Ekologiczne przełomy: biotechnologiczne innowacje chroniące środowisko

• Strona główna
• Artykuły
• Ekologiczne przełomy: biotechnologiczne innowacje chroniące środowisko

2025-02-17  / Autor: Katarzyna Jarmoszewicz specjalista ds. własności przemysłowej JWP Rzecznicy Patentowi

Wyzwania związane z osiągnięciem celów uzgodnionych m.in. w europejskich regulacjach dotyczących przeciwdziałaniu zmianom klimatycznym będą wymagały fundamentalnych zmian we wszystkich aspektach społeczeństwa, takich jak uprawa żywności, użytkowanie gruntów, produkcja, transport itd.

Duże nadzieje wiąże się z biotechnologią, jako zrównoważoną alternatywą dla obecnie stosowanych procesów przemysłowych. Dzięki wykorzystaniu naturalnych lub genetycznie zmodyfikowanych organizmów i ich zdolności metabolicznych otwiera się szeroki zakres zastosowań przemysłowych. Biotechnologia ma już ugruntowaną pozycję w wielu sektorach biogospodarki, w tym w rolnictwie, energetyce, materiałach i sektorze chemicznym i dostarcza produkty i procesy, które pomagają w walce z zanieczyszczeniem, zarządzaniem odpadami czy też wyczerpywaniem się zasobów naturalnych.

Więcej witamin i odporności upraw

Jako jedną z kluczowych technologii dla zrównoważonego rozwoju rolnictwa typuje się CRISPR-Cas9 – technologię edycji genetycznej. Innowacja ta zwiększa odporność upraw, umożliwiając roślinom rozwój w mniej niż idealnych warunkach, jednocześnie znacznie zmniejszając zapotrzebowanie na chemiczne pestycydy.

Dzięki precyzyjnym modyfikacjom genetycznym uprawy mogą teraz być odporne na szkodniki, choroby i ekstremalne warunki pogodowe, torując drogę dla zrównoważonych praktyk rolniczych, które chronią środowisko i zmniejszają zależność od pestycydów. Na przykład, badania nad ryżem i pszenicą prowadzone z wykorzystaniem CRISPR-Cas9 doprowadziły do wyhodowania odmian bardziej odpornych na choroby, takie jak bakteryjna zaraza czy rdza.

Dzięki temu rolnicy mogą zmniejszyć stosowanie pestycydów. Modyfikacja genów bawełny za pomocą CRISPR-Cas9 pozwoliła na zwiększenie jej odporności na atak owadów, co również przyczynia się do ograniczenia stosowania środków ochrony roślin. Technologia CRISPR-Cas9 jest wykorzystywana również do zwiększania zawartości kluczowych składników odżywczych w roślinach. Na przykład, modyfikacja genów kukurydzy lub ryżu może prowadzić do zwiększenia zawartości witamin, minerałów czy kwasów tłuszczowych.

Takie modyfikacje pomagają w walce z niedoborami żywieniowymi, szczególnie w krajach rozwijających się, gdzie dostęp do zróżnicowanej diety jest ograniczony. CRISPR-Cas9 może być również używane do zachowania i odtwarzania cennych cech genetycznych w roślinach i zwierzętach, które mogłyby zostać lub już zostały utracone w wyniku intensywnych procesów hodowlanych.

Biopaliwo z alg i glonów

Kolejnym zagadnieniem, mającym kluczowe znaczenie dla ochrony środowiska, są odnawialne źródła energii. Poszukiwanie takich źródeł energii doprowadziło do znacznego postępu w rozwoju biopaliw, w szczególności w obrębie wykorzystania do tego celu alg, glonów i innych mikroorganizmów.

Organizmy te posiadają niezwykłą zdolność do przekształcania światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla w biopaliwa, oferując zrównoważoną i przyjazną dla środowiska alternatywę dla paliw kopalnych. W szczególności biopaliwo z alg stanowi obietnicę zielonej przyszłości energetycznej, dzięki wysokiej wydajności i minimalnemu wpływowi na środowisko. Rodzaj biopaliwa otrzymanego z alg jest zależny od sposobu przekształcenia ich biomasy.

