Biotechnologische Verwertung lignolytischer Industrieabfälle zur Isolierung phenolischer Substanzen

Abstract

Industrielle Abfälle können gravierende Auswirkungen auf die Umwelt haben. Diese belasten Boden, Wasser sowie Luft und beeinflussen maßgeblich die Biodiversität, die Gesundheit der Menschen sowie den Klimawandel. Aufgrund der Anzahl unterschiedlicher Industrieabfälle, wie z.B. Gase (CO2, N2), Schwermetalle, mineralische Abfälle, beispielsweise Staub oder Asche, aber auch organische Reststoffe, wie z.B. Lignin, gibt es bislang nicht für alle Industrieabfälle ausreichende Recycling- bzw. Verwertungsmöglichkeiten. Mit dem European Green Deal 2019 hat sich die EU verpflichtet bis 2050 klimaneutral zu werden. Um dies zu erreichen, muss die Entwicklung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft und damit einhergehende Recyclingstrategien weiter gefördert werden. Im besonderen Fokus steht dabei lignolytischer Industrieabfall. Lignin entsteht jährlich in der Papier- und Zellstoffindustrie in großen Mengen von ca. 70 – 100 Mio. Tonnen als Nebenprodukt, wovon derzeit nur ca. 2 % recycelt werden. Der überwiegende Teil wird zur Energiegewinnung verbrannt. Da es sich um einen stetig nachwachsenden Rohstoff mit aromatischer Grundstruktur handelt und dieser aufgrund seiner Komplexität und Stabilität industriell vielfältig einsetzbar ist, besteht besonderes Interesse daran weitere Modifikations- bzw. Degradationsmöglichkeiten für industrielle Ligninabfälle zu finden. In besonderem Fokus stehen dabei filamentöse Pilze, darunter vor allem Basidiomyceten, da diese eine Vielzahl an Lignin-degradierenden Enzymen, wie z.B. Laccasen und Peroxidasen produzieren, weshalb diese bei der Verwertung lignolytischer Industrieabfälle ebenfalls von Bedeutung sein können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 180 verschieden filamentöse Pilze in zwei verschiedenen industriellen Ligninabfällen kultiviert und das daraus resultierende Kulturfiltrat extrahiert und im Anschluss mittels HPLC analysiert. Anhand des umfassenden Screening-Verfahrens konnten 50 verschiedene Pilzstämme identifiziert werden, welche in den lignolytischen Industrieabfällen, Magnesium-Lignosulfonat und Kraftlignin, überlebten und eine Degradation dieser aufwiesen. Da neben der Degradation auch die Aktivität der Lignin-degradierenden Enzyme im Fokus stand, wurden sowohl qualitative wie auch quantitative Enzymtests durchgeführt. Im Zuge dieser Arbeit konnte jedoch kein Lignin-degradierendes Enzym erfolgreich isoliert werden, sodass die Priorität auf der Isolierung und Strukturaufklärung potenziell neuer phenolischer Substanzen, welche, während der Lignindegradation entstehen, lag. Insgesamt konnten sechs verschiedene Pilzstämme, darunter drei Basidiomyceten und drei Ascomyceten identifiziert werden, welche konstant die lignolytischen Industrieabfälle degradieren konnten und wobei potenziell 11 neue phenolische Substanzen im Kulturfiltrat detektiert wurden. Insgesamt konnten 8 der isolierten Substanzen erfolgreich mittels NMR-Analyse identifiziert werden. Agrocybe pediades produzierte die zwei Harzsäure-Derivate 15-hydroxy-7-oxo-Dehydroabietinsäure und 16-hydroxy-7-oxo-Dehydroabietinsäure, welche erstmals durch Kultivierung eines filamentösen Pilzes in industriellem Ligninabfall detektiert werden konnten. Die Substanz 16-hydroxy-7-oxo-Dehydroabietinsäure wurde zudem zuvor noch nicht in der Literatur beschrieben. Anhand durchgeführter Toxizitäts-Assays konnte außerdem gezeigt werden, dass beide Substanzen weniger toxisch sind als die Ausgangssubstanzen Abietin- bzw. Dehydroabietinsäure, wodurch diese zukünftig z.B. in der Pharmazie sowie in der Kosmetikbranche verstärkt einsetzbar wären. Alternaria alstroemeriae produzierte das Lignan-Derivat Detetrahydroconidendrin, welches bioaktiv gegenüber Bacillus brevis ist. Bei der Kultivierung von Coniolariella hispanica konnte das Indol-Derivat Methylindol-3-Carboxylat sowie die Isocumarin-Derivate 8,9-Dehydroxylaron und 5-Carboxymellein isoliert werden. Ein weiteres Harzsäure-Derivat, 7-oxo-Dehydroabietinsäure, wurde von Chaetomium leptoderma produziert und wies zudem ebenfalls eine inhibitorische Aktivität gegenüber Bacillus brevis auf. Die zwei Basidiomyceten Pleurotus pulmonarius und Pleurotus ostreatus produzierten Anisaldehyd. Die vorliegende Arbeit beweist, dass filamentöse Pilze bei der biotechnologischen Verwertung von industriellem Ligninabfall erfolgreich eingesetzt werden können. Zudem konnte sowohl die Biotransformation von potenziell bioaktiven Lignin- und Harzsäure-Derivaten sowie die Sekretion verschiedener Sekundärmetabolite nachgewiesen werden, welche potenziell zukünftig in der Industrie Anwendung finden könnten.