Screening van lignificatie-inhibitoren in Arabidopsiszaailingen

Biobrandstoffen nu nog groener

De energievoorraad van de Aarde neemt zienderogen af, terwijl wetenschappers schatten dat de energievraag tegen 2025 nog zal verdubbelen. Daarom is de zoektocht naar alternatieve energiebronnen een noodzaak. Het bio-energielaboratorium van de Universiteit Gent is een van de meest vooraanstaande onderzoeksgroepen in Vlaanderen die een antwoord proberen te formuleren op dit energievraagstuk. De focus van dit labo ligt op de productie van biobrandstof uit planten, een proces dat nog niet zo milieuvriendelijk is als het zou moeten zijn.

De val van de fossiele brandstoffen

Ongeveer 80% van het energieverbruik in de wereld wordt aangedreven door fossiele brandstoffen (olie, steenkool, en aardgas). Zo’n grootschalig verbruik heeft echter geleid tot vier belangrijke neveneffecten:

• Bij het gebruik van fossiele brandstoffen voor onder andere  de aandrijving van auto’s en het verwarmen van woningen komt er veel koolstofdioxide (CO2) vrij. Hoewel dit gas ook gewoon door mensen en dieren wordt uitgeademd en dus van nature in de atmosfeer voorkomt, is het schadelijk voor het klimaat als het in grote hoeveelheden geproduceerd wordt. CO2 is namelijk een broeikasgas, dus hoe meer CO2 er geproduceerd wordt, hoe meer de Aarde zal opwarmen. Dit moet absoluut voorkomen worden, aangezien een klimaatverandering natuurrampen zal teweegbrengen  die het bestaan van onze maatschappij zullen bedreigen: overstromingen, te strenge winters, extreme droogte,…
• Afhankelijk van het type brandstof en het verbrandingsproces komen er naast CO2 ook andere verbrandingsproducten, zoals roet en fijn stof, in de lucht terecht. Deze bijproducten leiden tot luchtvervuiling die de gezondheid aantast van zowel mensen als planten en dieren.
• De ontginning en het transport van olie hebben maar al te vaak geleid tot natuurrampen die de ecosystemen van de zee- en kustgebieden volledig verwoestten. In 2010 nog kreeg de Golf van Mexico te kampen met de grootste olieramp ooit.
• De energievraag stijgt snel, hoewel de fossiele brandstoffen schaarser worden. Hierdoor schieten de energieprijzen de hoogte in. Vooral deze reden heeft overheden ertoe aangezet om op zoek te gaan naar andere energiebronnen.

Biobrandstoffen: het groene goud

Zo veel nadelen als het gebruik van fossiele brandstoffen met zich  meebrengt, zo veel voordelen heeft het om planten te gebruiken als energiebron. Planten slaan de zonne-energie op die als brandstof dient voor de levende processen van de planeet. Het zonlicht wordt samen met CO2 opgevangen en via fotosynthese omgezet in suikers. Deze opgeslagen suikers kunnen industrieel verwerkt worden tot bio-ethanol, een alcohol dat als brandstof kan gebruikt worden in motorvoertuigen. Wanneer bio-ethanol verbrand wordt, komt het opgeslagen CO2 weer vrij, maar nooit méér dan de planten hebben opgenomen. Vandaar dat wordt gezegd dat biobrandstoffen afkomstig van planten koolstofneutraal zijn. Verder zijn ze hernieuwbaar, aangezien planten steeds opnieuw van zaad tot boom kunnen uitgroeien, terwijl de olie-, steenkool-, en aardgasvoorraden eindig zijn. Biobrandstoffen leveren bovendien geen schadelijke bijproducten op, zoals fossiele brandstoffen doen, noch leiden ze tot natuurrampen. Daarom vormen ze dus ook geen bedreiging voor onze gezondheid  en die van het milieu.

