen Zusammensetzung von Monomeren, durch rekominante Stämme oder der Aufreinigung interessanter Intermediate des Kautschukabbaus für folgende chemische Synthesen.Die Aufgabe der HöFer Bioreact GmbH liegt in der Optimierung und Weiterentwicklung der zu benutzenden Feststofffermenter und Verfahren, während die molekularbiologischen, biochemischen und analytischen Arbeiten von der Arbeitgruppe Prof. Dr. A. Steinbüchel durchgeführt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Jährlich 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 ausführliche 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 °C haben und in Fermentationsprozessen Vorteile gegenüber mesophilen Spezies zeigen könnten. Bei diesen Bakterien konnte durch Mineralisationsexperimente ein Kautschukabbau gezeigt werden. Durch Gel-Permeationschromatographie konnte eine Spaltung des Kautschuk-Rückgrads 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 ließen sich in beiden Zwischenprodukten nachweisen, das 13 kDa Intermediat verfügte zusätzlich noch Aldehydgruppen. Untersuchungen der fermentativen Behandlung von verschiedenen Kautschukmaterialien und der Desulfurikation von Altreifengranulat wurden durchgeführt.Aus einem neu isolierten Latexklärenden Streptomyceten konnte ein Gen identifiziert und kloniert werden, welches am Kautschukabbau beteiligt ist. Die Möglichkeit des Einsatzes dieses Gens in rekombinanten Stämmen in der Feststofffermentation wird untersucht.Aus dem adhesiv wachsenden Polyisoprenabbauenden Bakterium Gordonia westfalica Kb1wurde ein 101 kbp großes Megaplasmid isoliert und charakterisiert, welches möglicherweise am Kautschukabbau beteiligt ist. Für die Gattung Gordonia konnten basierend auf dem origin of replication (oriV) des Megaplasmids Shuttlevektoren konstruiert werden, die eine genetische Bearbeitung dieser Gattung ermöglichen.Das vollständige Megaplasmid konnte nativ und rekombinant in die Stämme Gordonia polyisoprenivorans VH2 und Y2K, Mycobakterium smegmatis mc2155 und Rhodococcus opacus Km100 transferiert werden, wodurch ein Transfer in weitere nah verwandte Stämme denkbar ist. Die Expressionsanalysen von ORFs des Megaplasmids mit putativer metabolischer Funktion zeigten, dass die ORFs 42 und 6 während der Kultivierung mit IR expremiert wurden, wohingegen sie während der Kultivierung mit Komplexmedium nicht oder sehr schwach expremiert wurden. Durch verstärkte Expression dieser Gene in einem 2 induzierbaren Vektor könnte ein effektiverer Umsatz von IR erfolgen. Für 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 für die Zielsetzung des Projekts eine beachtliche Grundlage bilden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Projekts wurden in wissenschaftlichen Fachzeitschriften sowie auf wissenschaftlichen Tagungen und in einer Ausstellung präsentiert. Eine Auflistung aller Beiträge ist dem Bericht zu entnehmen.


Fazit

Im Verlauf des Projektes erwiesen sich die langsamen Abbauraten von Kautschuk durch Mikroorganismen als großes Problem und behinderten einen schnellen Fortgang der Untersuchungen. Trotzdem zeigte sich, dass die eingeschlagene Strategie und die Vorgehensweise richtig gewählt wurden. Es hätte jedoch mehr Zeit zur Verfügung stehen müssen; dieser Zeitfaktor war unterschätzt worden.Für die technische Zielsetzung des Projektes sind durch die durchgeführten 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 über die eigentliche, von der DBU geförderte Projektlaufzeit fortgeführt werden.