Miscanthus: nachhaltige Energiequelle auf Grenzertragsflächen

Bemerkenswerte photosynthetische Fähigkeit. Einige Gräser sind nachhaltige Energiequellen, die laut neuer Forschung auch unter rauen Wachstumsbedingungen helfen könnten, Netto-Null-CO₂-Emissionen zu erreichen.

Die Gattung der Miscanthus-Gräser, die üblicherweise verwendet wird, um Gestaltung und Struktur in Gärten zu bringen, könnte schnell zur ersten Wahl für die Biokraftstoffproduktion werden. Eine Untersuchung des Earlham-Instituts Norwich (“‘Physiological and transcriptional response to drought stress among bioenergy grass Miscanthus species’ in Biotechnology for Biofuels“) zeigt, dass diese Gräser auch aufgrund ihrer bemerkenswerten photosynthetischen Fähigkeit bei niedrigen Temperaturen auch unter schlechteren landwirtschaftlichen Bedingungen – wie z.B. auf Grenzertragsflächen – angebaut werden können.

Miscanthus ist ein vielversprechender Biokraftstoff dank seines hohen Biomasseertrags und seines geringen Bedarfs an Input, was bedeutet, dass es sich an eine Vielzahl von Klimazonen und Landtypen anpassen kann. Er gilt als rentable kommerzielle Option für Landwirte, aber die Erträge können durch unzureichende oder übermäßige Wasserversorgung, wie z. B. zunehmende Überschwemmungen im Winter oder Hitzewellen im Sommer, bedroht werden.

Da nur sehr wenig über die Produktivität von Miscanthus in überfluteten und feuchtigkeitsgesättigten Böden bekannt ist, wollten Forscher des Earlham Institute die Unterschiede in der Wasserstresstoleranz zwischen den Miscanthus-Arten verstehen, um die genomgestützte Pflanzenzüchtung zu unterstützen.

Das Forscherteam – zusammen mit Mitarbeitern von TEAGASC, der Behörde für Landwirtschaft und Lebensmittelentwicklung in der Republik Irland, und dem Institut für Biologie, Umwelt und ländliche Wissenschaften in Wales – analysierte verschiedene Miscanthus-Genotypen, um Merkmale zu identifizieren, die Aufschluss über die Genanpassung und -regulation bei Wasserstress geben.

Sie fanden spezifische Gene, die eine Schlüsselrolle bei der Reaktion auf Wasserstress bei verschiedenen Miscanthus-Arten spielen, und sahen Übereinstimmungen mit funktionellen biologischen Prozessen, die bei anderen Organismen während des Überlebens bei Trockenstress kritisch sind.

Jose De Vega, Autor der Studie und Leiter der Forschungsgruppe am Earlham Institute, sagte: “Miscanthus ist aufgrund seiner hohen Biomasseproduktivität, seiner Widerstandsfähigkeit und seiner Fähigkeit, die Photosynthese während der Wintermonate fortzusetzen, eine kommerzielle Nutzpflanze. Diese Eigenschaften machen ihn zu einem besonders guten Kandidaten für den Anbau auf Grenzertragsflächen in Großbritannien, wo die Erträge ansonsten durch sengende Sommer und nasse Winter eingeschränkt werden könnten.”

Zuvor hatte ein zehnjähriger Versuch in Europa gezeigt, dass Miscanthus bis zu 40 Tonnen Trockenmasse pro Hektar und Jahr produziert. Dies wurde nach nur zwei Jahren der Etablierung erreicht, was beweist, dass seine Biokraftstoffkapazität bei der Ethanolproduktion pro Hektar effizienter ist als Switchgrass und Mais.

Miscanthus-Arten werden in Japan, Korea und China seit Jahrtausenden als Futterpflanzen verwendet und werden aufgrund ihres hohen Biomasseertrags und ihres hohen Gehalts an Lignozellulose (Pflanzentrockenmasse) kommerziell als Rohstoff für die Bioenergieproduktion genutzt.

