Biokraftstoffe• Geschichte:

– Nikolaus A. Otto verwendet in den 1860er Jahren Ethanol (Spiritus)  für seinen Verbrennungsmotor– Henry Ford sagt voraus dass Ethanol der Treibstoff der Zukunft sei (1920/30er Jahre)– Aufgrund von Alkoholverbot in den USA und geringer Verfügbarkeit von Ethanol wird Rohöl der 

Hauptkraftstoff  

• Heute ist Rohöl der Ausgangsstoff für:– Kunststoffe– Kerosin– Benzin (Verbrauch allein in D in 2007: 21,3 Millionen Tonnen)– Diesel (Dieselmotor 1893, Rudolf Diesel)– Heizöl

• Alternativen:– Bioethanol (Ethanol wird heute auch aus Wasser und Ethen

synthetisiert)– Biodiesel (Microdiesel)

1. Auto, mit Ottomotor betrieben (1886)

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Biokraftstoffe

Bioethanol (E100)• Populär in Südamerika• Abfälle aus Zuckerrohrverarbeitung dienen Hefen als Substrat

(alkoholische Gärung)• Brasilien bis 2005 Hauptproduzent, danach von den USA überholt mit

einer Produktion von 19 Mrd. Liter in 2007• Seit 1980er Jahren Beimischung von 5% Bioethanol zu Benzin in Europa• E10: 10% Bioethanol, 90% herkömmliches Benzin• 65% der weltweiten Ethanol‐Produktion für Kraftstoffe

Neue Verfahren:• Algenfarmen • Vorteile: keine „Verbrennung“ von Lebensmitteln, 

geringer Energieaufwand und CO2‐Verbrauch (Photosynthese)• Nachteile: aufwendige Ernte, bisher geringe Ausbeute 21

BiokraftstoffeEnergiebilanz: positv

Umweltbilanz: oft schlechter als bei fossilen Brennstoffen(bis zu 1,5 x stärkere Klimaerwärmung als Benzin)

Gründe: CO2‐ Emission bei der ProduktionFreisetzung großer Mengen Distickstoffoxids (Lachgas, N2O) bei intensiverLandwirtschaft (aus Stickstoffdüngern)

Weiteres Problem: Konkurrenz mit Nahrungsproduktion („Tortilla‐Krise“), Abholzung

Zukunft: Cellulose‐Ethanol aus anderweitig nicht‐nutzbaren Pflanzen 22

BiokraftstoffeBiodiesel• Öle (Fettsäuren/Triglyceride) aus Raps �Rapsmethylester• Abfallprodukt Glycerin• Umweltverträglich aber ethisch vertretbar?

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BiokraftstoffeMomentane Forschung:• Herstellung von Biodiesel mit Mikroorganismen (Bakterien/Hefen) (manchmal 

auch Bezeichnung als Microdiesel)• Alle großen Ölfirmen investieren darin um Alternativen zum Rohöl zu finden• Mikroorganismen produzieren Triacylglyceride (TAGs), diese werden chemisch 

verestert (Methylester) • Rhodococcus opacus akkumuliert von Natur aus bis zu 76% TAGs (Fettsäuren mit 

C13 bis C19)• Gentechnische Veränderung von Organismen um 

gezielte Fettsäuren herzustellen (z.B. nur C18)

Rhodococcus opacus: TAG‐EinschlüsseAufnahme Fluoreszenzmikroskop nach Anfärbung mit Nilrot24

Ölfressende Bakterien• Pro Jahr laufen ca. 1,3 Millionen Tonnen  Rohöl in die Weltmeere

(National Research Council, USA, 2003)

• Hauptverursacher:‐ Einleitung von Land‐ Schiffsverkehr (Unfälle machen nur geringen Teil aus)‐ Natürliche Ölquellen 

Nach Ölkatastrophen siedeln sich ölfressende Bakterien am Ölteppich an• Selbsthilfe des marinen Ökosystems (für kleine Mengen!)• Viele Bakteriengattungen:

