Während die globale Suche nach nachhaltigen Biokraftstoffen zunimmt, hat sich lignozellulosehaltige Biomasse aufgrund ihrer Fülle und Erneuerbarkeit als bevorzugter Kandidat für Biokraftstoffe und Biochemikalien herauskristallisiert. Diese aus Pflanzenmaterialien gewonnene Biomasse ist ein vielversprechender Rohstoff für die Biokraftstoffproduktion. Der zum Abbau von Lignozellulose erforderliche Vorbehandlungsprozess führt jedoch häufig zu giftigen Nebenprodukten wie ligninbasierten Phenolverbindungen und Furanylaldehyden.
Diese Nebenprodukte können die mikrobielle Fermentation, einen entscheidenden Schritt bei der Biokraftstoffproduktion, stark hemmen und dadurch die Gesamteffizienz verringern. Eine wirksame Entgiftung dieser Nebenprodukte ist unerlässlich, um den Umwandlungsprozess zu optimieren und lignozellulosehaltige Biomasse zu einer brauchbaren Alternative zu fossilen Brennstoffen zu machen.
Um das Problem der Toxizität von Nebenprodukten zu lösen, führten Forscher der Nanjing Tech University in China eine Studie durch, die sich auf das Potenzial zweier mikrobieller Stämme konzentrierte – Rhodococcus aetherivorans Stamm N1 und seine genetisch veränderte Variante, Stamm N1-S.
Die Studie war veröffentlicht In BioDesign Forschung am 15. August 2024 und untersucht die Fähigkeit dieser Stämme, die in Lignocellulose-Derivaten enthaltenen schädlichen Verbindungen zu entgiften und ihre anschließende Auswirkung auf die Produktion von Bernsteinsäure, einem wertvollen Biokraftstoffvorläufer. Durch die Bewertung ihrer Entgiftungsfähigkeit zielt die Studie darauf ab, die derzeitigen Einschränkungen der Entgiftungsmethoden zu überwinden und die Effizienz der Biokraftstoffproduktion zu verbessern.
Die Studie verwendete einen vielschichtigen Ansatz, der Laborexperimente zur Prüfung der Abbaufähigkeit der Stämme N1 und N1-S umfasste. Stamm N1 wird auf seine Fähigkeit hin untersucht, eine Reihe toxischer Verbindungen unter kontrollierten Bedingungen abzubauen. Die an diesen Abbauprozessen beteiligten Stoffwechselwege werden kartiert, um zu verstehen, wie diese Mikroorganismen mit verschiedenen Nebenprodukten umgehen.
Darüber hinaus wird der Stamm N1-S untersucht, ein gentechnisch veränderter Stamm, der speziell den Abbau von Syringaldehyd verbessert – einer anspruchsvollen Verbindung, die vom natürlich vorkommenden Stamm N1 schlecht verarbeitet wird. Beide Stämme werden mit Maiskolbenderivaten getestet, die durch Vorbehandlung mit verdünnter Säure gewonnen wurden, und simulieren so ein reales Szenario der Verarbeitung von lignozellulosehaltiger Biomasse.
Professor Wenming Zhang, der leitende Autor dieser Studie, sagt: „Die Ergebnisse zeigten, dass der Stamm N1 starke Abbaufähigkeiten aufwies und mehrere wichtige ligninhaltige Verbindungen – nämlich p-Hydroxybenzoat, p-Cumarat, Ferulat und Furfural – innerhalb von 24 Stunden effektiv abbaute. Vanillin, Coniferylalkohol, Syringaldehyd und 5-Hydroxymethylfurfural wurden ebenfalls teilweise abgebaut, wobei die Abbauraten zwischen 59 % und 84 % lagen.“ Trotz seiner allgemeinen Wirksamkeit ist die Fähigkeit des Stamms N1, Sinapat abzubauen, begrenzt.
„Im Gegensatz dazu zeigte der gentechnisch veränderte Stamm N1-S eine deutlich verbesserte Fähigkeit, Syringaldehyd und seine Nebenprodukte abzubauen, und überwand damit effektiv die Einschränkungen des natürlich vorkommenden Stammes“, ergänzt Prof. Zhang und erläutert weiter. Diese Verbesserung unterstreicht das Potenzial der Stammtechnik, um spezifische Entgiftungsprobleme bei der Verarbeitung von lignozellulosehaltiger Biomasse zu lösen.
Diese Erkenntnisse sind entscheidend, um die Enzymhemmung durch die Ansammlung von Spritzen zu mildern, eine häufige Herausforderung bei der Verarbeitung von lignozellulosehaltiger Biomasse. Die Entgiftungseffizienz des Stammes N1-S wurde weiter hervorgehoben, als er in einem Maiskolbenderivat toxische Phenolverbindungen und Furanylaldehyde erfolgreich um 50 bis 80 % reduzierte. Dieses entgiftete Derivat wird dann als Substrat für die Bernsteinsäureproduktion durch E. coli suc260 verwendet und liefert 35,3 g/l Bernsteinsäure, was 6,5-mal mehr ist als die Ausbeute, die mit dem nicht entgifteten Derivat erzielt wird.
Die beeindruckenden Abbaufähigkeiten des Stammes N1 und die verbesserte Leistung des Stammes N1-S unterstreichen ihr praktisches Potenzial bei der Produktion von Biokraftstoffen. Der Erfolg des Stammes N1-S bei der Entgiftung von Lignocellulose-Derivaten und der deutlichen Steigerung der Bernsteinsäureproduktion verdeutlicht seine wertvolle Rolle bei der Weiterentwicklung von Biokraftstofftechnologien. Durch die Verbesserung der Effizienz der Entgiftung und die Erhöhung der Ausbeute an Biokraftstoffvorläufern stellt der Stamm N1-S einen wesentlichen Fortschritt gegenüber herkömmlichen Methoden dar.
„Unsere Forschung unterstreicht das Potenzial für eine Skalierung des Stammes N1-S für industrielle Anwendungen und bietet einen effizienteren und kostengünstigeren Ansatz für die Biomasseverarbeitung. Die verbesserten Abbaufähigkeiten des Stammes N1-S könnten zu erheblichen Verbesserungen der Biomasseverarbeitungstechnologien führen und sie für Anwendungen im großen Maßstab rentabler machen“, erklärt Professor Fengxue Xin.
Diese Erkenntnisse bergen das Potenzial, die Technologien für erneuerbare Energien zu verändern, ihre Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen biotechnologischen Prozessen zu erweitern und zur Entwicklung nachhaltiger Energielösungen beizutragen.
Zusammenfassend zeigt diese Studie die Wirksamkeit des R. aetherivorans-Stamms N1 und seiner gentechnisch veränderten Variante N1-S bei der Bewältigung großer Herausforderungen bei der Verarbeitung von Lignocellulose-Biomasse. Darüber hinaus ist der Stamm N1-S in der Lage, eine breite Palette toxischer Verbindungen abzubauen und die Bernsteinsäureproduktion deutlich zu steigern, was ihn zu einem Schlüsselinstrument für die Weiterentwicklung nachhaltiger Biokraftstofftechnologien macht.
Die Erkenntnisse aus dieser Forschung können den Weg für künftige Untersuchungen zur Optimierung mikrobieller Stämme für die Nutzung von Lignozellulose ebnen und möglicherweise zu effizienteren und kostengünstigeren Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen führen.
Weitere Informationen:
Wankui Jiang et al., Biodetoxifizierung von Lignocellulosehydrolysat zur direkten Verwendung in der Bernsteinsäureproduktion, BioDesign Forschung (2024). DOI: 10.34133/bdr.0044