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As useful as it may be, plastic has become a household-synonym for "environmental pollution": It is based on fossil fuels and releases large amounts of CO₂ when broken down, thereby contributing significantly to global warming. Biobased plastics - or bioplastics for short - are often advertised as a sustainable alternative with a neutral carbon footprint. Researchers in Bonn have  analysed the underlying manufacturing processes and materials and warn that the increased production of bioplastics could have in fact negative consequences regarding climate change. They published their results in the journal "Environmental Research Letters".

Forests are turned into fields and release massive quantities of CO₂

According to Neus Escobar of the Institute of Food and Resource Economics at the University of Bonn, the production of large quantities of bioplastics would change land use globally. "This could potentially lead to an increase in the conversion of forest areas to arable land. However, forests absorb considerably more CO₂ than maize or sugar cane annually, if only because of their larger biomass," said the researcher. Escobar and her colleagues simulated the possible consequences by using an extended computer model. The model is based on a database that maps the entire world economy and has previously been used to investigate the relationship between the increasing demand for biofuel and deforestation.

Tax conventional plastics or subsidize bioplastics?

For their calculations, the Bonn-based researchers assumed that the amount of bioplastics produced by the most important economies - Europe, China, Brazil and the USA - will increase to five percent. In order to analyse the effects on the market and the environment, they used the computer model to simulate two different scenarios: Either conventional plastics were taxed and thus more expensive, or bioplastics were subsidised and thus cheaper. The effects for the tax scenario were most striking: Due to the decreasing demand for conventional plastics, 0.08% less greenhouse gases were emitted per year. At the same time, the agricultural area increased, while the forest area decreased by 0.17%. Plus, the conversion of forest to arable land released enormous quantities of greenhouse gases into the atmosphere. Although, according to the researchers, this would be a one-off effect, "Nevertheless, according to our calculations, it will take more than 20 years for it to be offset by the savings achieved by fossil substitution," Escobar explains. A subsidy for bioplastics in turn would have very similar consequences with regard to the 20-year compensation period.

Bioplastics made from plant waste are the only truly sustainable alternative

The researchers' conclusion: "Consuming bioplastics from food crops in greater amounts does not seem to be an efficient strategy to protect the climate". If, on the other hand, bioplastics were produced from plant waste or crop residues, the carbon footprint would be much more positive. Escobar and her colleagues therefore recommend research projects to focus on "second generation bioplastics".

In addition they highlight that bioplastics do not solve the "plastic waste problem" because bioplastics are often just as difficult to degrade as their petroleum-based counterparts. However, bioplastics and biomaterials have one clear advantage: they help to reduce the fossil fuel dependency. Nonetheless, in order to protect the environment, the scientists recommend that plastics in general be used sparingly and recycled as much as possible.

jmr

Nylonstrümpfe sind wohl das bekannteste Beispiel für den Einsatz von Nylonfasern im Alltag – nicht zuletzt, weil der Kunststoff hier namensgebend ist. Doch das Polymer ist allgegenwärtig: Regenschirme werden aus Nylon gefertigt, genauso wie Kochlöffel oder Spachtel. Wie viele andere Kunststoffe auch besteht Nylon aus Chemikalien, die teils hochgiftig sind. Dazu gehört sein Grundstoff Adiponitril, der aus der giftigen Blausäure hergestellt wird. Auch wenn sich das Herstellungsverfahren über die Jahre bewährt hat und hohen Sicherheitsstandards unterliegt, so bleibt doch das Risiko einer Vergiftung für den Menschen beim Umgang mit der gefährlichen Substanz.

Enzym statt Blausäure für Herstellung von Nylongrundstoff

Ein Forscherteam um Harald Gröger und Tobias Betke von der Universität Bielefeld hat nun ein umweltschonendes Verfahren zur Herstellung von Adiponitril entwickelt. Wie die Chemiker im Fachjournal „Nature Communications" berichten, kommt bei ihrer Methode statt Blausäure ein Enzym zum Einsatz, das als natürlicher Katalysator die Nylonproduktion bereits in der Anfangsphase sicherer und nachhaltiger macht. „Wenn schon bei den Grundstoffen der Produktion auf giftiges Material verzichtet wird, kommt ein Risiko gar nicht erst auf“, ist Gröger überzeugt.

Schnell, ergiebig und energiesparend

Der Studie zufolge kann das Enzym namens Aldoximdehydratase in gut zugänglicher Weise durch Fermentation hergestellt werden und erlaubt damit eine umweltschonende und schnelle Herstellung von Adiponitril. „Das Verfahren hat eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute, was bedeutet, dass es nicht nur schnell, sondern auch sehr ergiebig ist“, sagt Gröger und ergänzt: „Die Reaktion braucht zudem wenig Energie. Sie verläuft bei Raumtemperatur im Wasser.“

Zwischenschritt für sichere Herstellung von Nylonvorstufen

Gröger ist überzeugt, dass die neue Methode dazu beiträgt, den Einsatz erdölbasierter Stoffe zu reduzieren und die Rohstoffversorgung so auf breiter Basis nachhaltiger zu machen. Darüber hinaus könnte das neue Adiponitrilherstellungsverfahren der Bielefelder auch in andere Verfahren zur Herstellung von Basischemikalien integriert werden. Gröger verweist hier auf die von Evonik und Siemens kürzlich vorgestellte Methode, mit der sich Kohlendioxid mit Sonnenenergie zu 1-Hexanol umwandeln lässt, aus dem wiederum Adiponitril als eine Vorstufe von Nylon gewonnen werden kann.

