Nachhaltige Pestizide für die Landwirtschaft
Nachwuchsgruppe in der Quantitativen Biologie der HHU
Eine Nachwuchsgruppe an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU)
wird in den kommenden fünf Jahren erforschen, wie Bakterien auf
biotechnologischem Weg ein ökologisch verträgliches Pestizid erzeugen
können.
Der Wirkstoff stammt dabei ursprünglich aus einer Pflanze, der
Dalmatinischen Insektenblume. Das Bundesministerium für Forschung,
Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt im Rahmen der
Nationalen Bioökonomiestrategie mit rund 2,7 Millionen Euro.
Pestizide sind äußerst wichtig, um die globale Ernährung zu sichern. Ohne
sie besteht die weltweite Gefahr erheblicher Ernteeinbrüche, Verluste von
30 bis zu 80 Prozent sind möglich. Dies Problematik wird noch drängender
angesichts der Tatsache, dass bis zum Jahr 2050 die Weltbevölkerung auf
voraussichtlich neun Milliarden Menschen anwachsen wird – die alle ernährt
werden müssen.
Obwohl Pestiziden für die moderne Landwirtschaft notwendig sind, stehen
sie unter anderem wegen ihrer Umweltfolgen in der Kritik: Viele schädigen
unter anderem auch Nutzinsekten wie Bienen. Darüber hinaus sind häufig
verwendete synthetische Pestizide in der Umwelt persistent und reichern
sich in der Nahrungskette an. Diese Probleme verschärfen sich durch eine
ausgeweitete Landwirtschaft, so dass dringender Bedarf an sichereren,
ökologisch nachhaltigen Alternativen besteht.
An einer davon arbeitet die Nachwuchsgruppe von Dr. St. Elmo Wilken am
Institut für Quantitative und Theoretische Biologie der HHU. Seine
Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Dalmatinische Insektenblume
(Tanacetum cinerariifolium), auch „Insektenpulverkraut“ genannt. Die Blume
produziert natürliche Biopestizide, sogenannte Pyrethrine, die bereits
seit dem 17. Jahrhundert verwendet werden. Sie weisen für Säugetiere nur
eine geringe Toxizität auf, zersetzen sich schnell in der Umwelt und sind
gegen Schadinsekten hoch wirksam.
Dr. Wilken: „Trotz dieser Vorteile werden derzeit weniger
umweltfreundliche synthetische Analoga bevorzugt, da die Herstellung von
Pyrethrin auf pflanzlicher Basis wesentlich teurer ist. Denn
typischerweise enthalten nur ein bis zwei Prozent der Blüten-Trockenmasse
von T. cinerariifolium die wertvollen Pyrethrine. Für einen breiten
landwirtschaftlichen Einsatz wären große Anbauflächen in sonnigen
Klimazonen erforderlich, was wirtschaftlich nicht mit der synthetischen
Produktion konkurrieren kann.“
Die nun vom BMFTR an der HHU geförderte Nachwuchsforschungsgruppe
„PyreComm” arbeitet daran, einen skalierbaren, halbsynthetischen und
nachhaltigen Bioprozess zu entwickeln, um Pyrethrinverbindungen
herzustellen. Die Forschenden wollen dazu ein biotechnologisches Verfahren
nutzen, in dem Bakterien der Art Vibrio natriegens so programmiert werden,
dass sie die Verbindungen herstellen.
„Wir teilen den Biosyntheseweg von Pyrethrin aber auf mehrere Mitglieder
einer bakteriellen Gemeinschaft auf. Dadurch wird für die einzelnen
Bakterien die Belastung eines vollständigen Produktionsprozesses in einer
Zelle verringert, was den Gesamtprozess effizienter macht. Die
wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des mikrobiellen Prozesses kann so
potenziell erhöht werden“, betont Wilken.
Mithilfe moderner Stoffwechselmodellierung in Verbindung mit neuster
Messtechnik sollen die Gemeinschaften so gestaltet werden, dass sie eine
maximale Effizienz erzielen. Die Gemeinschaften werden in Bioreaktoren
mithilfe eines Substrats auf Holzbasis kultiviert. Wilken: „So schließen
wir den Kreislauf zwischen Landwirtschaft und Biopestizidproduktion.“
Das Forschungsprojekt PyreComm wird mit rund 2,7 Millionen Euro gefördert,
um ein kostengünstiges Biopestizid zu entwickeln. Die Forschenden gehen
davon aus, dass dieses Pestizid im Rahmen der europäischen „Farm-to-
Fork“-Strategie – mit der die EU Lebensmittel gesünder und nachhaltiger
machen will – gute Chancen hat, schnell zugelassen zu werden.
Wilken: „Letztendlich wird PyreComm dazu beitragen, die Werkzeuge zu
erweitern, mit denen Bioingenieure skalierbare, wirtschaftlich rentable
Bioprozesse entwerfen und aufbauen können. Konkret wird unser Projekt
einen Anteil daran haben, durch synthetische Pestizide verursachte
ökologische Schäden zu reduzieren.“
BMFTR-Förderung im Rahmen der Nationalen Bioökonomiestrategie
Mit der 2020 verkündeten Nationalen Bioökonomiestrategie verfolgt die
Bundesregierung den Wandel von einer weitgehend auf fossilen Rohstoffen
basierenden Wirtschaft zu einer stärker auf erneuerbaren Ressourcen
beruhenden, rohstoffeffizienteren und kreislauforientierten Wirtschaft.
Die Leitlinien und Ziele der Bioökonomiestrategie orientieren sich an den
Zielen für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs)
der Agenda 2030 der Vereinten Nationen. Die Bioökonomie spielt für die
SDGs eine herausgehobene Rolle.
Ziel der Förderinitiative „Kreativer Nachwuchs forscht für die
Bioökonomie“, durch die auch das Projekt von Dr. Wilken an der HHU
finanziert wird, ist es, mithilfe des wissenschaftlichen Nachwuchses
neuartige Anwendungsfelder und innovative Anwendungen für die Bioökonomie
aufzuzeigen, in denen der Nachhaltigkeitsgedanke von Beginn an stringent
mitgedacht wird. Es sollen Synergien zwischen dem wissenschaftlichen
Nachwuchs und etablierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern
erzeugt werden, um die Nachwuchsgruppen bei organisatorischen und
thematischen Herausforderungen zu unterstützen.
