Mikroskopisch klein und faszinierend facettenreich – Was Mikroorganismen mit einer nachhaltigeren Zukunft zu tun haben


Florentin J. Schmidt / Dienstag, Juli 21st, 2020

Sie sind mikroskopisch klein und besitzen einzigartige Fähigkeiten. Die Rede ist von Kleinstlebewesen, den sogenannten Mikroorganismen oder Mikroben. Sie existieren in großer Vielfalt auf der Erde und übernehmen entscheidende Aufgaben in Ökosystemen und natürlichen Stoffkreisläufen. Der Mensch hat ihr beachtliches Potential längst erkannt. In der Biotechnologie bietet die Nutzung von Mikroben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und kann einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der ökologischen Nachhaltigkeit industrieller Prozesse leisten. Doch was genau ist unter diesen Kleinstlebewesen zu verstehen? Warum leisten sie einen so erstaunlich großen Beitrag für Mensch und Gesellschaft? Und birgt die Biotechnologie ausschließlich Vorteile oder lohnt es sich ebenfalls, einen kritischen Blick auf sie zu werfen?

Mikroorganismen sind weit verbreitete und vielseitig begabte Kleinstlebewesen

Allgemein versteht man unter Mikroorganismen solche Lebewesen, die mit bloßem Auge nicht zu sehen sind, deren Durchmesser also weniger als etwa 0,1 Millimeter beträgt. Zu diesen Lebensformen zählen unter anderem Bakterien, Hefepilze und einzellige Algen. Mikroben besiedeln nahezu jeden Winkel unseres Planeten und leben dabei in der Regel in komplexen Gemeinschaften, den sogenannten Mikrobiomen. Viele Mikroorganismen sind wahre Überlebenskünstler, die sich im Laufe der Evolution an extreme Umweltverhältnisse angepasst haben. So sind einige sogar in der Tiefsee oder der Wüste  beheimatet. Salzliebende Bakterien leben an Orten mit hoher Salzkonzentration, wie dem Toten Meer, während man hitzebeständige Urbakterien (die so genannten Archaeen) in vulkanischen Quellen antreffen kann. Selbst in und auf unserem Körper siedeln eine Vielzahl von Mikroorganismen, ohne die der Mensch nicht lebensfähig wäre.

Um in ihrem jeweiligen Lebensraum zu bestehen, erbringen Mikroben physiologische Höchstleistungen und sind in der Lage, verschiedenste Nahrungsquellen zu nutzen. Einige von ihnen sind dabei nicht einmal auf die Verfügbarkeit von Biomasse angewiesen. So betreiben Algen und die so genannten Cyanobakterien Photosynthese  und wandeln auf diese Weise Licht in biochemisch nutzbare Energie in Form von Zuckern um. Andere Bakterien haben sich darauf spezialisiert, rein mineralische Verbindungen zu verwerten, zu denen zum Beispiel Schwefelwasserstoff zählt. Neben ihrer einfallsreichen Ernährungsweise verschaffen sich viele Mikroorganismen durch eigens erzeugte chemische Substanzen individuelle Überlebensvorteile. Sie können beispielsweise Antibiotika herstellen und setzen diese ein, um das Wachstum von anderen Bakterien zu verhindern, die ihnen die Nahrung streitig machen.