Die Arbeit des Bielefelder Teams wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über das Programm „Nächste Generation biotechnologischer Verfahren – Biotechnologie 2020+“ in den vergangenen fünf Jahren mit rund 1 Mio. Euro gefördert. 

bb

Jasminpflanzen sind vor allem für ihre strahlend weißen Blüten und ihren frühsommerlichen, frischen Duft bekannt. Dieser Duft basiert auf dem Phytohormon Jasmonsäure. Das Pflanzenhormon trägt seinen Namen, weil es zuerst bei der Jasminpflanze entdeckt wurde, tatsächlich aber auch von anderen Pflanzen produziert wird, wenn diese von Insekten angefressen oder mechanisch verletzt werden. Die Säure verursacht dann eine Abwehrreaktion zum Schutz der Pflanze und wird von manchen Arten sogar über die Luft weitergegeben, sodass auch Nachbarpflanzen vor Angreifern gewarnt werden. Nun haben Würzburger Forscher eine weitere Funktion des wichtigen Pflanzenhormons entdeckt: Die Jasmonsäure ist auch Teil der Regulation von Blattporen.

Auch Ackerschmalwand verwendet Jasmonsäure-Signalweg

Blattporen, auch Atmungsporen oder Stomata genannt, sind die Schleusen, an denen die für die Photosynthese essenzielle Aufnahme von Kohlendioxid stattfindet. In der Regel befinden sich die Stomata an den Pflanzenblättern und werden jeweils von zwei Schließzellen gebildet. Das Pflanzenhormon Abscisinsäure (ABA) ist ein Schlüsselsignal, das zum Schließen der Stomata führt. Besonders bei Trockenheit ist es wichtig, dass die Stomata geschlossen werden, da die Pflanzen sonst zu viel Wasser verlieren.

Wie Pflanzenbiologen der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in der Fachzeitschrift „Developmental Cell“ berichten, reicht auch eine mechanische Verletzung der Blätter aus und die Blattporen schließen sich schnell  – und zwar nicht nur beim verwundeten Blatt, sondern auch bei den benachbarten Blättern. „Dieser bislang nicht beobachtete Effekt legte nahe, dass in den Schließzellen der Jasmonsäure-Signalweg aktiviert wird“, erklärt der Leiter der Studie, Dirk Becker. Mithilfe eines Sensor, mit dem sich der Jasmonsäure-Signalweg in lebenden Zellen verfolgen lässt, konnten die Würzburger zusammen mit französischen Pflanzenbiologen diesen Effekt an der Modellpflanze Ackerschmalwand beobachten.

Zwei Hormone, eine Funktion: schließen der Stomata

Um den molekularen Mechanismus zu entschlüsseln, untersuchten die Pflanzenphysiologen anschließend Arabidopsis-Mutanten, die nicht auf Jasmonsäure reagieren. Das Ergebnis: Der Kaliumkanal GORK hat eine zentrale Bedeutung für das Schließen der Stomata. In Kooperation mit Münsteraner und Münchner Forschern konnte zudem eine Calcium-abhängige Proteinkinase identifiziert werden, welche die Aktivität des GORK-Kaliumkanals reguliert. Das Forscherteam identifizierte zusätzlich einen Hemmstoff des Jasmonsäure-Signals in Schließzellen. Diese Protein-Phosphatase ABI2 wirkt der Kinase-vermittelten Kanalaktivierung entgegen.

„Interessanterweise ist ABI2 der Ko-Rezeptor für das pflanzliche Trockenhormon ABA. Das deutet darauf hin, dass sich die beiden Pflanzenhormone Jasmonsäure und Abscisinsäure hier überlagern“, erklärt Becker. Allerdings wisse man noch nicht, wie die Jasmonsäure den Signalweg der Abscisinsäure beeinflusst. Darum will das JMU-Team nun untersuchen, ob Jasmonsäure die Abscisinsäure-Biosynthese auslöst oder ob sie auf einer anderen Ebene eingreift.

jmr

Jasmine plants are known and loved for their bright white flowers and their fresh scent. This fragrance is based on the phytohormone jasmonic acid. The plant hormone bears its name because it was first discovered in the jasmine plant, but is also produced by other plants when they are eaten by insects or injured mechanically. The acid then causes a defensive reaction to protect the plant. Some species even transmit this acid signal via the air, in order to warn neighbouring plants. Researchers from Würzburg have now discovered another function of the important plant hormone: jasmonic acid is also part of the regulation of the leaf pores.

Even Arabidopsis uses the jasmonic acid signaling pathway

Leaf pores, also known as respiratory pores or stomata, are the "floodgates" and control unit for the absorption of carbon dioxide, which is essential for photosynthesis. These stomata are generally located on the plant leaves and are formed by two guard cells. The plant hormone abscisic acid (ABA) is a key signal that leads to the closure of the stomata. It is important that the stomata are closed, especially during dry periods, otherwise the plants lose too much water.

As plant biologists at the Julius Maximilian University of Würzburg (JMU) now report in the journal "Developmental Cell", mechanical damage to the leaves causes the leaf pores to close quickly - interestingly, not only for the wounded leaf, but also the neighbouring leaves. "This observation was not reported before and suggested to us that the jasmonate signaling pathway might have been turned-on in the guard cells," explains Dirk Becker, head of the study. Using a sensor with which the jasmonic acid signalling pathway can be tracked in living cells, the Würzburg researchers and French plant biologists were able to observe this effect for the model plant Arabidopsis.

Two hormones, one function: close the stomata

In order to decipher the underlying molecular mechanism, the plant physiologists subsequently investigated Arabidopsis mutants that do not react to jasmonic acid. The result: The potassium channel GORK is key for the closure of the stomata. In cooperation with researchers from Münster and Munich, it was also possible to identify a calcium-dependent protein kinase that regulates the activity of the GORK potassium channel. Moreover, the research team identified an inhibitor of the jasmonic acid signal in closing cells. This protein phosphatase ABI2 counteracts kinase-mediated channel activation.

