BIOTEK2021-Bioteknologi for verdiskaping

Forråtnelse og nedbryting av tre og treverk skyldes mikroorganismer, spesielt sopp, og insekter, og ofte en kombinasjon av de to. Å beskytte treverk mot nedbryting og forråtnelse er en gammel og vedvarende utfordring. Tradisjonelt ble svært giftige og bredspektrede biocider benyttet, men nye miljøkrav har gitt en dreining mot mer spesifikke og mindre giftige forbindelser. Disse nye biocidene er dessverre i hovedsak også både mindre effektive og mer kostbare i bruk. Målet med ProWood-prosjektet har vært å utvikle rimelige og miljøvennlige virkestoffer basert på mikroorganismer, biologiske forbindelser og naturlige fyllstoffer utvunnet fra biomasse for inkorporering i biologisk baserte malinger laget av vegetabilske oljer, ikke-petroleumsbaserte polymerer og geler. ProWood har partnere fra Spania, Tyskland, Romania og Tyrkia i tillegg til SINTEF. Den spanske partneren har isolert og karakterisert dyrkbare mikroorganismer for å identifisere mikroorganismer som inhiberer eller forsinker forråtnelsesprosessen. Andre partnere har utviklet polymerblandinger ("malinger") som benyttes for å inkorporere stoffer som motvirker forråtnelse, og i tillegg har de testet egenskapene til ulike kombinasjoner i laboratorieskala. SINTEFs oppgave har vært å identifisere og karakterisere mikroorganismene og de mikrobielle prosessene som skjer når tre råtner, å identifisere mikroorganismer og forbindelser som motvirker forråtnelse, og å produsere og isolere disse forbindelsene. I tillegg har vi forsynt prosjektet med prøver av tre i ulike stadier av forråtnelse. For å studere den tidlige fasen av forråtnelse under ulike klima er standardiserte treklosser med og uten behandling med kommersiell kopperbasert impregnering, og treklosser med biobasert impregnering blitt distribuert til partnerne og brukt i eksponeringsforsøk. I Trondheim er 18 ulike typer treklosser (totalt 270 stk) blitt montert i 3 ulike posisjoner på rigger i et testområde hvor det også står en værstasjon administrert av Meterologisk institutt. Treklossene er blitt samlet inn på ulike tidspunkter over en periode på 2 år, henholdsvis 16.10.2018, 24.04.2019, 22.10.2019 og 15.04.2020. For å utvide spekteret av foråtnelsesrelaterte mikrobielle samfunn er også 64 prøver samlet inn fra ulike trær og tresorter i skogsområder i Norge og Spania. SINTEF har etablert metoder for og analysert et utvalg prøver av råtnende tre fra skog. Her har vi benyttet tre ulike metoder for å karakterisere forråtningen; tradisjonelle analysemetoder, metagenomikk og transkriptomanalyse. Tradisjonelt måles parametere som hardheten av treprøven, pH og egenvekt for å karakterisere graden av forråtnelse. Ved å ekstrahere ut og sekvensere total-DNA i prøven (metagenomikk) kan ulike arter av sopp og bakterier i prøvene på ulike stadier av forråtnelse identifiseres og karakteriseres. Vår hypotese har vært at det i det komplekse mikrobielle samfunnet i råtnende tre også finnes mikroorganismer som ved sin metabolisme eller sine produkter inhiberer eller forsinker ned-brytingen av treet. Ved å sammenligne metagenomet fra en råtnende treprøve med egenskapene til de mikroorganismene som er isolert fra den samme prøven av våre partnere, kan vi også avklare hvilke av isolatene som representerer kvantitativt viktige organismer i prøven, og hvilke som bare er mikroorganismer som er lette å isolere i laboratoriet, men som kvantitativt utgjør en ubetydelig andel av mikrofloraen i prøven. Det tredje nivået av karakterisering er å undersøke hvilke gener som uttrykkes i prøven (metatranscriptomics). Dette kan gi informasjon om hvilke metabolske prosesser som skjer i mikroorganismene som lever i det råtnende treet, og kan kanskje benyttes til å identifisere mulige mål for anti-forråtnelsesprodukter. Analyser for Minimum inhiberende konsentrasjon ble etablert hos SINTEF for 5 referansesopper, som også ble brukt i kompetitive bioanalyser hos partnere. Dette forsøksoppsettet brukes til å evaluere inhiberingspotensialet til biologiske fyllstoffskandidater. Sammen med partneren i Spania har vi genomsekvensert tre Bacillus-stammer isolert fra norsk og spansk skog, og som har vist evne til å inhibere veksten av flere forråtnelsessopper. Celleekstrakt fra disse stammene og et ekstrakt fra eukalyptus tre har blitt karakterisert for antifungal aktivitet i vårt "high throughput screening"-laboratorium på SINTEF. Grunnet utbruddet av Covid-19 har det ikke være noen fysiske møter i 2020. Et avsluttende digitalt møte med alle partnerne er under planlegging.

ProWood har bidratt til det pågående grønne skiftet som pågår i verden ved å utvikle nye biobaserte tokomponent-malinger for beskyttelse av trevirke. Disse slipper ut færre giftige biprodukter enn petrokjemiske alternativer og tar utgangspunkt i fornybare ressurser. Tilsats av biologiske fyllmaterialer har dessuten vist forbedret beskyttelse mot testede mugg- og råtesopper. SINTEF har etablert bioassay mot relevante mugg- og råtesopper som kan brukes også i videre prosjekter bl.a. i studier av biologisk hemming av disse soppene. Vi har også genomsekvensert 3 bakterier og kartlagt mikrofloraen som er involvert i forråtnelse av trær i skogsterreng. Gjennom et kontrollert, toårig feltstudium i en urban setting har vi dessuten studert endring i mikrofloraen som koloniserer og bidrar til nedbrytning av ubehandlet og behandlet trevirke og bidratt til økt forståelse for hva som skjer i de tidlige stadiene av nedbrytning av tre.

The European Union (EU27) woodworking industry consists today of more than 380,000 companies and employs more than 2.1 million workers. The European industrial interest on wood decay processes is both to accelerate (biorefinery) and to prevent wood degradation (decay). While, the hydrolytic degradation processes are extensively studied and improved for biofuels production, the prevention of wood degradation has received less attention, even though, the preservation of wood structures against decomposition is an old challenge. The effect on wood of environmental factors (sun, water, chemicals or fire) and, due to its natural origin, low resistance against biotic agents (moulds, bacteria and insects) cause a progressive diminution of its mechanical properties and biodeterioration. Although, there are products for wood protection available on the market they do not meet the expectations in terms of efficiency, price and long term activity, whereas some of them release toxic substances. The project ProWood (Protection of Wood) is an interdisciplinary 6-members Consortium of molecular biologists, (bio)chemical engineers and industrial partners selected for their know-how in biotechnology, bio-coating development, wood handling and validation processes. ProWood aims the development of novel solution(s) for wood decay protection under the light of the previous and successful developments and knowledge of the Partners. Thus, the combination of bio-based coating solutions with biological decay antagonists guarantees an industrial-relevant solution. The workplan of ProWood consists of four Research and Analysis workpackages (WP) and one of Management and Dissemination. These WPs cover the process from the initial definition of coating precursors (chemistry) and the biological antagonists (biotechnology) to the combined coating demonstration and validation (industry) and the industrial use (market). Thus, ProWood walks along the entire value chain of wood protection.