Bomen steken een stokje voor de productie van biobrandstof

Planten die over vrije suikers beschikken, zoals maïs en suikerbiet, worden al gebruikt voor het ontwikkelen van biobrandstoffen van de eerste generatie. Maar deze voedingsgewassen zijn nauwelijks voldoende om alle mensenmonden te vullen, laat staan dat nog eens een deel ervan gebruikt zou worden voor energieproductie. Daarom wil men overschakelen op biobrandstoffen van de tweede generatie: grassen en snelgroeiende bomen (wilg, eucalyptus, populier) die geen landbouwgrond opeisen. De suikers uit deze planten laten zich echter niet zo gemakkelijk vangen. Ze worden namelijk opgeslagen als cellulose, een ketting van suiker. Dit cellulose kan gemakkelijk in aparte suikerstukken geknipt worden, ware het niet dat de plant ook lignine aanmaakt. Lignine is een stof die door het cellulose heen wordt geweven om de plant zijn stevigheid te geven. Vooral bomen maken veel lignine aan, dat verantwoordelijk is voor de houtvorming in de stam. Om aan de suikerketens te geraken moet het lignine afgebroken worden, maar daar zijn weer energieverslindende, milieuonvriendelijke chemische processen voor nodig. Daarom is het heel belangrijk om deze stap in de productie van biobrandstoffen groener te maken.

Ken uw vijand: inhibitoren als spion

Als we zouden weten hoe planten hun lignine maken, kan er voor gezorgd worden dat ze lignine in mindere mate of in beter afbreekbare vorm aanmaken. De productie van bio-ethanol uit plantensuikers zal dan milieuvriendelijker zijn. Het bio-energielaboratorium van de Universiteit Gent doet daarom onderzoek naar het productieproces van lignine in planten. Ze proberen de gaten in onze kennis over lignine op te vullen door onder andere gebruik te maken van inhibitoren. Dit zijn kleine moleculen die ervoor zorgen dat een bepaald chemisch proces “geïnhibeerd” of geblokkeerd wordt. Dit geldt dus ook voor de chemische processen die in de plant plaatsvinden. Een inhibitor voor bloemkleur zal er bijvoorbeeld voor zorgen dat de bloemen van een rode roos toch ongekleurd (wit) blijven. Hoe kunnen inhibitoren nu kennis over lignine opleveren?  Hiervoor werden  73 inhibitoren uitgetest die volgens een voorgaande studie iets met lignine te maken hebben. Er werd telkens één inhibitor toegevoegd aan de bodem waarop een testplant groeide, waardoor de plant deze molecule opnam en het lignineproductieproces in de testplant op een of andere manier stilgelegd werd. Door vervolgens de ligninebouwstenen in de verschillende testplanten te meten, kon nagegaan worden welke stap van het lignineproductieproces precies  geblokkeerd werd. Het proces kan door de inhibitor ter hoogte van een gekende stap, maar ook (en liefst) ter hoogte van een onontdekte stap lamgelegd worden. Er werden maar liefst zes inhibitorklassen gevonden die de lignineproductie tegenwerken ter hoogte van een nog ongekende stap in het proces. In de volgende fase van het onderzoek zullen deze zes stappen verder onderzocht worden. Op deze manier kunnen inhibitoren dus gebruikt worden om ongekende stappen in een chemisch proces als het ware aan te wijzen.

Kennis vertalen naar toepassingen

Wanneer er met behulp van een inhibitor een nieuwe stap ontdekt wordt, gaat men in het bio-energielabo na of ze met die kennis planten kunnen ontwikkelen die minder of beter afbreekbaar lignine produceren, hetzij via genetische manipulatie, hetzij via kweekprogramma’s. In Gent loopt al een veldproef met genetisch gewijzigde populieren om te testen of de lignineblokkade succesvol opgeheven kan worden. Als men hier in slaagt, zullen biobrandstoffen die het bio-label waardig zijn eindelijk kunnen doorbreken op de energiemarkt.