Alcanivorax,Marinobacter, Neptunomonas,Oleiphilus, Cycloclasticus, Thalassolituus

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Ölfressende Bakterien• Vertreter der Gattung Alcanivorax sind weltweit vertreten und spielen 

wahrscheinlich eine essentielle Rolle in den ersten Schritten der natürlichen Rohöl‐Beseitigung (z.B. A. borkumensis)

• aerob, halophil (überlebt Salinität von 1‐12,5%)• Bilden um Öltropfen einen Biofilm (Bakterien benötigen O2→überfordert bei 

Ölkatastrophen)• Verschiedene Gene/Proteine die für Abbau von Ölbestandteilen verantwortlich 

sind, sind bereits identifiziert (und abbaubare Substrate)• Baut große Vielfalt an Alkanen/Alkoholen ab (C‐ und Energiequelle)

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Grüne Biotechnologie

Veränderung der Eigenschaft von Pflanzen durch Gentechnik oder SMART Breeding

SMART Breeding: „Selection with Markers and Advanced Reproductive Technologies”

Vorgehen:

Für gewünschte Genvarianten werden Marker entwickelt→ Pflanzen, bei denen die Marker binden, werden zur Zucht genutzt

Vorteil: Selektion direkt am Gen, nicht am Phänotyp

Phänotyp von vielen Faktoren beeinflusst: Umwelt, Epistatische Effekte, Dominanz‐/Co‐Dominanz etc.

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Grüne Gentechnik

Bestandteil der Grünen Biotechnologie:Erzeugt Pflanzen, deren Genom technisch verändert wurde

Entweder durch Gentransformation oder gezieltes Abschalten einzelner Gene→ gentechnisch veränderte Organismen (GVO) (englisch: GMO)

Speziell bei Gentransformation: transgene Organismen

Hauptpflanzen bislang:‐ Soja (über 70% des weltweit angebautenSoja sind GV‐Pflanzen) ‐Mais, Baumwolle, Raps‐ Zuckerrübe (nur USA, dort 95%)                    

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Grüne GentechnikGentransformation bei Pflanzen:

Meistens durch Agrobakterium tumefaciens

Überträgt natürlicherweise ein Plasmid auf Pflanzen, welches insWirtsgenom integriert wird (löst Tumorbildung und Opinproduktionaus)

Plasmid wird durch anderes Plasmid ersetzt, welches die gewünschte DNA enthält (wurde zuvor in E.coli zusammengesetzt)

Bakterien injizieren das Plasmid nur, wenn Pflanze nachVerletzung bestimmte phenolische Substanzen abgebenSubstanzen nur bei zweikeimblättrigen Pflanzen→ Methode kaum bei Einkeimblä rigen anwendbar

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Transgene Pflanzen

Anbau gentechnisch veränderter Pflanzen findet seit 1996 statt

2010: 29 Länder, 15 Mio. Landwirte10,7% der weltweiten Agrarflächen!(Argentinien: 72%, USA: 39%)= siebenfaches der gesamtendeutschen Landwirtschaftsfläche

In D: zur Zeit kein Anbau

Bis 2008 Anbau von Gv‐Mais, seit 2009 nichtmehr (Spanien: 22% der Maisanbaufläche)

87% aller angebauten Gv‐Pflanzen von Monsanto!30

Transgene PflanzenMonsanto und Roundup

Roundup: Herbizid von MonsantoWirkstoff: Glyphosat (inhibiert pflanzenspezifisches Enzymzur Herstellung von aromatischen Aminosäuren)

In verschiedenen Formulierungen auf dem Markt, u.a. mit„Netzmittel“ Tallowamin

Wirkt unspezifisch auf eine Vielzahl von Pflanzen, Einsatz als Herbizid seit 1974

Wirkt nur über Blä er, nicht über Wurzeln → Gleichzei ge Behandlung und Saat möglich