Podczas fermentacji beztlenowej biomasy powstaje biometan, z oleju pozyskanego z alg można uzyskać biodiesel, zaś bioetanol można otrzymać po scukrzeniu biomasy i jej fermentacji. Algi mogą być również przetwarzane na biogaz poprzez proces fermentacji beztlenowej. W tym procesie biomasa alg jest rozkładana przez mikroorganizmy w warunkach beztlenowych, co prowadzi do powstania metanu – głównego składnika biogazu. Biogaz może być następnie wykorzystany do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, a pozostałości po fermentacji mogą być używane jako nawóz.

Produkcja energii z alg nadal stoi jednak przed kilkoma wyzwaniami. Należą do nich wysokie koszty produkcji, konieczność optymalizacji technologii uprawy i przetwarzania oraz potrzeba dalszych badań nad poprawą wydajności i skalowalności tych procesów.

Alternatywa dla tworzyw

W obliczu narastającego problemu zanieczyszczenia tworzywami, rosnące zainteresowanie wzbudzają biodegradowalne materiały, które mogą zastąpić tradycyjne tworzywa sztuczne. Wśród takich innowacyjnych rozwiązań szczególnie interesujące są materiały wytwarzane przez bakterie.

Mikrobiologiczna produkcja tworzyw sztucznych i opakowań, które ulegają naturalnemu rozkładowi, odpowiada na globalne wyzwanie redukcji odpadów. Biodegradowalne polimery, takie jak polihydroksyalkaniany (PHA), to przykład materiałów, które mogą być produkowane przez mikroorganizmy, oferując ekologiczne alternatywy dla konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Proces produkcji PHA polega na hodowli bakterii w warunkach przemysłowych, gdzie pożywka zawiera źródło węgla, takiego jak glukoza, sacharoza czy odpady rolnicze. Po uzyskaniu odpowiedniej ilości biomasy, polimery są ekstrahowane i oczyszczane, a następnie przekształcane w gotowe produkty.

Obecnie produkcja PHA jest droższa niż produkcja tradycyjnych tworzyw sztucznych, co ogranicza ich szerokie zastosowanie. Trwają jednak badania nad optymalizacją procesów fermentacyjnych oraz wykorzystaniem tańszych surowców mogących pomóc obniżyć koszty. Potrzebne są również dalsze badania nad poprawą wydajności produkcji PHA przez bakterie oraz nad możliwością ich modyfikacji genetycznej w celu zwiększenia efektywności.

Mali sprzątacze środowiska

Kolejną technologią zdobywającą coraz większe uznanie, jako ekologiczne i efektywne rozwiązanie problemów związanych z zanieczyszczeniem środowiska, jest bioremediacja – proces wykorzystania mikroorganizmów, roślin lub enzymów do oczyszczania zanieczyszczonych środowisk, takich jak gleba, woda czy powietrze. Jednym z najbardziej zaawansowanych wynalazków w dziedzinie bioremediacji są genetycznie modyfikowane mikroorganizmy. Poprzez inżynierię genetyczną naukowcy są w stanie stworzyć mikroorganizmy, które są bardziej efektywne w rozkładaniu specyficznych zanieczyszczeń.

Przykładem może być Pseudomonas putida, bakteria modyfikowana genetycznie w celu lepszego rozkładu toksycznych związków organicznych, takich jak toluen, który jest często obecny w zanieczyszczonych wodach gruntowych. W procesie bioremediacji wykorzystuje się także całe konsorcja mikroorganizmów, które są zdolne do rozkładu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH) w glebie zanieczyszczonej ropą naftową.

Takie konsorcja mogą być hodowane w laboratorium i wprowadzane do gleby, gdzie skutecznie degradują toksyczne związki. W bioremediacji wykorzystuje się także genetycznie zmodyfikowane rośliny, jak na przykład rzodkiewnik pospolity, który został zmodyfikowany genetycznie w taki sposób, aby skuteczniej gromadzić kadm i arsen, co pozwala na oczyszczanie gleb. W miarę postępu badań i rozwoju nowych metod, bioremediacja może stać się kluczowym narzędziem w walce z zanieczyszczeniami na całym świecie, przyczyniając się do ochrony i zachowania naturalnych ekosystemów.

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 5/2024

"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

biotechnologiabadania i rozwójbiotworzywatechnologieJWP Rzecznicy Patentowipatenty