"Interestingly, ABI2 is the co-receptor for the plant drought hormone ABA. This is indicating molecular crosstalk between the two phytohormones jasmonic acid and abscisic acid," explains Becker. However, it is not yet known how jasmonic acid influences the signalling pathway of abscisic acid. That is why the JMU team is now investigating whether jasmonic acid triggers abscisic acid biosynthesis or whether it intervenes on a different level.

jmr

Polyesterfasern werden sehr vielseitig eingesetzt. Aus ihnen entstehen Textilien und Vliesstoffe, aber auch PET-Flaschen und Lacke. Die Polymere hierfür werden bisher erdölbasiert hergestellt. Polyester aus nachwachsenden Rohstoffen zu generieren, stellt Materialforscher hingegen noch immer vor große Herausforderungen. Der Grund: Naturprodukte wie Pflanzenöle bringen Probleme mit, die eine Umwandlung erschweren. In der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ stellt Stefan Mecking von der Universität Konstanz nun ein neues Katalyse-Konzept vor, das diese Hürden meistern kann.

Effektive Gewinnung von Kunststoffmolekülen aus Pflanzenöl

In der Studie präsentieren Mecking und sein Kollege Ye Liu einen Weg, wie Polyester aus pflanzlichen Fetten und Ölen gewonnen werden kann. Das von den Konstanzer Chemikern entwickelte Verfahren wurde anhand von Undecenol erprobt, einer organischen Verbindung, die aus Rizinusöl gewonnen wird und ein wichtiges Molekül für die Kunststoffherstellung ist. „Unsere Idee war es, viele von diesen Molekülen zu einem großen Molekül, einem Kunststoffmolekül, zu verknüpfen. Das Ganze wollten wir effektiv, sozusagen ‚in einem Schuss‘, durchführen“, erklärt Stefan Mecking den Ansatz des Projektes.

Solche großen, langkettigen Verbindungen werden benötigt, um das Material gezielt mit bestimmten Eigenschaften auszustatten. Das Problem: Das Molekül Undecenol besitzt an einem Ende eine Alkoholgruppe und am anderen Ende eine Doppelbindung. Um langkettige Moleküle für Kunststoffe herzustellen, müssen diese Enden zu sogenannten Estergruppen verknüpft werden. Hierfür sind geeignete Katalysatoren enorm wichtig. „Diese sind deshalb von besonderer Bedeutung, weil die Reaktion, die zu den gewünschten, langkettigen Molekülen führt, äußerst effektiv und ohne jede Abweichung verlaufen muss“, erläutert Mecking.

Neuer Katalysator überzeugt 

Mithilfe eines solchen Katalysators ist es den Chemikern gelungen, Polyester ohne Verluste und effektiv aus Rizinusöl herzustellen. Dafür nutzten sie als katalytische Reaktion zur Erzeugung der Estergruppen die Carbonylierung – also das Einfügen von Kohlenstoffgruppen. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Katalysatoren definierten die Forscher auch Schritte, um den Schmelzpunkt der Produkte einzustellen. „Vom Verständnis, das wir hier erlangt haben, wüssten wir jetzt auch, auf welche Weise wir für andere, langkettige Substrate mit dem Schmelzpunkt umgehen können“, so Mecking. Das von ihnen entwickelte Konzept zur Gewinnung von Polyester ist demnach auch für andere nachwachsende Rohstoffe geeignet, um biobasierte Kunststoffe herzustellen.

bb

Geht es nach Andrea Kruse, so hätte jeder Landwirt seine eigene Bioraffinerie auf dem Hof. Anfallende Reststoffe wie Gras, Stroh oder Holz würden gleich vor Ort in einer Minianlage in ihre Bestandteile zerlegt und in neue Produkte wie Plattformchemikalien umgewandelt. Die Idee der Hohenheimer Chemikerin ist keinesfalls Utopie. Auf dem Gelände der Versuchsstation der Universität Hohenheim am Unteren Lindenhof wurde eine solche On-Farm-Anlage Ende Oktober eingeweiht. „Wie brauchen noch etwa drei Jahre bis alle Kinderkrankheiten auskuriert sind. Im optimalen Fall haben wir nach vier Jahren eine Demoanlage“, berichtet die Forscherin voller Stolz. Seit 2012 ist die gebürtige Braunschweigerin Professorin an der Universität Hohenheim und leitet die Studiengänge „Nachwachsende Rohstoffe und Bioenergie“.

Kruses Vision einer Bioraffinerie auf dem Bauernhof brauchte viele Jahre, um Gestalt anzunehmen - ebenso ihre Entscheidung, Chemie zu studieren. Als Tochter einer Chemielaborantin und eines technischen Chemikers wollte sie anfangs keinesfalls in die Fußstapfen der Eltern treten. „Ich wollte nicht das machen, was mein Vater macht. Es ist aber dann doch erschreckend ähnlich geworden“, gibt Kruse schmunzelnd zu.

Frühe Begeisterung für Natur- und Ingenieurswissenschaften

Ihre Begeisterung für die Natur- und Ingenieurswissenschaften ließ sie bis zum Abitur zwischen Physik und Chemie schwanken. Der geschickte Schachzug eines Lehrers, der Kruse in beiden Fächern unterrichtete, stellte schließlich die Weichen bei der Berufswahl. „Ich stand damals in beiden Fächern gleich, und er hat mir in Chemie die schlechtere Note gegeben. Er war der Meinung, dass ich mich in Chemie noch ein bisschen anstrengen kann. Das war ganz schön raffiniert.“

Von 1984 bis 1991 studierte Kruse an der Universität Heidelberg Chemie, wo sie anschließend auch promovierte. Den praktischen Teil der Doktorarbeit absolvierte sie jedoch am Forschungszentrum (FZ) Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Am FZ wurden dann sowohl der Grundstein für ihre Forschungsarbeit zur Biomasse gelegt als auch die Weichen in Richtung chemische Verfahrenstechnik gestellt. „Ich wollte immer etwas machen, was man hinterher auch anwenden kann und das nützlich ist“, erinnert sich Kruse. Im Zusammenhang mit der Erzeugung von Wasserstoff untersuchte sie damals unter anderem Gärstoffe wie Trester, die bei der Bierherstellung anfallen. In dem Chemiker Herbert Vogel fand die Doktorandin einen Mentor, der ihre „Ingenieursseite“ belebte und so ihre Karriere maßgeblich prägte.