Mikrobielle Biotechnologie hat eine lange Tradition

Ihre Vielseitigkeit verdeutlicht, welches erstaunlich Nutzungspotential von Mikroorganismen für den Menschen ausgeht. Bislang wurde allerdings nur ein Bruchteil der schier unendlich großen Vielfalt von Mikroorganismen und ihrer jeweiligen Fähigkeiten ausführlich erforscht. Einige Mikroben und ihre positiven Eigenschaften machten sich Menschen jedoch schon vor vielen Jahrhunderten unbewusst zu Nutze. Frühgeschichtliche Anwendungen, die bis heute Bestand haben, sind zum Beispiel die Herstellung von Brot oder die Erzeugung haltbarer Getränke wie Wein und Bier (Ulber und Soyez, 2004). In den genannten Fällen ernähren sich Mikroorganismen (insbesondere Hefepilze) von den im Teig oder der Maische vorhandenen Zuckern und wandeln diese in Alkohol und gasförmiges Kohlenstoffdioxid um. Diese Stoffe haben Lebensmittel-konservierende Eigenschaften und sorgen beim Brotbacken zusätzlich für die gewünschte Konsistenz des Teiges. Mit dem wissenschaftlichen Fortschritt hat auch die technische Nutzung von Mikroben, die sogenannte mikrobielle Biotechnologie, deutlich zugenommen und ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Ein wichtiges Beispiel sind unsere Kläranlagen, deren wasserreinigende Wirkung zum größten Teil auf der Aktivität von Mikroorganismen beruht. Durch moderne Labormethoden ist es heute immer besser möglich, Mikroorganismen mit den gesuchten Eigenschaften aus der Umwelt zu isolieren, ihre (Stoffwechsel-)Fähigkeiten zu erforschen und für die jeweilige Anwendung nutzbar zu machen. Verfahren der mikrobiellen Biotechnologie finden sich in vielen Wirtschaftsbereichen einschließlich der Lebensmittelproduktion, der Herstellung von Arzneimitteln, sowie der Erzeugung bio-basierter Chemikalien (Soetaert und Vandamme, 2006).

Mikrobielle Biotechnologie gilt als Baustein des bioökonomischen Wandels

In Zeiten von Klimawandel und zunehmender Verknappung von Rohstoffen stellen sich WissenschaftlerInnen nun die Frage, ob Verfahren der mikrobiellen Biotechnologie zu einer nachhaltigeren und umweltschonenderen Wirtschaftsweise beitragen können. Im ersten Beitrag unserer kleinen Themenreihe zur Bioökonomie haben wir bereits erklärt, dass diese Frage aktuell heiß diskutiert wird und viele Personen die Biotechnologie als wichtigen Baustein eines gesellschaftlichen Wandels hin zu mehr ökologischer Nachhaltigkeit ansehen. Die umweltschonende Wirtschaft, die durch Einsatz von Biotechnologie ermöglicht werden soll, wird in dieser Diskussion als Bioökonomie beschrieben und orientiert sich an den Prinzipien natürlicher Stoffkreisläufe. Fossile Ressourcen sollen hierbei in Zukunft weitestmöglich durch erneuerbare Energiequellen und nachwachsende Rohstoffe ersetzt werden. Langfristige Vision ist es, dass auf diese Weise die Umwelt geschont und Lebensgrundlagen sowie der gesellschaftliche Wohlstand für zukünftige Generationen sichergestellt werden. Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, bietet die (mikrobielle) Biotechnologie innovative Lösungsansätze. Mit Hilfe von Mikroorganismen könnte aus unserem „haushaltsüblichen“ Biomüll zum Beispiel Biogas hergestellt werden, und damit eine Form der Energie, die kein Erdöl oder andere endliche Rohstoffe benötigt. Weiterhin könnten prinzipiell viele bedeutende, heute hauptsächlich synthetisch aus Erdöl hergestellte Chemikalien wie der Aromastoff Vanillin verstärkt durch Mikroben erzeugt werden (Ciriminna et al., 2019). In Kläranlagen könnten spezialisierte Mikroorganismen wiederum dabei helfen Arzneimittelrückstände im städtischen Abwasser abzubauen, deren Freisetzung ein Problem für Umwelt darstellt. Mikrobielle Verfahren tragen in diesen Beispielen zur Nachhaltigkeit bei, indem sie die Einsparung endlicher Rohstoffe ermöglichen, zum Schutz der Umwelt vor Schadstoffen beitragen und die Verfügbarkeit von sauberem Wasser fördern.

Mikrobielle Biotechnologie = grundsätzlich ökologisch-nachhaltig?

