Mehr umweltschonende Pestizide – das wäre ein Gamechanger für die Landwirtschaft und die Erzeugung von Lebensmitteln. Forscher an der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf wollen ein günstiges, wettbewerbsfähiges Bio-Pestizid entwickeln.
Weltweit werden Pestizide in der Landwirtschaft eingesetzt, um Ernteerträge zu sichern. Ohne sie geht es zwar nicht, aber ihr flächendeckender Einsatz bringt Probleme mit sich. Vor allem, wenn voraussichtlich die Weltbevölkerung bis 2050 auf neun Milliarden Menschen anwachsen wird. Zweifelsohne liegen die Vorteile von Pestiziden in der Landwirtschaft auf der Hand. Doch wenn man ihren übermäßigen Einsatz und das daraus resultierende Risiko für Verschmutzung bedenkt, müsste man dahin kommen, das bestehende System zu ändern. Häufig verwendete synthetische Pestizide sind bekanntlich schwer abbaubar und neigen dazu, sich in der Nahrungskette anzureichern. Schon jetzt ist die globale Situation alarmierend: Mehr als 64 Prozent der landwirtschaftlichen Flächen sind von der Verschmutzung durch Pestizide bedroht – noch stärker betroffen sind Entwicklungsländer. Wenn sich die Landwirtschaft weltweit weiter ausweitet, könnte sich dieses Problem sogar verschärfen.
2,7 Millionen Förderung vom Bundesministerium
In Anbetracht der Ernährungssicherung von immer mehr auf der Erde lebenden Menschen prognostizierte der aktuelle Marktbericht zu Pestiziden und Agrarchemikalien, dass der Umsatz mit Pestiziden von 113 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 auf 170 Milliarden im Jahr 2030 anwachsen wird. Und es wurde eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 8,6 Prozent vorhergesagt. Biopestizide, die aus natürlichen Stoffen, Mikroorganismen und Botenstoffen bestehen, spielen derzeit eine marginale Rolle: Ihr Anteil beträgt gerade mal zwei Prozent am Gesamtvolumen aller Pestizide. Daher wird in jüngster Zeit an der Entwicklung von sicheren, ökologisch nachhaltigen Pestizid-Alternativen geforscht. Eine Nachwuchsforschungsgruppe an der Heinrich-Heine-Universität (HHU) Düsseldorf hat vor Kurzem das Projekt „PyreComm“ gestartet. Offensichtlich hat auch die Bundesregierung erkannt, dass es sinnvoll ist, neue, umwelt- und gesundheitsschonende Pestizide zu entwickeln. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert „PyreComm“ mit rund 2,7 Millionen Euro, um ein kostengünstiges Biopestizid zu entwickeln (siehe Infokasten). Im Projektnamen stecken die Anfangsbuchstaben zweier Wörter: „Pyrethrin“ und das englische Wort für „Gemeinschaft“ (Community). Pyrethrine nehmen gewissermaßen eine Schlüsselrolle innerhalb des Forschungsprojekts ein, denn es ist der Wirkstoff, den natürlicherweise die Dalmatinische Insektenblume (Tanacetum cinerariifolium) produziert.
Ein kurzer Rückblick macht deutlich, dass bereits seit Jahrhunderten das Wissen um die Insektizid-Wirkung dieser Pflanze bekannt ist. Pyrethrine werden seit dem 17. Jahrhundert verwendet, da sie für Säugetiere nur in geringem Maß toxisch sind. Hauptsächlich werden Pyrethrine als Insektizide in der Landwirtschaft eingesetzt, ihre insektiziden Eigenschaften sind jedoch auch für andere Zwecke nützlich, beispielsweise als Mückenschutzmittel und zur Bekämpfung anderer Schädlinge. Rein chemisch handelt es sich um eine Gruppe von sechs Molekülen. Von Vorteil ist, dass sie schnell abgebaut werden. Aus diesem Grund reichern sie sich nicht in der Umwelt an. Trotzdem wird derzeit auf die weniger umweltfreundlichen synthetischen Pestizide gesetzt, da die Herstellung von Pyrethrin auf pflanzlicher Basis wesentlich teurer ist. Lediglich ein bis zwei Prozent der Trockenmasse der Blüten von Tanacetum cinerariifolium enthalten Pyrethrine. Um einen ertragreichen Anbau in großem Stil zu betreiben, müsste in sonnige Klimazonen ausgewichen werden. Allerdings könnte ein solcher Anbau nicht im globalen Wettbewerb mit synthetischen Pestiziden mithalten. Daher braucht es mehr denn je den Einsatz wirtschaftlich wettbewerbsfähiger, nachhaltiger Pestizide, durch die eine wachsende Weltbevölkerung künftig ernährt werden kann.
Ob in Zukunft solche Biopestizide in Deutschland hergestellt werden, ist jedoch offen. Aber immerhin nähren Projekte wie „PyreComm“ die Hoffnung, dass dies irgendwann so weit sein könnte. „Das übergeordnete Ziel unseres Projekts ist es, die Pyrethrin-Moleküle mithilfe einer symbiotischen mikrobiellen Gemeinschaft zu produzieren. Im Gegensatz zum traditionellen biotechnologischen Ansatz, bei dem ein einzelner Organismus so verändert wird, dass er alle Aufgaben erfüllt, werden wir mehrere Organismen so verändern, dass sie zusammenarbeiten, um die Pyrethrine zu produzieren“, sagt Dr. St. Elmo Wilken, Leiter der Nachwuchsgruppe, der am Institut für Quantitative und Theoretische Biologie der HHU arbeitet.
