key: cord-0043981-tiwjo31y authors: Reineke, Walter; Schlömann, Michael title: Biotechnologie und Umweltschutz date: 2020-05-29 journal: Umweltmikrobiologie DOI: 10.1007/978-3-662-59655-5_18 sha: 9b82bfb57d7b7fd1d96ae1049f8a8e4da752611a doc_id: 43981 cord_uid: tiwjo31y Die Belange einer umweltgemäßen Schädlingsbekämpfung führen in zunehmendem Maße zur Suche nach Mikroorganismen, die als Antagonisten gegen sogenannte Schadinsekten eingesetzt werden können oder deren Stoffwechselprodukte sich als neue Wirkstoffe eignen. 5 "Graue Biotechnologie": Zum oben aufgeführten Bereich des Umweltschutzes hat sich heute die Umweltdiagnostik gesellt. Alle Biotechnologiefelder stehen direkt oder indirekt in Beziehung zu umweltrelevanten Bereichen. Vergleicht man die Wirkungsgeschwindigkeit von Bt-Präparaten mit der anderer Insektizide, so wird deutlich, dass längere Zeitdauern notwendig sind, bevor das Bioinsektizid wirkt. Mit Hilfe der Gentechnik wurde die Fähigkeit zur δ-Endotoxinbildung auf Rhizosphärenbakterien, wie Pseudomonas fluores cens, mit dem Ziel übertragen, Erdraupen zu bekämpfen. Die aus Bacillus thuringiensis isolierten Bt-Toxin-Gene (cry) wurden auf Pflanzen übertragen. Diese produzieren nun selbst den für Fraßschädlinge giftigen Wirkstoff. Um eine gentechnisch vermittelte Insektenresistenz zu erzeugen, wurden verschiedene Varianten von Bt-Genen genutzt, bei Mais etwa cry1Ab, cry1Ac und cry9c. Diese unterscheiden sich sowohl in der Länge, als auch durch die verwendeten Promotoren. Je nach Bt-Gen-Variante differieren die transgenen Maissorten sowohl bei der Menge des Bt-Toxins als auch bei dessen Verteilung in der Pflanze. Die ersten kommerziell angebauten Bt-Maispflanzen enthielten in allen Pflanzenteilen (Pollen, Stängel, Maiskolben) hohe Bt-Toxin-Mengen, die höher als notwendig waren, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Neuere Bt-Maissorten produzieren nicht nur geringere Bt-Toxin-Mengen, sondern auch nur da, wo sie benötigt werden, das heißt im Stängel. Das wird dadurch erreicht, dass die cry-Gene mit gewebespezifischen Promotoren versehen werden, die nur in bestimmten Pflanzenteilen "anspringen". Bei Mais erscheint das Bt-Konzept besonders attraktiv, da es erstmals die Bekämpfung der Maiszünsler-Raupen in der 1. Auflösung des Kristalls im Mitteldarm der Raupe (pH > 9,5), 2. proteolytische Abspaltung des N-und C-terminalen (Green Chemistry) beziehungsweise Nachhaltigkeit in der Chemie strebt dies an. Es ist die Bezeichnung für Bestrebungen, chemische Herstellungsverfahren zu ändern oder neue zu entwickeln, um eine sichere und saubere Umwelt im 21. Jahrhundert zu gewährleisten. Wie müssen Produkte (Chemikalien) aussehen, um dies zu erfüllen? Gibt es hierfür Regeln? Oder muss bei jeder neuen Chemikalie auf Abbaubarkeit geprüft werden? Was besagt das, welches ist der Kriterienkatalog, der zu einer Einordnung führt? Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit als Herbizid gegen die amerikanische Traubenkirsche zugelassen. Die Umweltmikrobiologie ist zurzeit stark durch nachsorgende Maßnahmen, sogenannte "end of the pipe"-Aktivitäten geprägt. Ein Paradigmenwechsel zum vorsorgenden und integrierten Umweltschutz ist zu fordert. Grüne Chemie Nitroso [-N-N=O] − − Aliphatischer Alcohol [-OH] + + Aromatischer Alcohol [-OH] + + Aliphatische Säure [-C(=O)-OH] + + Aromatische Säure [-C(=O)-OH] + + Aldehyde [-CHO] + + Ester [-C(=O)-O-C] + + Amide [-C(=O)-N or -C(=S)-N] + + Triazinring (symmetrisch) + − Aliphatische Chloride [-Cl] + − Aromatische Chloride [-Cl] + − Aliphatische Bromide [-Br] + − Aromatische Bromide [-Br] + + Aromatische Iodide [-I] − − C# ============+============================================+=========+========= ------+-----+--------------------------------------------+---------+--------- TYPE | NUM | Biowin2 FRAGMENT DESCRIPTION | COEFF | VALUE ------+-----+--------------------------------------------+---------+--------- Frag | 1 |------+-----+--------------------------------------------+---------+--------- TYPE | NUM | Biowin3 FRAGMENT DESCRIPTION | COEFF | VALUE ------+-----+--------------------------------------------+---------+--------- Frag | 1 | Bei der Suche nach Antibiotika hat man sich früher Naturstoffe als Leitstrukturen angeschaut, um neue Substanzen mit bestimmter Wirkung abzuleiten. Bei der Erzeugung von Chemikalien stand einzig die technologische Eigenschaft im Vordergrund. Heute muss auch die Umwelteignung berücksichtigt werden. Also versucht man einen Kompromiss: Von der Natur abgeschaut werden Substanzen mit der gewünschten Wirksamkeit. Aber auch der Aspekt der Abbaubarkeit unter Beachtung der oben aufgeführten allgemeinen Kenntnisse wird berücksichtigt. Für Bioethanol geht man bei den effizientesten Rohstoffen von einem Umwandlungsfaktor Die Herstellungskosten werden auf etwa 60 Cent pro Liter in der Zukunft abgeschätzt. BTL-Kraftstoff hat zahlreiche Vorteile: Er kann in herkömmlichen Otto-und Dieselmotoren eingesetzt werden, ohne dass sie dazu umgerüstet werden müssen. Bei BTL-Kraftstoff geht man von einem Umwandlungsfaktor von fünf bei den effizientesten Rohstoffen aus, aus 5 kg Biomasse entsteht 1 kg BTL-Kraftstoff. Da die ganze Pflanze verwendet werden kann, ergibt sich eine bis zu drei Mal höhere Feldausbeute (Kraftstoff pro Hektar) als bei Biodiesel oder Bioethanol (. Tab. 18.9). Bei Geobacter Spezies, weiteren Metallreduzierern, wurden elektronenleitende Pili, sogenannte Nanodrähte (" Nanowires"), gefunden, die von den Bakterien produziert Welche Wirkungskategorien werden bei einer Ökobilanz berücksichtigt? Welche Form eines Biokraftstoffes lässt sich aus dem Rapskorn, welche aus der Gesamtpflanze erzeugen? Beschreiben Sie Typen der Bio-Brennstoffzellen. Welche Funktion haben Mediatoren? Was sind Nanodrähte? Informieren Sie sich in der angegebenen Literatur bezüglich Marktreife solcher Stromerzeuger Green Chemistry: Theory and Practice High photoelectrochemical activity of thylakoid-carbon nanotube composites for photosynthetic energy conversion A bioelectrochemical approach to characterize extracellular electron transfer by Synechocystis sp. PCC6803 Assembly of photo-bioelectrochemical cells using photosystem I-functionalized electrodes Cytochrome c-coupled photosystem I and photosystem II (PSI/PSII) photobioelectrochemical cells Testen Sie Ihr Wissen Welche Faktoren beeinflussen die Abbaubarkeit? Sie wollen Baculoviren gegen Schadinsekten einsetzen. Wie eng ist das zeitliche Einsatzfenster? Vergleichen Sie die verschiedenen (Bio) insektizide unter einander bezüglich Wirkgeschwindigkeit. Warum sind die sehr hohen Komplexbildungskonstanten des EDTA problematisch, wenn Sie an die Abbaubarkeit denken? Welche Sekundärmetabolite können als Bioinsektizide eingesetzt werden? Welche Meinung haben Sie zu QSAR bei der Beurteilung von Chemikalien bezüglich biologischer Abbaubarkeit? Nennen Sie bisher nicht gelöste Probleme bei der Nutzung der mathematischen Abschätzungen der Abbaubarkeit. different pathways due to different architectures Live cyanobacteria produce photocurrent and hydrogen using both the respiratory and photosynthetic systems Electricity generation from digitally printed cyanobacteria Enhanced photobioelectrochemical energy conversion by genetically engineered cyanobacteria Photocurrent generation by immobilized