Forschung an Mikroalgen

Industrieabwässer enthalten oft Spuren problematischer Stoffe. Gleichzeitig verursacht die Industrie große Mengen Kohlendioxid, und die Suche nach nachhaltigen Rohstoffen wird immer dringlicher. An der Hochschule Darmstadt (h_da) arbeiten Forschende deshalb an einem System, das mehrere dieser Herausforderungen lösen soll: Mikroalgen reinigen Abwasser, binden CO₂ und produzieren dabei sogar einen wertvollen Rohstoff. Das Kooperationsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 580.000 Euro gefördert.

Von Christina Janssen, 23.6.2026

„Wir sind eins besser als das Ü-Ei“, sagt Prof. Dr. Rüdiger Graf und schmunzelt. Der Vergleich wirkt im Wissenschaftskontext etwas ungewöhnlich, doch Graf liefert die Auflösung direkt nach: „Das Ü-Ei hat drei Pluspunkte – Spannung, Spielzeug und Schokolade. Wir nutzen Sonnenenergie, binden CO₂ und reinigen Abwasser. Und dann kommt noch ein vierter Punkt dazu: Wir produzieren wertvolle Algenöle.“

Im Zentrum des Projekts, von dem der Experte für Bioverfahrenstechnik erzählt, steht die mikroskopisch kleine Süßwasseralge Tetradesmus lagerheimii. Am Fachbereich Chemie- und Biotechnologie der h_da wird der Einzeller in Photobioreaktoren gehegt und gepflegt. Im Technikum, dem lichtdurchfluteten Großlabor des Fachbereichs, blubbern deshalb leuchtend grüne Algenkulturen in großen Apparaturen, werden mit Licht und Nährstoffen versorgt. Was wie ein futuristisches Gewächshaus aussieht, könnte eines Tages Teil von Klärwerken und Industrieanlagen werden.

Die Idee klingt auf den ersten Blick einfach: Die kleinen Algen nutzen Licht und Kohlendioxid zum Wachsen, sie bilden also Biomasse und binden dabei klimaschädliches CO₂. Gleichzeitig entfernen sie unerwünschte Stoffe aus dem Abwasser. Und wenn man es geschickt anstellt, beginnen sie außerdem, in großen Mengen Öle einzulagern. Ein winziger Einzeller übernimmt also vier Aufgaben auf einmal – und kann damit Umwelt und Industrie nachhaltig Nutzen bringen.

Gemeinsam mit Partnern aus der Papierindustrie und Forschenden der TU Darmstadt untersucht das Team der h_da um Professor Graf, wie sich Mikroalgen zur Reinigung industrieller Abwässer einsetzen lassen. Im Fokus stehen dabei Stoffe, die im menschlichen Körper hormonähnliche Wirkung entfalten können. Dazu gehören beispielsweise Ersatzstoffe für das im Lebensmittelkontakt inzwischen verbotene Bisphenol A. Sie werden bei der Herstellung von Kunststoffen, aber auch von Thermo- oder Recyclingpapier verwendet und können über industrielle Prozesse ins Abwasser gelangen.

Bevor das Wasser – beispielsweise aus einer Papierfabrik – in einen Fluss eingeleitet wird, erfüllt es bereits alle gesetzlichen Vorgaben. Trotzdem können geringe Mengen problematischer Substanzen noch enthalten sein. Auch diese letzten Rückstände will man unschädlich machen. Und hier kommen die Mikroalgen ins Spiel: Die Mikroalgen-Zellen können diese Substanzen adsorbieren, akkumulieren und im besten Fall sogar vollständig abbauen. „Die genauen molekularen Mechanismen sind zwar bisher nur teilweise erforscht“, erläutert Doktorandin Samira Reuscher. „Wir wissen aber, dass dabei hormonell wirksame Substanzen aus dem Abwasser gefiltert werden.“ Alchemie oder Algemie? Für die Forschenden steht der praktische Nutzen im Vordergrund.

Ganz ohne Nebenwirkungen funktioniert das allerdings nicht. Durch ihren Stoffwechsel geben die Algen organische Stoffe ans Wasser ab, die den sogenannten Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) erhöhen, ein wichtiger Kennwert für die Qualität des Abwassers. Das Wasser wird durch die Algen also gereinigt, gleichzeitig entstehen aber neue unerwünschte Substanzen, die das Wasser belasten. Die Lösung: eine WG im Algenreaktor. Die Algen bekommen Mitbewohner in Form von verschiedenen Bakterienstämme. „In der Natur sind sie ja auch mit anderen Organismen vergesellschaftet“, erklärt Dr. Gerd Klock, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich. „Die verschiedenen Organismen müssen sich aufeinander einstellen.“

Die Algen übernehmen also die Produktion, die Bakterien den Aufräumdienst. Im Labor suchen die Forschenden nun nach dem optimalen symbiotischen Gleichgewicht innerhalb dieser Co-Kulturen. Dazu versetzen sie die Algenkulturen mit Belebtschlamm aus dem Fabrikabwasser und beobachten, welche Kombinationen und Mischungsverhältnisse besonders gut funktionieren. Für die Arbeit im Labor heißt das: messen, vergleichen, anpassen – und wieder von vorne beginnen.

Die Reinigung des Abwassers ist allerdings nur ein Kapitel der „Algen-Story“. Das zweite beginnt, wenn die Algen unter Stress geraten. Unter idealen Bedingungen investieren sie ihre Energie vor allem in Zellteilung, also in die Vermehrung. Für die Forschenden ist das zunächst erwünscht, denn die Kulturen sollen erst einmal möglichst viel Biomasse produzieren. Danach aber ist Schluss mit dem fröhlichen Wachstum. „Man muss der Alge Stress machen, damit sie versteht: Jetzt muss ich Lipide herstellen, statt immer weiter Zellteilung zu betreiben“, beschreibt Graf den Prozess. Unter Stress schalten die Mikroorganismen um auf Krisenmodus. Nährstoffmangel und zu wenig Licht verschlechtern die Wachstumsbedingungen. Die Einzeller reagieren darauf geradezu menschlich – und legen Energiereserven in Form von Lipiden an, den begehrten Algenölen.