Herstellungsprozess ist chemische Umwandlung
Mit der Anwendung von Bioengineering gehen allerdings Vor- und Nachteile einher. Dafür spricht, dass es einfacher ist, ein System zu entwickeln, wenn man nur mit einem Organismus arbeitet, der dazu bewegt werden soll, bestimmte Dinge zu tun. Allerdings gibt es da ein Problem: Je stärker dieser Weg verfolgt wird, desto mehr schadet man im Grunde dem Organismus und verlangsamt sein Wachstum. „Er mag das nicht, er möchte sich von dem, was wir versuchen, wegentwickeln. Eine Idee ist daher, tatsächlich das zu tun, was die Natur macht. Das heißt: In der Natur muss in der Regel eine chemische Umwandlung stattfinden“, sagt St. Elmo Wilken. Im Darm des Menschen zum Beispiel übernimmt nicht ein einziger Mikroorganismus alle Aufgaben, sondern mehrere, von denen jeder einzelne einen kleinen Teil der Aufgaben übernimmt. Die Idee der Nachwuchsforschergruppe ist also, sich von diesem Bioprozess inspirieren zu lassen und Pyrethrinverbindungen unter mikrobiellen Bedingungen herzustellen, um mit chemischen Syntheseverfahren konkurrieren zu können.
Nun zum eigentlichen Ziel der jungen Forschungsgruppe: Um die mikrobielle Produktion im Bioreaktor zu versorgen, verwendet sie in der Landwirtschaft anfallende Abfallprodukte, wie etwa Maisstroh. „Wir möchten also nach der Maisernte jene Teile, die nicht essbar sind, in einen Bioreaktor zu den Bakterien geben, die wir zuvor so manipuliert haben, dass sie Pyrethrinmoleküle produzieren“, sagt der Chemieingenieur. Der Herstellungsprozess selbst fußt auf einer chemischen Umwandlungsreaktion, die mit Glucose, also Zucker, in Gang gesetzt wird. „Das Pflanzenmaterial, das uns als Ausgangsmaterial dient, enthält tatsächlich viel Zucker. Wir verwenden diesen Zucker dafür, unsere Mikroben zu füttern. Diese nehmen den Zucker auf und wandeln ihn einzeln in jedes dieser Vorläufermoleküle um“, beschreibt der Forscher. Alkoholmoleküle, sogenannte Rethrolone, werden beispielsweise mit einer Terpenoid-Säure kombiniert. Dieser Part, in dem sich Alkohole und Säure miteinander verbinden, beschreibt einen halbsynthetischen Prozess, weil Biologie mit etwas Chemie kombiniert wird. Wenn diese Vorläufermoleküle miteinander verbunden werden, entstehen Pyrethrine. Alles in allem lassen sich so über das Kombinieren von Alkoholen und Terpenoiden sechs Pyrethrinmoleküle herstellen. „Wir stellen alle Vorläufer her und verbinden diese in einer Kondensationsreaktion miteinander. Nur der letzte Schritt ist also ein chemischer“, erklärt St. Elmo Wilken. In dieser Reaktion verbinden sich zwei Moleküle zu einem größeren – in unserem Fall ein Pyrethrin – wobei ein Molekül einer chemisch einfachen Substanz, zum Beispiel Wasser, abgespalten wird. Die Gruppe um St. Elmo Wilken will schließlich zu einem Niveau gelangen, in dem fünf Bio-Reaktoren im Labormaßstab jeweils eine Pyrethrinverbindung herstellen: Pyrethrolone, Jasmolone, Cinerolone sowie Chrysanthemen- und Pyrethrinsäure. „Wir trennen schließlich die Moleküle voneinander und verbinden sie dann in einem separaten Reaktor erneut miteinander, wodurch die Bio-Pestizide entstehen.“ Der Chemieingenieur erklärt das Ziel dieses Vorgangs so: Um die metabolische Belastung für die Mikroben zu verringern, werden die Rethrolone und Monoterpenoidsäuren separat hergestellt. Denn einen Organismus derart zu verändern, dass er eine nicht-native Substanz produziert, mindert in der Regel die Lebensfähigkeit der Mikroben. Das wiederum reduziert die Ausbeute und beeinträchtigt die Wettbewerbsfähigkeit des Bioprozesses. „Unser Ziel ist es, den Stoffwechselweg aufzuteilen, um den Prozess effizienter zu gestalten. Glücklicherweise ist der Stoffwechselweg sehr modular aufgebaut, und die einzelnen Vorläufer, zum Beispiel ein Rethrolon und ein Monoterpenoid, lassen sich leicht miteinander verbinden“, sagt St. Elmo Wilken.
Moleküle erst trennen, dann verbinden
Zwar steht das auf fünf Jahre angelegte „PyreComm“-Projekt im Moment ganz am Anfang und stellt bisher überwiegend Grundlagenforschung dar. „Wir hoffen, dass wir in vier Jahren einen Testreaktor für den ganzen Herstellungsprozess entwickelt haben“, sagt St. Elmo Wilken. Damit will die Nachwuchsgruppe um St. Elmo Wilken die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens demonstrieren. „Ein Bioprozess verhält sich anders, sobald man ihn von Millilitern über Liter auf Kiloliter Volumen skaliert. Wir sind daran interessiert, unser Verfahren so zu gestalten, dass es robust gegenüber Herausforderungen im Zuge der Skalierung ist“, sagt er. Die Nachwuchsforscher gehen davon aus, dass dieses Pestizid vor dem Hintergrund der europäischen „Farm-to-Fork“-Strategie gute Chancen hat, schnell zugelassen zu werden. Mit der sollen in der EU Lebensmittel gesünder und nachhaltiger werden. Sollten sich die Erwartungen des Forscherteams in der Realität bestätigen, könnte das den Standort Deutschland zur Drehscheibe für innovative Biotechnologie befördern.