cyanobacteria via direct electron transport in photobioelectrochemical cells Lifetimes of photosystem I and II proteins in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 Integrated photosystem II-based photo-bioelectrochemical cells The role of hydrophobicity of Os-complex-modified polymers for photosystem 1 based photocathodes Light induced H2 evolution from a biophotocathode based on photosystem 1-Pt nanoparticles complexes integrated in solvated redox polymers films Weiterführende Literatur Evaluation of artificial intelligence based models for chemical biodegradability prediction Using BIOWIN™, bayes and batteries to predict ready biodegradability Predicting ready biodegradability of premanufacture notice chemicals Biodegradation of all stereoisomers of the EDTA substitute iminodisuccinate by Agrobacterium 2015. Photosystem I-polyaniline/TiO2 solid-state solar cells: simple devices for biohybrid solar energy conversion The Photosystem II D1-K238E mutation enhances electrical current production using cyanobacterial thylakoid membranes in a biophotoelectrochemical cell Engineering of an alternative electron transfer path in photosystem II Integrating photosystem II into a porous TiO2 nanotube network toward highly efficient photobioelectrochemical cells Photosynthetic biofilms in pure culture harness solar energy in a mediatorless bio-photovoltaic cell (BPV) system Biophotovoltaics: oxygenic photosynthetic organisms in the world of bioelectrochemical systems Hydrogen production through oxygenic photosynthesis using the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 in a biophotoelectrolysis cell (BPE) system Self-assembled photosystem-I biophotovoltaics on nanostructured TiO2 and ZnO Hybrid bio-photo-electro-chemical cells for solar water splitting Photosynthetic membranes of Synechocystis or plants convert sunlight to photocurrent through Microbial energizers: Fuel cells that keep on going Biodegradability prediction Extracellular electron transfer via microbial nanowires Biofilm and nanowire production leads to increased current in Geobacter sulfurreducens fuel cells Xenobiotics in the environment: present and future strategies to obviate the problem of biological persistence Structural requirements for anaerobic biodegradation of organic chemicals: A fragment model analysis Deletion of cytochrome c oxidase genes from the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803: Evidence for alternative respiratory pathways Natürliche Schädlingsbekämpfungsmittel Predicting ready biodegradability in the Japanese Ministry of International Trade and Industry Test Biopower generation in a microfluidic bio-solar panel Deletion of Synechocystis sp. PCC 6803 leader peptidase LepB1 affects photosynthetic complexes and respiration Chancen für Deutschland tumefaciens BY6 requires an epimerase and a stereoselective C-N lyase How Bacillus thuringiensis has evolved specific toxins to colonize the insect world Umweltmangement -Ökobilanz -Grundsätze und Rahmenbedingungen Umweltmangement -Ökobilanz -Anforderungen und Anleitungen Biodiesel -eine Betrachtung aus technischchemischer Sicht Umwelt-Mikrobiologie Mikrobiologie. 3. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag Potential role of a novel psychrotolerant member of the family Geobacteraceae, Geopsychrobacter electrodiphilus gen. nov., sp. nov., in electricity production by a marine sediment fuel cell Entlastungseffekte für die Umwelt durch Substitution konventioneller chemisch-technischer Prozesse und Produkte durch biotechnische Verfahren Biochemical fuel cells Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate Extracting hydrogen and electricity from renewable resources Microbial fuel cells: Methodology and technology Studie zu Biokraftstoffen von Festel Capital: 7 gunter. festel@festel.com Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe: 7 www.biokraftstoffe-info.de SMILES lassen sich leicht erzeugen mit Hilfe von Pub-Chem Sketcher V2 Public Information Data Biomass-to-Liquid (BTL)-Kraftstoff entsteht durch drei Verfahrensschritte: Zunächst wird Biomasse in einem Niedrigtemperaturverfahren zu Biokoks und teerhaltigem Gas mit hoher Energiedichte konvertiert. Aus diesem Ausgangsrohstoffen wird teerfreies Synthesegas (CO und H 2 ) hergestellt. In einem dritten Schritt entstehen aus dem Synthesegas nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren . Tab. 18.8 Vergleich von Energieinhalten und chemischen Eigenschaften verschiedener Treibstoffe (Li et al., 2010) . Abb. 18.20 Elektronentransport aus einer Zelle zur Anode mit einem niedermolekularen, diffusiblen Mediatormolekül. Der Organismus, hier Proteus vulgaris, ist kovalent an die Elektrode gebunden Auf der Suche nach nachhaltigen Wegen für die Energieproduktion werden immer wieder Mikroorganismen oder aus ihnen extrahierte Biomoleküle ausprobiert. Systemen der Photosynthese wurden schon häufig genutzt, um vermittels Sonnenenergie Elektronen zu transferieren (McCormick et al., 2015 , Pinhassi et al., 2016 Zhao et al., 2015; Efrati et al., 2016; Gizzie et al., 2015; Sekar et al., 2014; Sekar et al., 2016; Sawa et al., 2017) . Isolierte Photo-Systeme wurden hierzu innerhalb einer bio-photoelektrochemischen Zelle verwendet, um elektrische Energie zu produzieren (Mershin et al., 2012; Yehezkeli et al., 2012; Efrati et al., 2013; Li et al., 2016; Zhao et al., 2014) . Ein immobilisierter Mediator als exogener Elektronenakzeptor wurde dabei häufig verwendet (Zhao et al., 2015; Efrati et al., 2016; Yehezkeli et al., 2012; Zhao et al., 2014) . Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung isolierter Photosynthese Komplexe ist jedoch die relativ kurze Lebensdauer der biologischen Komponenten des Systems aufgrund von Schäden durch Radikale, die in den Reaktionszentren gebildet werden (Yao et al., 2012; McCormick et al., 2013) . Die Verwendung von lebenden Zellen könnte aufgrund der Anwesenheit von Reparatursystemen, die Proteine der photo-geschädigten Photosynthese ersetzen können, dieses Problem beheben. Das Extrahieren von Elektronen aus lebenden Organismen ist jedoch kompliziert, da exogene Elektronenträger (Mediatoren) erforderlich sind, die die Membran durchdringen können, wie Ferricyanid, Cytochrom oder 2,6-Dichloro-1,4-Benzochinon (Pinhassi et al., 2016; Sekar et al., 2014; McCormick et al., 2013; Pinhassi et al., 2015; Larom et al., 2010; Calkins et al., 2013) . Um die genannten Schwierigkeit bezüglich isolierter Systeme zu überwinden, wurden mit einer unschädlichen sanften physikalischen Behandlung cyanobakteriellen Zellen auf eine Graphitelektrode verbracht und der Lichtgesteuerte Elektronentransfer mittels eines zelleigenen endogenen Mediators zu der Elektrode in einer Biophotoelektrochemie Zelle ermöglicht (Saper et al., 2018) . Der Zusatz von exogenen Elektronendonatoren oder -akzeptoren war nicht notwendig (McCormick et al., 2011; Sekar et al., 2016; Cereda et al., 2014; Wie et al., 2016) . Der Photostrom wird dabei vom Photosystem abgeleitet. Der Strom wird schließlich für die Wasserstoffentwicklung an der Kathode bei einer Vorspannung von 0,65 V genutzt. Es wurde also ein Aufbau eines Biophotoelektrochemie-Systems mit lebenden Cyanobakterien gezeigt, bei dem ein stabiler Photostrom zur Wasserstoff-Erzeugung genutzt werden kann.