Kurs:Neuartige Verfahren zur Produktion von Pflanzenbiomasse

Im Kurs Neuartige Verfahren zur Produktion von Pflanzenbiomasse sollen Ansätze diskutiert werden, wie Pflanzen heute schon bzw. zukünftig noch effizienter und möglicherweise gerichteter produziert werden können.

Ausgangssituation

Die klassische Form landwirtschaftlicher Produktion von Pflanzenbiomasse und Pflanzenertragsprodukten ist das erdgebundene Verfahren, das heißt Samen bzw. Pflanzmaterial werden in Erde kultiviert. Die Erde dient dabei als Quelle für Wasser und Nährstoffe und dient der mechanischen Verankerung. Das für die Photosynthese benötigte Kohlendioxid stammt aus der Luft und im Feldanbau wird die nötige Lichtenergie durch das Sonnenlicht erreicht. Im Unterglasanbau von Sonderkulturen (beispielsweise in der Aufzucht von Topfpflanzen) werden künstliche Beleuchtungen in Form von Naturlichtlampen etc. bereits eingesetzt. Diese haben den Vorteil, daß bestimmte, vorteilhafte Wellenlängen des Lichtes emittiert, unvorteilhafte jedoch ausgefiltert bleiben (vgl. Photochromsystem ). Sonnenlicht kann entweder limitierend oder aufgrund zu starker Einstrahlung einschränkend auf das Pflanzenwachstum und die Produktivität der jeweiligen Kultur sein. Durch Wettereinflüsse kann es in verschiedener Weise zu Stress (z.B. Trockenstress). Durch die freie Exposition der pflanzlichen Kultur können auch Pathogene wie Bakterien, Pilze, Viren oder Oomyceten ein Problem darstellen. Gerade in Spezialkulturen, wie zum Beispiel im erwerbsmäßigen und industriellen Heilpflanzenanbau kommt es auf standartisierte Qualität der jeweiligen Pflanzen an, die durch abiotische bzw. biotische Einflüsse verändert werden kann.

Aquatische Verfahren

Algenkultur

Algen gelten in vieler Hinsicht als vielversprechende Organismen, die sich zur großtechnischen Produktion eignen. Man unterscheidet im allgemeinen zwischen ein- bis wenigzelligen Mikroalgen und vielzellen Makroalgen. Algen gelten im Vergleich zu vielen höheren Pflanzen als interessant, da ihre Wachstumsrate um ein Vielfaches höher ist als dies bei beispielsweise bei Gefäßpflanzen der Fall ist. Zwar scheinen die Algen hiermit eher den heterotrophen Bakterien oder Pilzen zu ähneln, jedoch bleibt sie weit hinter diesen zurück. Als Faustregel kann man für Algen etwa 1 g/L*Tag annehmen (Mikroalgen). Mikroalgen werden in den meisten Fällen entweder in offenen Becken (so zum Beispiel die - allerdings nicht zu den Algen, sondern den Cyanobakterien zählende s.g. Blaualge Spirulina oder in lichtdurchlässigen Fermentern (s.a. Photobioreaktor).

Weiterhin, wenn auch derzeitig für technische Applikationen untergeordneter Bedeutung sind die Makroalgen, wie z.B. Kelp. Zukünftig könnten solche Algen Bedeutung haben als Nahrungsquelle bzw. als Grundsubstanzen für Energieträger, wie Biodiesel.

Bewertung von Algenkulturen

Vorteile von Algenkulturen

• Hohe Volumenproduktivität (im Vergleich zur hohen Flächenproduktivität des Ackerbaus)
• Leichte Steuerbarkeit des Bioprozesses (Kohlendioxidkonzentration, Belichtung) bei Kultivierung von Mikroalgen.
• Nutzung von Meeresflächen bei Kultivierung von Makroalgen.
• u.U. auch Salzwasser als Substrat verwendbar ( Meeresalgen)
• Viele Mikroalgen, wie z.B. Chlorella sind hoch geeignet für Biodieselproduktion und Nahrungsmittel

Nachteile von Algenkulturen

• Hoher Platzbedarf
• Bei künstlicher Beleuchtung hoher Energieverbrauch
• zusätzliche Technik (Pumpen, Durchmischungseinheiten etc.) notwendig

Pflanzliche Zellkulturen

Besonders dort, wo in hohem Maße sterile und standartisierte Bedingungen für eine optimale und gleichbleibende Produktion notwendig sind, wie bei der vermehrung von Meristemen (s. Institut für Gartenbauwissenschaft) oder bei der Herstellung von speziellen Sekundärmetaboliten oder pflanzlichen Proteinen kann es sinnvoll sein, nicht die gesamte Pflanze, sondern einzelne Zellen der Pflanze in Kultur zu nehmen. Dies kann beispielsweise geschehen durch eine Kalluskultur. Da pflanzliche Zellkulturen in hohem Maße empfindlich gegen pathogene Beeinträchtigungen sind (vor allem als heterotrophe Kultur, da im Nährmedium z.B. Zucker sind) kommen Hygienemaßnahme hohe Bedeutung zu. Ferner müssen in den meisten Fällen den Nährmedien Pflanzenhormone zugesetzt werden, um eine Differenzierung der Zellen zu verhindern.

Auch die Fermentationstechnik ist nicht ohne Probleme; denn pflanzliche Zellkulturen sind - auch wenn es sich nicht um Protoplasten handelt - gegenüber Scherkräften sehr empfindlich.Aufgrund dessen müssen, zum Beispiel hinsichtlich der Durchmischung, in besonderer Weise Vorkehrungen getroffen werden.

Zusammenfassend kann man bei pflanzlichen Zellkulturen sagen, daß diese Form der Pflanzenproduktion in besonderer Weise geeignet ist für Pflanzen, die besondere Umgebungs- und Umweltbedingungen benötigen, die sehr langsam wachsen (durch Pflanzenhormone wie Cytokinine kann die Zellteilungs- und Wachstumsaktivität der Pflanzenzellen beeinflußt werden), deren Produktion aber auf hochpreisige Produkte zielt. Ein Beispiel für einen derartigen Fall ist die Produktion von Paclitaxel in der Pazifische Eibe. Eine technisch und wirtschaftlich rentable Produktion scheint derzeitig tatsächlich nur für die Produktion von Sekundärmetaboliten bzw. Proteinen, z.B. für Pharmazeutika gegeben zu sein. Es besteht allerdings die Möglichkeit, daß sich diese Sicht künftig ändern wird.