Diese Öle möchten die Forschenden, die sich scherzhaft auch als „Algenbauern“ bezeichnen, gerne in großen Mengen ernten. Denn sie können als Ausgangsstoffe für chemische Produkte dienen und in manchen Bereichen fossile Rohstoffe ersetzen. Bachelorstudent Lars Wiesenfeldt untersuchte während seines Praxissemesters deshalb, welche Bedingungen die Ölproduktion besonders stark anregen. Mit Erfolg: Seine Kulturen erreichten Lipidgehalte von mehr als 37 Prozent. „Im Vergleich zur bisherigen Forschungsliteratur liegen wir mit der gesamten Lipidproduktivität im oberen Bereich“, freut sich Doktorandin Samira Reuscher. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die richtige Balance zu finden. Zu wenig Stress erzeugt kaum Öl. Zu viel Stress bremst das Wachstum. „Wir müssen den Punkt treffen, an dem die Algen möglichst viel Öl produzieren, ohne ihre Produktivität komplett runterzufahren“, erklärt Wiesenfeldt.

Wenn Wissenschaftler über Mikroalgen sprechen, dauert es nicht lange, bis das Thema Wirtschaftlichkeit auf den Tisch kommt. Ein großer Kostenfaktor ist das künstliche Licht, da das Sonnenlicht in unseren Breitengraden nicht ausreicht. „Die Hürde ist immer noch hoch“, stellt Gerd Klock klar. Deshalb untersucht Bachelorstudent Christian Chantre sogenannte Hell-Dunkel-Zyklen. Statt die Reaktoren rund um die Uhr künstlich zu beleuchten, werden unterschiedliche Strategien getestet – zum Beispiel Beleuchtung am Tag, nicht aber in der Nacht. Ziel ist es, möglichst viel Algenmasse mit möglichst wenig Energieeinsatz zu erzeugen.

Noch liegen die Produktionskosten deutlich über etablierten Verfahren. Nach Berechnungen des Teams kostet ein Kilogramm „h_da-Algenöl“ derzeit – je nach Setup – etwa 153 Euro. Die „Konkurrenz“ schafft laut Fachliteratur teilweise Werte um die 33 Euro. Doch diese Zahlen schrecken keinen eingeschworenen Algemisten. „Pflanzen wie Raps oder Mais konkurrieren mit der Lebensmittelproduktion um landwirtschaftliche Flächen“, erklärt Dr. Klock. „Das ist ein ökologisches Problem.“ Die Algen hingegen: „Kann man auch auf irgendwelchen mageren Böden in der Halbwüste oder sonst wo wachsen lassen.“ Aus ökologischer Sicht sind die Algen also schon jetzt klar im Vorteil.

Zu den kniffligen Fragen rund um Energiekosten, Bakterien-WGs und Stoffwechselstress gesellt sich allerdings noch ein weiteres Problem – oder ist es nur, weil ebenfalls winzig, ein Problemchen? Auftritt: das Pantoffeltierchen. Viele kennen den Einzeller aus dem Biologieunterricht. Im Algenlabor sorgt er jedoch für wenig Begeisterung. „Ich hätte nie gedacht, dass die Pantoffeltierchen in meinem persönlichen Ranking mal so abstürzen würden“, sagt Professor Graf halb ernst, halb im Spaß. „Aber dass die uns die Algen wegfressen, gefällt uns überhaupt nicht.“

Gerade Süßwassersysteme gelten als empfindlich, weil sich unerwünschte Organismen leichter ansiedeln als in Salzwasserkulturen. Die Forschenden müssen ihre Reaktoren deshalb ständig im Blick behalten und sich Gedanken darüber machen, „wie wir das Pantoffeltierchen als Feind bekämpfen“. Die Algen selbst machen aus ihrem Zustand jedenfalls keinen Hehl. Sind sie kräftig grün, geht es ihnen gut. Werden sie gelblich oder bräunlich, ist der Stress zu groß. Dann müssen die Wissenschaftler eingreifen.

Noch sind die Algenreaktoren reine Forschungssysteme. Doch das Team der h_da denkt längst über das Labor hinaus. Künftig könnten modulare Anlagen direkt an Industrieunternehmen oder Klärwerke angeschlossen werden. Dort würden sie Abwasser reinigen, Schadstoffe entfernen, Kohlendioxid verwerten und gleichzeitig Biomasse für neue Produkte erzeugen.

Für Organismen, die kleiner als ein Staubkorn sind, wäre das eine bemerkenswert große Aufgabe. Die Begeisterung im Team ist auch den Studierenden anzumerken. „Am Anfang dachte ich bei Mikroalgen nur: mhm. Aber dann fand ich es mega interessant“, sagt Christian Chantre. „Allein, dass man mit ihnen aus CO₂ und einem Salzmedium so viel Biomasse aufbauen kann, finde ich beeindruckend.“ Und dann gibt es noch eine Überraschung: An den Erntetagen, wenn die Reaktoren geöffnet werden, macht sich im Algemie-Labor ein angenehmer Duft breit: „Die Kulturen riechen nach frisch gemähtem Gras“, erklärt Chantre, „und vielleicht auch ein bisschen nach Matcha.“ Auf jeden Fall also viel besser als das Abwasser aus einer Fabrik. Ein weiterer Pluspunkt für die kleinen Algen.