Anwendungsorientierte Forschung zur Biomasse

So war es naheliegend, dass Kruse nach ihrer erfolgreichen Doktorarbeit 1994 zunächst am Forschungszentrum blieb, um als Nachwuchsgruppenleiterin und spätere Gruppenleiterin ihre anwendungsorientierte Forschung zur Biomasse voranzutreiben. „Wir wollten schon damals Biomassen umwandeln. Aber wir wussten auch, dass sie unterschiedlich sind. Deshalb mussten wir wissen, wie sich die verschiedenen Komponenten der Biomasse auswirken.“

Babybrei als Modellbiomasse etabliert

Kruse wollte den Prozess der Biomasseumwandlung verstehen, um ihn optimieren zu können. Dafür musste sie zunächst eine Modellbiomasse finden, die sich als Referenz für ihre Forschung eignen würde. Das war leichter gesagt als getan: „Ich brauchte eine Biomasse, die immer die gleiche Zusammensetzung hat. Im Supermarkt habe ich dann einen Babybrei gefunden - Kartoffel-Karotte-Geschmack. Der zeigte von Charge zu Charge keine Veränderung in der Zusammensetzung“, berichtet Kruse. Dass sie als Akademikerin mit Babybrei forschte, sorgte vor allem bei den männlichen Kollegen anfangs für Lästerei. Doch der Erfolg gab ihr recht. „Ich habe den Babybrei immer als Referenz benutzt und andere Biomassen damit verglichen, um die unterschiedliche Zusammensetzung einordnen zu können. So fand ich heraus, dass die Salze in der Biomasse einen großen Einfluss auf die Wasserstoffbildung haben“, erklärt Kruse.

Basischemikalien aus pflanzlicher Biomasse

Zu wissen, welche Komponenten bei der Biomasse zusammenspielen und welchen Einfluss sie haben – das ist ein Erfahrungsschatz, von dem die Hohenheimer Professorin auch bei der Umsetzung ihrer Vision einer Mini-Bioraffinerie profitiert. Seit ihrem Wechsel 2012 an die Universität Hohenheim widmet sie sich dem, was sie immer machen wollte: der Entwicklung neuer technischer Verfahren zur praktischen Biomassenutzung. Nunmehr sind es die beliebte Salatpflanze Chicorée und das in China beheimatete Schilfgras Miscanthus, die Kruse als pflanzliche Ausgangsstoffe nutzt, um daraus neue Basischemikalien wie Hydroxymethylfurfural (HMF), Phenole oder Furfurale herzustellen. HMF kann beispielsweise zur Herstellung von Plastikflaschen, Nylonstrümpfen oder Autositzen genutzt werden. Kruses Wunsch: „Ich möchte diese Verfahren in der Anwendung sehen.“ Zum Teil ist dieser Wunsch bereits in Erfüllung gegangen: HMF wird von der Schweizer AVA- Biochem GmbH in geringen Mengen hergestellt.

Bioraffinerien nach dem Lego-Prinzip bauen

Kruses Vision einer On-Farm-Bioraffinerie bekam jedoch erst in Hohenheim den nötigen Impuls für die Umsetzung. Dort ließ sie sich von den Agrartechnikern und deren Prinzip, Landmaschinen zu bauen, inspirieren: „Wenn man sich eine Landmaschine anschaut, egal ob Mähdrescher oder Rübenroder: Das Innenleben ist immer gleich, nur die Aufbauten sind verschieden. Auf diese Weise können auch Bioraffinerien wie beim Lego angepasst und diese Legosteine in größeren Mengen produziert werden“, so Kruse.

Die On-Farm-Anlage besteht demnach aus mehreren Modulen. Einige davon sind wie Legosteine austauschbar, andere sind immer gleich, wie der Motor einer Landmaschine. Eine Großproduktion der Module würde die Anlage für Landwirte bezahlbar machen und so für landwirtschaftliche Betriebe eine neue Einnahmequelle auftun. „Ich habe überhaupt keine Bedenken, dass es in der Praxis ankommt. Die Reaktionen der Landwirte sind überwiegend positiv.“ Mit dem Bioraffinerie-Technikum will Kruse beweisen, dass diese Anlage nicht nur eine, sondern gleich mehrerer Plattformchemikalien aus Biomasse gewinnen kann. Gegenwärtig testet die Chemikerin, inwiefern Altbackwaren und Weidegras als Ausgangsstoff für neue Plattformchemikalien geeignet sind.

Autorin: Beatrix Boldt

If it were up to Andrea Kruse, every farmer would have his own biorefinery. Waste materials such as grass, straw or wood would be broken down into their components in a mini plant and converted into new products such as platform chemicals. The idea of the Hohenheim chemist is by no means utopian. Such an on-farm plant was inaugurated at the end of October on the site of the experimental station at the University of Hohenheim on Unteren Lindenhof. "We still need about three years before all teething troubles are resolved. In the best case, we will have a demonstration plant after four years," the researcher proudly reports. Born in Braunschweig, she has been a professor at the University of Hohenheim since 2012 and heads the "Renewable Resources and Bioenergy" degree courses.

Kruse's vision of a biorefinery on a farm took many years to take shape, as did her decision to study chemistry. As the daughter of a chemical laboratory assistant and a technical chemist, she did not initially want to follow in her parents' footsteps. "I didn't want to do what my father does. But then it became terribly similar," Kruse admits with a smile.

Early enthusiasm for natural and engineering sciences

Her enthusiasm for the natural and engineering sciences led her to waver between physics and chemistry until she graduated from high school. The skilful move of a teacher who taught Kruse both subjects finally set the course for her career choice. "I was on the same level in both subjects at the time, and he gave me the worse grade in chemistry. He was of the opinion that I could still make a little effort in chemistry. That was pretty clever."