Giftwirkung auf Tiere umstritten, bislang nicht eindeutig nachgewiesen (eher Problemedurch Tallowamin)

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Transgene PflanzenMonsanto und Roundup

Seit 1990er: Vertrieb von Pflanzen, die gentechnisch gegen Roundupresistent sind (Mais, Soja, Baumwolle, Raps)Resistenzgen stammt aus Salmonellen

Vorteil: ‐ Pfluglose Landwirtschaft (weniger Erosion, Arbeitszeit, Energieverbrauch)‐ Insgesamt geringerer Herbiziteinsatz

Probleme:‐ Fortschreitende Restistenzbildung bei „Unkräutern“‐ Geschäftspraxis von Monsanto: Bauern dürfen kein Saatgut behalten,müssen immer neues Saatgut kaufen→ Abhängigkeit von Monsanto, Problem bei Ernteausfällen‐ In Mexico: Gefahr des Einkreuzens in wilde Maissorten (Anbau in Mexico verboten)‐ Pollen genmanipulierter Pflanzen in Honig: Honig muss gekennzeichnet werden

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Transgene Pflanzen

Amflora:

Wurde bis 2011 zu Versuchszwecken in D angebaut

Entwickelt von BASF Plant Science

Kartoffel, die nur eine Stärkesorte produziert:Amylopektin (keine Amylose)

Amylopektin ist stark verzweigt (Amylose linear)→ besser zur Papier‐, Textil‐ und Klebstoffherstellung geeignetEinsatz von Amflora würde viel Wasser und Energie bei Produktion sparen

Ist essbar, aber zu stark mehlig kochend

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Transgene PflanzenGoldener Reis

Reis stellt für die Hälfte der Weltbevölkerungdas Hauptnahrungsmittel dar(manche asiatische Länder: bis 80%)

Problem: Geschälter Reis enthält fast kein Carotin(Provitamin A)

Bei Mangel diverse Gesundheitsschäden250 Millionen Kinder leiden an Vitamin‐A‐Mangel, jährlich 1 Million Tote

Mögliche Abhilfe: kein polierter Reis, Anbau anderer Arten, Vitaminpräparate,„goldener Reis“

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Transgene PflanzenGoldener Reis

Seit 1992 von Ingo Potrykus (ETH Zürich) und Peter Beyer (Uni Freiburg) entwickelt→ wissenscha liche Forschung, kein kommerzielles InteresseErste Publikation 2000

In Reis wurden 2 neue Gene eingebaut (1 aus Narzisse, später Mais, das andere auseinem Bakterium), die Carotin‐Produktion im Samen bewirken→ Reis ist gelb

Da keine öffentliche Förderung: Verkauf des Patents an Firma, mit Lizenz für „humanitärenEinsatz“

Wegen komplizierten Genehmigungsverfahren noch kein Einsatz, nur Feldtests

Ziel: Saatgut an Bauern verteilen, Einkreuzen in regionale Sorten, Bauern erzeugendann eigenes Saatgut

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Transgene PflanzenBt‐Pflanzen:Häufigste Anwendung von transgenen Pflanzen (v.a. Baumwolle, Mais)

Enthalten Gene des Bacteriums Bacillus thuringiensis

B. thuringiensis hat auf Plasmiden Gene, die Proteine codieren, die für bestimmteInsektenarten tödlich sind (v.a. Käfer, Schmetterlinge, Haut‐ und Zweiflügler)

Bakterium lebt vermtl. in Symbiose mit Pflanzenwurzeln → Schutz der Pflanzen(deshalb wirken die Toxine speziell bei Pflanzenschädlingen)

Toxine bei anderen Tieren, Menschen und Pflanzen wirkungslos

Durch Bt‐Pflanzen keine Insektizide mehr notwendig!„Normale“ Baumwolle für 11% des weltweiten Insektizideinsatzes verantwortlichGiftwirkung nur auf Insekten, die an den Pflanzen fressen

Probleme: Resistenzen, Auskreuzen auf Wildrassen 36