Nachhaltige Pestizide für die Landwirtschaft
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Eine Nachwuchsgruppe der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) wird in den nächsten fünf Jahren erforschen, wie sich mit Hilfe von Bakterien ein umweltfreundliches Pestizid herstellen lässt. Der Wirkstoff stammt aus einer Pflanze, der Dalmatinischen Chrysantheme. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt im Rahmen der Nationalen Strategie zur Bioökonomie mit rund 2,7 Millionen Euro.
Pestizide sind von entscheidender Bedeutung für die weltweite Ernährungssicherheit. Ohne sie besteht die Gefahr, dass die Ernteerträge weltweit erheblich sinken - Verluste von 30 bis 80 % sind möglich. Dieses Problem wird umso dringlicher, als die Weltbevölkerung bis zum Jahr 2050 voraussichtlich auf neun Milliarden Menschen anwachsen wird, die alle ernährt werden müssen.
Obwohl Pestizide für die moderne Landwirtschaft unverzichtbar sind, wächst die Besorgnis über ihre Auswirkungen auf die Umwelt, denn viele von ihnen sind schädlich für nützliche Insekten, einschließlich Bienen. Darüber hinaus sind die häufig verwendeten synthetischen Pestizide umweltbeständig und akkumulieren sich in der Nahrungskette. Die Ausweitung der Landwirtschaft wird diese Probleme noch verschärfen, so dass es dringend notwendig ist, sicherere, ökologisch nachhaltige Alternativen zu finden.
Die Nachwuchsforschergruppe von Dr. St. Elmo Wilken am Institut für Quantitative und Theoretische Biologie der HHU arbeitet an einer solchen Alternative. Seine Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Dalmatinische Chrysantheme (Tanacetum cinerariifolium), auch bekannt als Dalmatinischer Pyrethrum. Die Blume produziert natürliche Biopestizide, sogenannte Pyrethrine, die bereits seit dem 17. Jahrhundert verwendet werden. Sie zeichnen sich durch eine geringe Toxizität für Säugetiere, eine schnelle Zersetzung in der Umwelt und eine hohe Wirksamkeit gegen Schadinsekten aus.
Dr. Wilken: "Trotz dieser Vorteile werden derzeit die weniger umweltfreundlichen synthetischen Analoga bevorzugt, da die pflanzliche Produktion von Pyrethrin deutlich teurer ist. Typischerweise enthalten die Blüten von T. cinerariifolium nur etwa 1 - 2 % ihrer Trockenmasse an wertvollen Pyrethrinen. Eine flächendeckende landwirtschaftliche Nutzung würde daher einen großflächigen Anbau in sonnigen Klimazonen erfordern - eine Methode, die mit der synthetischen Produktion kostenmäßig nicht konkurrieren kann."
Die vom BMFTR geförderte Nachwuchsgruppe "PyreComm" an der HHU arbeitet an der Entwicklung eines skalierbaren, halbsynthetischen und nachhaltigen Bioprozesses zur Herstellung von Pyrethrinverbindungen. Die Forscher wollen ein biotechnologisches Verfahren nutzen, bei dem Vibrio natriegens-Bakterien auf die Herstellung der Verbindungen programmiert werden.
"Wir beabsichtigen jedoch, den Biosyntheseweg von Pyrethrin auf mehrere Mitglieder einer Bakteriengemeinschaft zu verteilen. Dadurch wird die metabolische Belastung durch die Expression des gesamten Produktionsprozesses in einer Zelle verringert, was den Gesamtprozess effizienter macht und möglicherweise die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des Bioprozesses erhöht", sagt Wilken.
Mit Hilfe fortschrittlicher Stoffwechselmodelle in Kombination mit modernster Messtechnik wollen wir die Gemeinschaften so gestalten, dass sie die Effizienz maximieren. Die Gemeinschaften werden in Bioreaktoren unter Verwendung eines holzbasierten Ausgangsmaterials kultiviert. Wilken: "So können wir den Kreislauf zwischen Landwirtschaft und Biopestizidproduktion schließen."
Das Forschungsprojekt PyreComm wird mit rund 2,7 Millionen Euro gefördert, um ein kostengünstiges Biopestizid zu entwickeln. Die Forscher erwarten, dass dieses Pestizid gute Chancen hat, im Rahmen der EU-Strategie "Farm to Fork", die Lebensmittel gesünder und nachhaltiger machen soll, schnell zugelassen zu werden.
Wilken: "Letztendlich wird PyreComm dazu beitragen, die Werkzeuge zu erweitern, die den Bioingenieuren zur Verfügung stehen, um skalierbare, wirtschaftlich tragfähige Bioprozesse zu entwerfen und zu bauen. Konkret wird unser Projekt dazu beitragen, die durch synthetische Pestizide verursachten ökologischen Schäden zu verringern.
Anpflanzungen der Dalmatinischen Chrysantheme (Tanacetum cinerariifolium) in Ruanda in Afrika.
Copyright: Martha Maria Carolina Wilken
BMFTR-Förderung im Rahmen der Nationalen Bioökonomie-Strategie
Mit der für 2020 angekündigten Nationalen Bioökonomie-Strategie strebt die Bundesregierung den Übergang von einer weitgehend auf fossilen Rohstoffen basierenden Wirtschaft zu einer Kreislaufwirtschaft an, die stärker auf nachwachsenden Rohstoffen basiert und Rohstoffe effizienter nutzt. Die Leitlinien und Ziele der Bioökonomie-Strategie orientieren sich an den Sustainable Development Goals (SDGs) der Agenda 2030 der Vereinten Nationen. Die Bioökonomie spielt eine Schlüsselrolle bei den SDGs.
Ziel der Förderinitiative "Kreativer Nachwuchs für die Bioökonomie", die auch das von Dr. Wilken an der HHU geleitete Projekt finanziert, ist es, junge Forscherinnen und Forscher in die Identifizierung neuartiger Anwendungsfelder und innovativer Anwendungen für die Bioökonomie einzubinden, bei denen der Nachhaltigkeitsgedanke von Anfang an umfassend berücksichtigt wird. Es sollen Synergien zwischen jungen und etablierten Forschern entstehen, um die Nachwuchsgruppen bei organisatorischen und thematischen Herausforderungen zu unterstützen.
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