From 1984 to 1991, Kruse studied chemistry at the University of Heidelberg, where she subsequently earned her doctorate. She completed the practical part of her doctoral thesis at the Karlsruhe Research Centre (FZ), which is now the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). The foundation stone for her research work on biomass was laid at the FZ and the path was set towards chemical process engineering. "I always wanted to do something that could be applied later on and that would be useful," recalls Kruse. In connection with the production of hydrogen, she investigated fermentation materials such as pomace, which are produced during the production of beer. In the chemist Herbert Vogel, the doctoral student found a mentor who stimulated her "engineering side" and thus had a decisive influence on her career.

Application-oriented research on biomass

After her successful doctoral thesis in 1994, Kruse initially stayed at the research centre in order to advance her application-oriented research on biomass as a junior research group leader and later group leader. "Even then, we wanted to convert biomass. But we also knew that one is not like the other. Therefore, we needed to know how the different components of the biomass affect each other".

Baby porridge established as model biomass

Kruse wanted to understand the process of biomass conversion in order to be able to optimise it. She first had to find a model biomass that would be suitable as a reference for her research. That was easier said than done: "I needed a biomass that always had the same composition. In the supermarket, I found a baby porridge - with potato-carrot taste. It showed no change in composition from batch to batch," reports Kruse. The fact that she researched baby porridge as an academic initially caused her colleagues to make fun of her, especially her male peers. But her success proved her right. "I always used baby porridge as a reference and compared other biomasses with it in order to be able to classify the different composition. I found out that the salts in the biomass have a major influence on hydrogen formation," explains Kruse.

Basic chemicals from plant biomass

Knowing which components interact in biomass and what influence they have is a wealth of experience from which the Hohenheim professor also benefits in the implementation of her vision of a mini-biorefinery. Since moving to the University of Hohenheim in 2012, she has been focusing on what she always wanted to do: the development of new technical processes for the practical use of biomass. Kruse now uses the popular salad plant chicory and the Chinese reed grass Miscanthus as plant raw materials to produce new basic chemicals such as hydroxymethylfurfural (HMF), phenols or furfurals. HMF can be used, for example, to make plastic bottles, nylon stockings or car seats. Kruse's dream: "I want to see these processes in action." In part, this wish has already been fulfilled: HMF is produced in small quantities by the Swiss company AVA-Biochem GmbH.

Building biorefineries with the Lego principle

However, Kruse's vision of an on-farm biorefinery only received the necessary impulse for its implementation in Hohenheim. There, she was inspired by the agricultural engineers and their principle of building agricultural machinery: "If you look at an agricultural machine, whether combine harvester or beet harvester, the inner workings are always the same, only the superstructures are different. In this way, biorefineries can be adapted, just like Lego, and these Lego bricks can be produced in larger quantities," says Kruse.

The on-farm plant therefore consists of several modules. Some of them are exchangeable like Lego bricks, others are always the same like the engine of an agricultural machine. A large-scale production of the modules would make the plant affordable for farmers and thus open up a new source of income for farms. "I have absolutely no doubt that it will in fact be implemented. The reactions of farmers are mostly positive."

Kruse wants to use the biorefinery pilot facility to prove that this plant can produce not only one but several platform chemicals from biomass. The chemist is currently testing to what extent used bakery products and pasture grass are suitable as starting materials for new platform chemicals.

Author: Beatrix Boldt

Schiffsrümpfe und Zähne haben auf den ersten Blick nichts gemeinsam. Doch beide sind von sogenannten Biofilmen umgeben. Das sind schleimige Beläge von Mikroorganismen, die sich auf fast allen Gegenständen oder Geweben ablagern können. Dabei sind sie nicht nur Untermieter oder blinde Passagiere, sondern können bei Schiffen für erhebliche ökonomische Belastungen sorgen, beispielsweise durch höhere Treibstoffkosten, und als Beläge auf Zähnen zu Karies und Parodontitis führen. Deshalb suchen Wissenschaftler weltweit nach Wegen, solche Mikrobenbeläge zu verhindern oder zu minimieren. Ein Forscherteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat nun gemeinsam mit Wissenschaftlern aus den USA und Chile untersucht, wie sich Biofilme mit Nährstoffen versorgen. Die Nährstoffversorgung zu unterbrechen, wäre ein vielversprechender Lösungsansatz, um unerwünschte Biofilme zu bekämpfen. 

Mikroben stimmen ihre Bewegungen ab

Physiker vom Institut für Theoretische Physik II der HHU, aus Stanford und Argonne in den USA sowie Santiago de Chile haben daher analysiert, welche Bewegungsstrategien die einzelnen Bakterien ausführen müssen, um eine Nährstoffversorgung zu ermöglichen. Wie die Forschenden im Fachjournal „Physical Review Letters“ berichten, haben sie dafür eine umfangreiche mikro-hydrodynamische Theorie entwickelt und diese für verschiedene Bewegungstypen analysiert. Das Ergebnis: „Führen alle Bakterien die gleichen Bewegungen aus, führt das zum Stillstand des Wasserflusses und damit zu ihrem sicheren Hungertod", so Hartmut Löwen, Physiker an der HHU. Sind die Bewegungen hingegen ungleichmäßig, erzeugt das eine weitreichende und zum Biofilm hingerichtete Strömung, die die Nährstoffe heranträgt.

Bewegungsmuster hat hohes Anwendungspotenzial

Je nach dem, wie sich die Mikroorganismen bewegen, entstehen bestimmte Muster auf den Biofilmen, durch die der Nährstoffzufluss gesteuert werden kann. Dieses über die Nährstoffversorgung entscheidende Flussfeld ist normalerweise jedoch nicht direkt sichtbar. „Deswegen wollten wir es durch unsere Rechnungen sichtbar machen. Wir stießen dabei auf ein allgemeines Prinzip, welches ein hohes Anwendungspotential besitzt“, so Löwen. Denn diese Muster basieren auf einem einfachen Baukastenprinzip, das auch genutzt werden kann, um den Nährstoffzufluss zu verändern. Fazit: Durch eine gezielte Störung dieses Zuflusses könnte der Biofilm ohne Gift zerstört werden. Gleichzeitig könnten erwünschte Beläge so besser mit Nährstoffen versorgt werden.

