Die Textilindustrie produziert täglich enorme Mengen an Kleidung aus den verschiedensten Materialien und in den unterschiedlichsten Farben. Dabei kommen Rohstoffe zum Einsatz, die wenig nachhaltig, oft umwelt- und gesundheitsschädlich oder sogar giftig sind. „Die Industrie verlässt sich zum Färben auf erdölbasierte synthetische Fasern und Chemikalien, zu denen Karzinogene, Schwermetalle und endokrine Disruptoren gehören“, erklärt Seniorautor San Yup Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). „Diese Prozesse erzeugen viele Treibhausgase, verschlechtern die Wasserqualität und verschmutzen den Boden.“ Zudem greifen die freigesetzten Schadstoffe in den Stoffwechsel von Pflanzen, Tieren und Menschen ein.
Forschende suchen daher seit Längerem nach „grünen“ Alternativen für die Textilherstellung. Erdölbasierte Fasern wie Polyester und Nylon lassen sich beispielsweise durch bakterielle Zellulose ersetzen. Diese nachhaltigen, meist weißen Fasern werden von genetisch optimierten Mikroben per Fermentation produziert und eignen sich gut als Ersatzrohstoff, wie mehrere Tests der letzten Jahre belegen. Eine Herausforderung war es jedoch bisher, die Färbeprozesse in der Textilindustrie umweltfreundlicher zu gestalten und auch Biozellulose zu färben.
Farbige Zellulosefasern aus einem „Topf“
Ein Team um Lee und Erstautor Hengrui Zhou vom KAIST hat nun einen neue Technik entwickelt, um Textilfasern mit natürlichen Pigmenten zu färben. Dafür züchteten sie sowohl Bakterien der Art Komagataeibacter xylinus, die über ihren Stoffwechsel Zellulosefäden in großen Mengen spinnen, als auch Escherichia coli-Bakterien, die reichlich natürliche Farbstoffe produzieren. Letztere können je nach eingeschleuster Genvariante unterschiedliche Farbmoleküle herstellen: Violaceine, die kühle Farben von grün bis violett darstellen, und Carotinoide, die warme Farben von rot bis gelb erzeugen. Das Besondere an dem Ansatz von Zhou und seinen Kollegen: Sie versuchten, beide Bakterienarten gleichzeitig zu kultivieren und so parallel Fasersynthese und Färbung zu ermöglichen. „Zuerst ist unser Züchtungsversuch komplett gescheitert. Entweder war die Zelluloseproduktion viel geringer als erwartet oder sie hat sich nicht verfärbt“, berichtet Lee. Der Grund: Die beiden Bakterienarten störten sich gegenseitig beim Wachsen.
Die Forschenden optimierten daraufhin ihre Rezeptur, doch es gelang ihnen nicht gänzlich, beide Mikrobenspezies friedlich nebeneinander wachsen zu lassen. Stattdessen fanden sie eine Teil-Lösung: Um Fasern zu erzeugen, die mit den kühlen Violaceinen gefärbt sind, ließen sie zunächst die Zellulosebakterien allein wachsen und gaben ihnen so einen Vorsprung. Erst zeitverzögert gaben sie anschließend die farbstoffproduzierenden Bakterien hinzu. In diesem verzögerten Co-Kultur-Ansatz konnte jedes Bakterium seine Arbeit erledigen, ohne das andere zu stören, wie die Versuche belegen. Mit den warmtonigen Carotinoiden funktionierte dieser Ansatz allerdings nicht. Das Team entwickelte daher eine weitere Methode. Dabei werden ebenfalls zunächst die Zellulosebakterien allein kultiviert. Die so hergestellte Zellulose wird dann geerntet und von den Zellulosebakterien gereinigt, bevor die pigmentproduzierenden Bakterien hinzugefügt werden. In diesem sequenziellen Ansatz wachsen demnach beide Mikrobenarten komplett getrennt und nacheinander.
