Nachwuchsforscher arbeiten an nachhaltigen Pflanzenschutzmitteln

Pflanzenschutzmittel sind äußerst wichtig, um die globale Ernährung zu sichern. Ohne sie besteht die weltweite Gefahr erheblicher Ernteeinbrüche, Verluste von 30 bis zu 80 % sind möglich. Diese 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 Pflanzenschutzmittel 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 Wirkstoffe in der Umwelt persistent und reichern sich in der Nahrungskette an. Diese Probleme verschärfen sich durch eine ausgeweitete Landwirtschaft, sodass 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 Pflanze produziert 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 hochwirksam.

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 2 % 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.“

Der Natur auf die Sprünge helfen

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.

Das Forschungsprojekt PyreComm wird mit rund 2,7 Millionen Euro gefördert, um ein kostengünstiges biologisches Pflanzenschutzmittel zu entwickeln. Die Forschenden gehen davon aus, dass dieses 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.

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.

Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt im Rahmen der Nationalen Bioökonomiestrategie mit rund 2,7 Millionen Euro.