Der Clou: Dieses Prinzip ist nicht auf Bakterien beschränkt, sondern gilt auch für Mikroroboter oder „künstliche Schwimmer“, also Partikel, die helfen, beispielsweise Medikamente im menschlichen Körper zum gewünschten Zielort zu transportieren.

jmr

Extreme Witterungen können Pflanzen stark zusetzen. Um den Fortbestand einer Art gegen solche Eventualitäten zu schützen, haben die Samenkörner der meisten Pflanzen bestimmte Überlebensmechanismen entwickelt. Wenige Arten – insbesondere Ackerwildkräuter – besitzen sogar Samen, die Jahrzehnte im Boden ausharren und danach noch keimen können. Was Hobbygärtner und Landwirte ärgert, freut Ökologen. Für sie bilden diese Samen eine „verborgene Vielfalt“. Ökologen um Peter Poschlod von der Universität Regensburg berichten nun im Fachjournal „Biological Conservation“, dass diese Vielfalt in Teichsedimenten weit größer ist als bislang angenommen.

22 gefährdete Arten in hoher Zahl gefunden

Innerhalb von 26 Jahren hat Poschlod mit seinen Arbeitsgruppen, zeitweise an den Universitäten Hohenheim und Marburg, Sedimente von 108 Fischteichen in Bayern und Baden-Württemberg untersucht. In sechs bis zehn Litern Sediment je Teich zählten die Forscher insgesamt 540.000 Keimlinge. 300.000 davon gehörten zu 49 typischen Schlammbodenarten, darunter 22 Arten, die regional oder national als gefährdet gelten. In allen bis auf einen Teich wiesen die Ökologen mindestens eine gefährdete Art nach, und das mit bis zu 3.000 Samenkörnern je Liter Sediment. Erstaunlich an den Ergebnissen ist außerdem, dass viele dieser Arten in den jeweiligen Untersuchungsgebieten als verschollen oder ausgestorben galten.

Samenbank im Boden zur Renaturierung nutzen

Anhand historischer Daten und unpublizierter Ergebnisse weiterer Analysen von Sedimenten aus Donau und Rhein konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Samen von Schlammbodenarten in überstauten Sedimenten mehr als 100 Jahre überleben können. Auf diesem Weg können regional ausgestorbene Arten wieder an ihre einstigen Standorte zurückkehren. Auch bei Renaturierungsmaßnahmen sollte dieser „verborgenen Vielfalt“ mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden, fordern die Ökologen um Poschlod. Sie sind überzeugt: Solange gefährdete Arten in der Samenbank im Boden vorkommen, kann deren Potenzial noch genutzt werden.

bl

Bioabfall ist kein gewöhnlicher Müll. Es ist ein kostbarer Rohstoff, der über die Kaskadennutzung in Biogasanlagen zu Biogas vergoren wird und entweder zur Energieerzeugung oder als Kompost in der Landwirtschaft genutzt werden kann. Seit Januar 2015 ist es in Deutschland daher Pflicht, Bioabfälle getrennt von Restmüll zu entsorgen. Etwa elf Millionen Tonnen Kaffeesatz, Obst- und Gemüsereste oder Backwaren landen so jährlich in der Biotonne. Doch viele Menschen lehnen die Biomülleimer in der Küche noch ab, weil sie Schimmel und fauligen Geruch abstoßend finden.

Hürden beim Sammeln von Biomüll abbauen

Hier setzt das Projekt „wastePad“ der TerFirmo GbR an: Mit ihren Wastepads wollen die Entwickler um Christian Gentemann die Handhabung des Bioabfalls verbessern, damit die vorhandenen Hürden beim Sammeln von Biomüll abbauen und zu einer flächendeckenden Bioabfallsammlung beitragen. Mit der Unterstützung des Innovationsnetzwerkes Upcycling & Stoffliche Nutzung (INUS) konnte das in Söhlde bei Hildesheim ansässige Unternehmen ihre Idee eines flüssigkeitaufsaugenden Pads, sogenannte Wastepads, für den Haus- und Biomülleimer verwirklichen.

Biowindel zu 100% kompostierbar

„Die Basis der Wastepads sind Strohpellets. Sie können das Vier- bis Fünffache des Eigengewichtes an Wasser aufnehmen“, erklärt Christian Gentemann. „Dazu kommt ein pflanzliches Additiv. Hier verwenden wir vor allem natürliche Zusätze, unter anderem aus Eukalyptus- und Zitronengrastee. Mit dem im Projekt entwickelten Rezepturen wird das Wachstum von Bakterien und Pilzen gehemmt, die Lagerdauer des Abfalls erhöht und der Geruch neutralisiert.“ Die Pads sind demnach saugstark wie eine Windel und wirken durch die Teezusätze auch antibakteriell. Obendrein ist die „Biowindel“ für die Biotonne zu 100% kompostierbar.

Bakterien- und Schimmelbildung deutlich reduziert

Denn auch die Hülle besteht aus natürlichem Material. Die Entwickler verwenden dafür bislang ausschließlich schwarz bedrucktes, rußhaltiges Zeitungspapier und keine bunten Illustrierten, die kupferhaltige Farben enthalten können. Verklebt wird die Hülle mit gewöhnlichem Stärkekleister, der in Wasser angerührt wird. Um die volle Wirkung zu entfalten, sollte das Wastepad auf den Boden des Biomülleimers gelegt werden, wo sich die Flüssigkeit ansammelt, rät Gentemann. Durch die Nässe löst sich das Zeitungspapier auf, so dass die Strohpellets offen liegen und die sogenannten Sickersäfte aufsaugen können. Kommen die Pellets mit der Feuchtigkeit in Kontakt, werden auch die pflanzlichen Zusätze aktiv. „Durch den Kontakt mit Flüssigkeit werden die ätherischen Öle der Additive freigesetzt und diese Dämpfe verbreiten den Geruch. Damit schlagen wir gleich zwei Fliegen mit einer Klappe. Denn die Dämpfe der pflanzlichen Zusätze wirken auch gegen Pilze“. 