Lignozellulose-Biomasse reichlichst verfügbarer Rohstoff für Bioethanol-Produktion

Lignozellulose-Biomasse ist der am reichlichsten verfügbare Rohstoff auf der Erde für die Produktion von Biokraftstoffen, hauptsächlich zur Herstellung von Bioethanol. Die hohe Biomassefähigkeit von Miscanthus macht das Gras zu einem wertvollen Rohstoff für Landwirte auf marginalem Land, aber die Reaktionen der Pflanze auf Wasserstress variieren je nach Herkunft der Miscanthus-Art.

Die Wissenschaftler verglichen die physiologischen und molekularen Reaktionen zwischen den Miscanthus-Arten sowohl unter wasserüberfluteten als auch unter Trockenheitsbedingungen. Die induzierten physiologischen Bedingungen wurden für eine eingehende Analyse der molekularen Basis von Wasserstress bei Miscanthus-Arten genutzt.

Unter Trockenheitsbedingungen wurde bei allen vier Miscanthus-Arten ein signifikanter Biomasseverlust beobachtet. Unter überfluteten Bedingungen war der Biomasseertrag bei allen Arten gleich gut oder besser als unter kontrollierten Bedingungen. Die geringe Anzahl differenziell exprimierter Gene und der höhere Biomasse-Ertrag unter überfluteten Bedingungen unterstützten den Einsatz von Miscanthus in überschwemmungsgefährdeten Grenzertragsflächen.

“Die globale Herausforderung, die ständig wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, wird noch verschärft, wenn Nahrungspflanzen als Rohstoff für die Produktion von grüner Energie verwendet werden”, sagte De Vega. “Erfolgreiche Pflanzenzüchtung für die Ethanol- und Chemieproduktion erfordert die Fähigkeit, auf marginalen Böden zu wachsen, neben der Priorisierung der Attribute: nicht nahrungsbezogen, mehrjährig, hoher Biomasseertrag, geringer chemischer und mechanischer Einsatz, verbesserte Wassernutzungseffizienz und hohe Kohlenstoffspeicherfähigkeit. Miscanthus erfüllt diese Eigenschaften für eine verbesserte Züchtung – das spart Geld und Platz für die Landwirte und hilft unserer übermäßig verschmutzten Umwelt durch die Emission von CO₂.

“Das Forschungsteam befindet sich in einem frühen Selektionsprozess von Genotypen mit hoher Biomasse aus großen Miscanthus-Populationen, die besser an die Bedingungen in Großbritannien angepasst sind und wenig Input benötigen. Der Einsatz genomischer Ansätze ermöglicht es uns, die Eigenschaften besser zu verstehen, die einige Miscanthus-Arten zu einer kommerziell nachhaltigen Alternative für Grenzertragsflächen machen, und dies in der landwirtschaftlichen Praxis anzuwenden.”

Felix Creutzig vom Berliner MCC gießt Wasser in den Wein: In seinem Artikel “Klima-Plantagen machen die Welt nicht nachhaltiger” zeigt er am 15.02.2021 in Global Change Biology Bioenergy die Grenzen der Miscanthus-Begeisterung auf (siehe solarify.eu/biosprit-von-unrentablen-aeckern).

Quellen:

• earlham.ac.uk/biofuel-could-help-us-achieve-net-zero
• Wiss.Veröffentlichung: Jose J. De Vega, Abel Teshome, Manfred Klaas, Jim Grant, John Finnan & Susanne Barth: “Physiological and transcriptional response to drought stress among bioenergy grass Miscanthus species”, in: Biotechnology for Biofuels – biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-021-01915-z
• Creutzig, F., Erb, K., Haberl, H., Hof, C., Hunsberger, C., Roe, S., 2021, Considering sustainability thresholds for BECCS in IPCC and biodiversity assessments, Global Change Biology Bioenergy, in: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcbb.12798
• solarify.eu/biosprit-von-unrentablen-aeckern

Quelle

Der Bericht wurde von der Redaktion „SOLARIFY“ 2021 verfasst!