Neuer Photobioreaktortyp eröffnet Zugang zu terrestrischen Cyanobakterien

  • Abb. 1a: Lichtmikroskopische Aufnahme von zwei typischen Vertretern terrestrischer Cyanobakterien Scytonema crassum. Abb. 1a: Lichtmikroskopische Aufnahme von zwei typischen Vertretern terrestrischer Cyanobakterien Scytonema crassum.
  • Abb. 1a: Lichtmikroskopische Aufnahme von zwei typischen Vertretern terrestrischer Cyanobakterien Scytonema crassum.
  • Abb. 1b: Lichtmikroskopische Aufnahme von zwei typischen Vertretern terrestrischer Cyanobakterien Stigonema ocellatum
  • Abb.2: Darstellung des entwickelten Photobioreaktor-Prototyps für die nährstoffarme Kultivierung terrestrischer Cyanobakterien.

Terrestrische Cyanobakterien weisen ein interessantes Produktspektrum auf, das jedoch mit der etablierten Kultivierungstechnik nicht verfügbar ist. Um einen effizienten Zugang zum Stoffwechselspektrum der Cyanobakterien zu etablieren, wird derzeit ein neuartiger Photobioreaktor entwickelt, der eine adhärente Kultivierung der Organismen auf Glasoberflächen ermöglicht.

Terrestrische Cyanobakterien und Mikroalgen zeichnen sich durch ein sehr interessantes biotechnologisches Produktspektrum und ihre breite physiologische Plastizität gegenüber verschiedenen Kultivierungsbedingungen, wie Licht, Temperatur und Wasserverfügbarkeit, aus. Darüber hinaus ist diese Gruppe von Organismen, die in der Lage ist, alle luftexponierten Oberflächen zu besiedeln, austrocknungstolerant.

Allerdings ist der Zugang zu den entsprechenden Metaboliten aufgrund des emersen Wachstums nur eingeschränkt möglich. Dies ist insbesondere auch der Tatsache geschuldet, dass die gegenwärtig verfügbare Kultivierungstechnik fast ausschließlich auf die Fermentation submers wachsender, aquatischer Mikroorganismen ausgerichtet ist.

Zielsetzung

Um diese Gruppe von Mikroorganismen für technische Prozesse verfügbar zu machen, wird momentan an der TU Kaiserslautern gemeinsam vom Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik und der Abteilung Pflanzenökologie und Systematik im Rahmen eines DFG-Vorhabens ein neuartiges Photobioreaktorsystem entwickelt, welches die nährstoffarme Kultivierung filamentös wachsender terrestrischer Cyanobakterien ermöglichen soll (vgl. Abb. 1 und Abb. 2). Die Mikroorganismen wachsen dabei im Reaktor auf aufgerauten Glasstäben bzw. Lichtwellenleitern, welche zum einen der Anheftung der Zellen dienen und zum anderen für die Lichtversorgung der Cyanobakterien genutzt werden.

Die Versorgung der Zellen mit der C- und N-Quelle erfolgt über die Gasphase (CO2, N2), Spurenelemente werden als Aerosol dem Fermentationsraum zugeführt, womit eine simultane Versorgung der Zellen mit Wasser erzielt werden kann. Die Cyanobakterien zeigen dabei ein radiales Wachstum zur Lichtquelle während die älteren Zellen distal verdrängt werden und sich in der Trockenphase vom Glasträger ablösen.

Diese abgelösten Zellen können nachfolgend für die Extraktion von Wertstoffen genutzt werden.

Eine Analytik der Stoffwechselaktivität der nährstoffarm kultivierten Cyanobakterien erfolgt über ein bildgebendes Fluorometer (I-PAM, Walz GmbH, Effeltrich), womit eine nicht-invasive optische Messmethode für die Prozessüberwachung zur Verfügung steht. Zielprodukte sind derzeit Carotinoide und das biologisch aktive UV-Schutz-Pigment Scytonemin. Denkbar ist auch eine Übertragung und Anwendung dieser Technik zur Produktion von Lebensmittel- und Futtermittelzusatzstoffen mit Hilfe von Mikroorganismen terrestrischer Herkunft. Das Projekt wird unter UL 170/7-1 und LA 1426/9-1 von der DFG gefördert.

 

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