Energiegehalt des Biomülls verbessert

Die Funktionalität der Wastepads wurde in Zusammenarbeit mit der Hochschule Hannover in mehreren Laborversuchen bereits bestätigt. In den Tests wurde gewöhnlicher Bioabfall in einer Papiertüte fünf Tage bei 25 Grad Celsius in einem Inkubator, entweder mit oder ohne Wastepad, aufbewahrt. „Die Sickersäfte haben wir dann bis zu zehn Mal verdünnt und sie auf Nährböden ausgestrichen. Anhand später entstandener Bakterien- und Pilzkolonien haben wir die sogenannten koloniebildenden Einheiten berechnet“, erklärt Gentemann.  Das Ergebnis: Mithilfe des Wastepads wurde das Bakterienwachstum um bis zu 80% und das Pilzwachstum um bis zu 50% verringert. Auch die Sickersaftbildung sank um bis zu 70%. Das Wastepad hat aber noch einen weiteren positiven Nebeneffekt: Der Energiegehalt des Biomülls steigt, wodurch der Abfall auch bestens für Vergärungsanlagen geeignet ist.

Wastepads für die Gastronomie anpassen

Bisher wird das Wastepad noch in der hauseigenen TerFirmo-Manufaktur mit einer Handhebelpresse gefertigt. „Unser Prototyp ist mit einer Größe von etwa 12 x 8 cm für einen normalen Hausmülleimer mit acht bis zehn Litern konzipiert. Unser kurzfristiges Ziel ist es, mit einem starken Partner aus dem Handel den Absatz zu Privathaushalten aufzubauen und darauf in den Gastronomiebereich einzusteigen. Dafür wollen wir mittels Upscaling das Wastepad für größere Gastro-Abfallsammler anpassen“, erklärt Christian Gentemann.

Das INUS-Netzwerk wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und von der abc GmbH koordiniert. Die 15 Partner im Projektverbund unterstützen produzierende Betriebe bei der gewinnbringenden Verwertung und Aufwertung von Produktionsausschüssen ­– von der Bestandsaufnahme bis hin zur Inbetriebnahme sowie Produkterzeugung. Bisher konnte INUS mehr als 5,8  Mio. Euro für Investitionen in Upcycling-Ideen meist mittelständischer Unternehmen initiieren. Das TerFirmo-Team wurde mit mehr als 117.000 Euro bei der Entwicklung und Markteinführung eines Prototyps unterstützt.

bb

Kreuzfahrten sind beliebter denn je. Seit 2009 ist die Zahl der Schiffsreisenden weltweit kontinuierlich gestiegen. Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes haben allein 2018 28 Millionen Menschen weltweit ihren Urlaub an Bord solcher Ozeanriesen verbracht. In diesen schwimmenden Kleinstädten fallen dementsprechend, ähnlich wie an Land, erhebliche Mengen organischer Abfälle an. Bisher wurden diese in zulässigen Zonen im Meer entsorgt. Im BINE-Projekt „Schiffsabfälle verwerten statt verklappen“ haben sich Forscher und Reedereien zusammengetan und ein neues Entsorgungskonzept entwickelt, das die energetische Nutzung von organischen Schiffsabfällen und Klärschlamm möglich macht. Modellregion ist dabei die Ostsee.

Organische Schiffsabfälle umweltfreundlich entsorgen 

Essenreste und Klärschlamm für die Energieerzeugung zu nutzen, ist auf Grund der hohen Anforderungen an die Entsorgung noch sehr unrentabel. Bisher werden an Bord Speisereste und Abwasser in der Regel getrennt. Die Essensreste werden dann meist zerkleinert, in Vakuumtanks gesammelt und anschließend in den zulässigen Zonen in die Meere gekippt. Eine andere, aber teurere Alternative ist die Entwässerung und Trocknung von Speiseresten und Klärschlamm zu Biomüllpulver. Das Verfahren ist jedoch energiezehrend. Außerdem entstehen bei der Trocknung unangenehme Gerüche. Im BINE-Projekt haben die Forscher daher untersucht, wie die riesigen Abfall- und Abwassermengen der Kreuzfahrtschiffe energetisch effizient und entsprechend der EU-Hygienevorgaben verwertet werden können.

Anaerobe Vergärung statt aufwendige Trocknung 

Das neue Konzept zur Behandlung der Bioabfälle sieht nun statt einer energieaufwendigen Trocknung des Biomülls an Bord eine anaerobe Vergärung in einer Biogasanlage im Hafen vor. Dafür werden der flüssige und feste organische Schiffsmüll an Bord gesammelt und einer anaeroben Versauerung unterzogen. Bei diesem Verfahren wird zeitweise die Gasentstehung blockiert, dies führt zur Verflüssigung. In dieser Form kann das Substrat in konventionellen Biogasanlagen in den Häfen verarbeitet werden, wo der Gärrest dann verkohlt wird.

Neue Einnahmequelle für Reedereien 

Für neue im Bau befindliche Kreuzfahrtschiffe haben die Forscher bereits die Abwasserbehandlungsanlage an Bord mit einer Anaerobstufe für eine gemeinsame Verwertung von Abwasserschlamm und Speiseresten ergänzt. Mithilfe der Anlage werden der Überschussschlamm an Bord reduziert, Abwassergrenzwerte eingehalten und weniger Speisereste im Meer entsorgt. Die Entwickler sind überzeugt, dass das neue Verfahren eine umweltfreundliche und zugleich wirtschaftliche Alternative zum bisher teuren Trocknungsprozess darstellt. Es bietet den Reedereien nicht nur eine neue Einnahmequelle, sondern auch die Möglichkeit, Kosten zu senken. 