Die Vorteile mikrobieller Biotechnologie auf dem Weg zu einer ökologisch-nachhaltigeren Wirtschaftsweise erscheinen auf den ersten Blick also eindeutig zu sein. Trotzdem sollte auch im Falle biotechnologischer Verfahren nicht auf eine kritische Analyse ihrer Ökobilanz und ihrer gesellschaftlichen Akzeptanz verzichtet werden, um ihr tatsächliches Nachhaltigkeitspotential möglichst objektiv beurteilen zu können. Biotechnologische Verfahren sind im direkten Vergleich zu etablierten Prozessen der chemischen Industrie zwar häufig umweltfreundlicher, weil sie sich unter anderem prinzipiell leichter in Prozesse der Kreislaufwirtschaft integrieren lassen. Allgemein gültig ist diese Einschätzung jedoch nicht. Darüber hinaus geht es bei der Verwirklichung von Nachhaltigkeit nicht ausschließlich um Ökobilanzen und Umweltschutz, sondern beispielsweise ebenfalls um gute Arbeitsbedingungen und gerechte Handelsbeziehungen. Diese und viele weitere Aspekte einer nachhaltigen Wirtschaftsweise müssen hier mitgedacht und in die Beurteilung biotechnologischer Verfahren miteinbezogen werden. Des Weiteren wird die Anwendung von Biotechnologie nicht zuletzt aufgrund des verbreiteten Einsatzes von Gentechnik von einigen gesellschaftlichen Akteuren und BürgerInnen durchaus kritisch gesehen. Im Rahmen der mikrobiellen Biotechnologie bieten gentechnische Methoden die Möglichkeit Bakterien und Hefepilze zu „optimieren“ und Eigenschaften verschiedener Organismen zu kombinieren, um die gewünschten (Stoffwechsel-)Fähigkeiten zu erzielen. Im Vergleich zu deutlich größeren Lebewesen wie Pflanzen birgt der Einsatz gentechnisch-veränderter Mikroben jedoch den Vorteil, dass diese in der Regel in geschlossenen Behältnissen – sogenannten Bioreaktoren – kultivierbar sind, was das Risiko einer unbeabsichtigten Freisetzung in die Umwelt minimiert.

Sicherlich ist die mikrobielle Biotechnologie nicht der alleinige Schlüssel zur ökologisch-nachhaltigeren Gestaltung unseres Alltags. Fest steht jedoch, dass die Nutzung von Mikroben unter den richtigen Bedingungen ein Teil der Lösung komplexer Fragestellungen sein kann, auf die andere Technologien heute und in Zukunft womöglich keine passende Antwort liefern. Die Frage, an welchen Stellen und in welchem Umfang wir in Zukunft auf die facettenreichen Fähigkeiten von Mikroorganismen zurückgreifen wollen, sollte aber nicht abseits der Öffentlichkeit von wenigen Fachleuten entschieden werden. Vielmehr sollten ExpertInnen aus Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Zivilgesellschaft gemeinsam mit BürgerInnen in einen weitreichenden Dialog treten, um gemeinsam alle Aspekte dieser Frage zu diskutieren und den gesellschaftlichen Nutzen von Biotechnologie und Bioökonomie langfristig zu sichern.

Literatur:

Ciriminna, R., Fidalgo, A., Meneguzzo, F., Parrino, F., Ilharco, L. M., und Pagliaro, M. (2009) „Vanillin: The case for greener production driven by sustainability megatrend.ChemistryOpen, 8(6), 660.

Ulber, R., und Soyez, K. (2004) „5000 Jahre Biotechnologie: Vom Wein zum Penicillin.“ Chemie in unserer Zeit 38.3: 172-180.

Soetaert, W., und Vandamme, E. (2006) „The impact of industrial biotechnology.Biotechnology Journal: Healthcare Nutrition Technology 1.7‐8: 756-769.

Mehr zum Thema:

Weitere Informationen zum Thema Bioökonomie und Biotechnologie finden sich unter bioökonomie.de, einer Website als Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Zu dem Autor: Der Autor dieses Blogbeitrags, Dr. Florentin J. Schmidt, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie (IMMB) der WWU Münster. Der Beitrag ist der zweite in einer Reihe von Artikeln, die im Rahmen des Projektes BIOCIVIS verfasst werden. Das Projekt wird unter der Leitung von Prof‘in Doris Fuchs (Politikwissenschaft) und Prof. Bodo Philipp (Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie) an der Universität Münster durchgeführt. Es kreist um die Frage, wie Beteiligung zu Bioökonomie-Themen so gestaltet werden kann, dass ein gleichberechtigter Dialog zwischen BürgerInnen und anderen AkteurInnen gelingt. Das Projekt BIOCIVIS wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 031B0780 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieses Artikels liegt beim Autor.

Nachweis Titelbild: © Yannick Teschke (WWU Münster)