Mikroalgen

Im Innovationsfeld Immobilisierung von Wirkstoffen und Mikroorganismen zur Biofunktionalisierung von Materialoberflächen sowie biotechnologischen Nutzung spielen – neben Bakterien und Pilzen – Mikroalgen einen zentralen Forschungsschwerpunkt in unserer Arbeitsgruppe GMBU „Funktionale Schichten“. Im Gegensatz zu den Makroalgen (z.B. Seetang) sind Mikroalgen mikroskopisch klein und meist einzellig. Sie kommen in einer Vielzahl von Formen vor. Wie Pflanzen, sind Algen und Cyanobakterien in der Lage mithilfe der Photosynthese Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln. Diese einzigartige Fähigkeit ermöglicht es ihnen, Biomasse aus Kohlendioxid und Wasser aufzubauen. Bei der Produktion von Sauerstoff spielen sie eine entscheidende Rolle. Im Vergleich zu höheren Pflanzen können Algen das Sonnenlicht effizienter nutzen, was ihre Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter Pharma-, Nahrungsmittel-, Futtermittel- und Kosmetikindustrie, besonders attraktiv macht.

Hier sind einige Aspekte, wie Mikroalgen genutzt werden können:

• Biokraftstoffe: Mikroalgen können als Rohstoff für die Produktion von Biokraftstoffen dienen. Durch die Extraktion von Öl aus Mikroalgen kann Biodiesel oder Biokerosin hergestellt werden.
• Ernährung: Mikroalgen sind reich an Nährstoffen und Proteinen. Einige Arten von Mikroalgen werden als Nahrungsergänzungsmittel oder in der Lebensmittelproduktion verwendet, um beispielsweise Proteingehalte in verschiedenen Produkten zu erhöhen.
• Tierfutter: Mikroalgen werden in der Aquakultur als Nahrungsergänzung für Fisch- und Tierfutter eingesetzt.
• Umweltreinigung: Mikroalgen haben die Fähigkeit, Schadstoffe aus Wasser zu absorbieren und können daher in Kläranlagen oder bei der Reinigung von industriellen Abwässern eingesetzt werden.
• Kohlendioxidentnahme: Mikroalgen können Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen und dabei Sauerstoff produzieren. Dieser Prozess kann zur Reduzierung von Treibhausgasen beitragen und zur Raumluftreinigung genutzt werden.
• Pharmazeutische Anwendungen: Mikroalgen produzieren verschiedene bioaktive Verbindungen, die in der pharmazeutischen Industrie für die Herstellung von Medikamenten und medizinischen Produkten genutzt werden können.
• Bioplastik: Mikroalgen produzieren Kohlenhydrate wie Stärke und Zucker, die als Rohstoffe für die Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen (Bioplastik) dienen können.
• Biosensor/Toxizitätstests: Mikroalgen reagieren auf Giftstoffe und Umweltverschmutzungen empfindlich. Durch die Überwachung der Veränderungen in ihrem Wachstum, ihrer Photosyntheseleistung und Fluoreszenz können sie als Biosensoren für die Detektion von Toxizität in Gewässern und Umweltproben dienen.

In aktuellen sowie vergangenen Forschungsprojekten haben wir insbesondere die biotechnologische Anwendung von Mikroalgen unter den folgenden Themenschwerpunkten erforscht:

• Immobilisierung & Kultivierung von Mikroalgen zur Gewinnung von Wertstoffen (bspw. Astaxanthin, mehrfach ungesättigte Fettsäuren) und Biotreibstoff
• Extraktion von bioaktiven Stoffen
• Untersuchung der Wachstumsförderung von Mikroalgen-Bakterien-Interaktionen
• Biofunktionalisierung von Materialoberflächen (z.B. Textilien)
• Immobilisierung von Mikroalgen für Biosensoranwendungen

Beispielprojekte:

Projekt „Tex-As“

Zielstellung des Projektes war die Entwicklung eines durchströmbaren, textilbasierten Photobioreaktors. Dieser soll in Aquakulturanlagen integriert werden, um überschüssige Nährstoffe wie Nitrat und Phosphat aus Futtermittelresten und Tierausscheidungen zu entfernen. Die gewonnene Algen-Biomasse kann bestimmten Tierarten wie Garnelen direkt als Lebendfutter dienen. Als Modellorganismus diente die Mikroalge Chlorella vulgaris, da diese sehr rubust ist und eine schnelle Wachstumsrate aufweist. Mit Hilfe des Sol-Gel Verfahrens wurde die Mikroalge erfolgreich auf textilen Trägern immobilisiert. Weitere Infos zum Projekt hier: Projekt „Tex-As“.

Biosensoranwendung & Toxizitätstests

Chlorophyll, das natürliche Pigment in Pflanzen und Algen, dient nicht nur der Photosynthese, sondern findet auch Anwendung als Biosensor zur Detektion von Schadstoffen. Durch die Messung der Abnahme der Fluoreszenz von Chlorophyll in Gegenwart eines Schadstoffes kann die Belastung der Umgebung mit diesem Schadstoff quantifiziert werden. In vergangenen Forschungsarbeiten haben wir Mikroalgen in kleinen Alginat-Spots immobilisiert und mit aminofunktionalisierten SiO₂-Solen stabilisiert und diese für Toxizitätstests eingesetzt und die Abnahme der Fluoreszenz bestimmt.

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ANSPRECHPARTNER:
Dr. Ulrich Soltmann
Fachsektion Dresden – „Funktionelle Schichten“
Tel.: 0351 / 2695 343
E-Mail: soltmann@gmbu.de