Das Verfahren wird vom Innovations- und Bildungszentrum Hohen Luckow e.V. im Rahmen des Netzwerkes „Biogas Maritim – Biogastechnologien zur energetischen Verwertung maritimer Abfälle“ vom Landesamt für Landwirtschaft, Lebensmittelsicherheit und Fischerei in Mecklenburg-Vorpommern (LALLF) durchgeführt.

bb

Meere und Ozeane sind reich an Bioressourcen. Diese auf nachhaltige Art und Weise langfristig zu erschließen, ist das Ziel von Akteuren aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft, die sich der Blue Bioeconomy verschrieben haben. Schon heute werden vielfach Algen, Miesmuscheln, Korallen oder Quallen für Anwendungen als neue Nahrungs- und Arzneimittel sowie nachhaltige Materialien erforscht. Doch längst sind noch nicht alle marinen Geheimnisse gelüftet bzw. das Potenzial vieler neuer Technologien, etwa aus der Biotechnologie, noch nicht gänzlich mit Blick auf aquatische Bioressourcen in süß- und salzhaltigen Gewässern erschlossen. Diesem Ziel hat sich das neue europäische Forschungsnetzwerk European Research Area-Net Cofund on Blue Bioeconomy (ERA-NET BlueBio COFUND) verschrieben. Hier haben sich 26 Partner aus 16 Ländern zusammengeschlossen, um gemeinsam Forschungs-und Entwicklungsvorhaben in der Blue Bioeconomy voranzutreiben. Im Fokus stehen dabei vor allem neue Lösungen zur Ernährungssicherung sowie zur Produktion von gesunden und sicheren Lebensmitteln aus aquatischen Ressourcen, die sich dabei auf neues biologisches bzw. biotechnologische Know-how stützen. Mithilfe des ERA-NET BlueBio COFUND soll aber auch die Vernetzung relevanter Akteure im Bereich der Blue Bioeconomy in Europa verstärkt sowie vielfältige Interaktionen auf europäischer und internationaler Ebene geschaffen werden.

Millionenförderung für Forschung zur Blue Bioeconomy

Die Förderagenturen der jeweiligen Länder stellen dabei ein Fördervolumen von etwa 30 Mio. Euro zur Verfügung. Die Arbeit der Netzwerkpartner wird dabei von der Europäischen Kommission im Rahmen des europäischen Innovations-und Forschungsprogramms HORIZION 2020 mit mehreren Millionen Euro unterstützt. Das neue europäische Netzwerk ist das Resultat der Zusammenarbeit der Joint Programming Initiative Healthy and Productive Seas and Oceans (JPI Oceans) sowie der früheren ERA-NET Initiativen COFASP-Cooperation in Fisheries, Aquaculture and Seafood Processing und MBT- Marine Biotechnology. Deutschland ist im ERA-NET BlueBio COFUND durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) vertreten.

Aquatische Biomasse für neue biobasierte Produkte 

Die Partner des ERA-NET BlueBio COFUND verfolgen das Ziel, die Erschließung biotechnologischer Potenziale und Chancen auch von bisher unentdeckten biologischen Ressourcen aus süß- und salzwasserhaltigen Gewässern sowie die nachhaltigen Nutzungs- und Verwertungsmöglichkeiten aquatischer Biomasse entlang der gesamten Wertschöpfungskette voranzutreiben. Dies schließt auch die biotechnologische Kultivierung verschiedener aquatischer Zuchtbestände mit ein. Aquatische Biomasse kann sowohl als Wildfang oder aber in Salz- bzw. Süßgewässern, off-shore oder an Land gewonnen werden. Dabei anfallende Abfall- und Restströme sollen mithilfe neuer alternativer Nutzungswege im Sinne einer Kreislaufwirtschaft verwertet und nutzbar gemacht werden.

Viele Pflanzen sind darauf angewiesen, dass ihre Samen von Tieren als Teil der Nahrung aufgenommen werden. Meist werden sie danach unverdauert ausgeschieden, so dass sich die Samen auf diese Weise wieder verbreiten. Damit die Samen während der Verdauung im Körper der Tiere nicht zerstört werden, bilden viele von ihnen eine schleimige Schutzhülle. Diese Hülle bildet sich unabhängig von der Verdauung, sobald die Samenkörner mit Wasser in Berührung kommen. Ein Kieler Forscherteam hat nun herausgefunden, dass die Stabilität der Schleimhülle vor allem von winzigen Fasern abhängt, die den Schleim mit dem Samenkorn verbinden. Die Forscher berichten im Fachjournal „Applied Materials & Interfaces“ über diese stark haftenden Nanofasern, die künftig unter anderem in der Biomedizin Anwendung finden könnten.

Schonende Trocknungsmethode ermöglicht Blick auf Cellulosefasern

Die Samenschutzhülle besteht vor allem aus Cellulose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, und quellenden Pektinen, pflanzlichen Zuckermolekülen. Die Pektine in der Schale der Samenkörner können in kurzer Zeit eine große Menge Wasser aufnehmen, so entsteht innerhalb weniger Minuten eine gelartige Kapsel. Durch feine Cellulosefasern mit einem Durchmesser von bis zu 100 Nanometern ist diese fest an der Oberfläche des Samens verankert.

„Um mehr über die Funktion des Schleims zu erfahren, untersuchten wir zunächst den Aufbau und die physikalischen Eigenschaften der Schleimhülle“, so Stanislav Gorb, Zoologie-Professor an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Dazu nutzte das Team um Gorb eine spezielle Trocknungsmethode, die der Schleimhülle schonend das Wasser entzieht. Der Trick: Mithilfe der sogenannten kritischen Punkttrocknung wurden die Schleimhüllen schrittweise mit flüssigem Kohlenstoffdioxid entwässert. Dieses lässt sich bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen kontrolliert verdampfen, ohne dass sich eine Oberflächenspannung in der Hülle bildet. Dadurch blieben die ursprüngliche Zellstruktur und einzelne Cellulosefasern erhalten.

Cellulosefasern haben hervorragende Reibungs- und Haftkräfte

Anschließend wurden die Reibungs- und Adhäsionseigenschaften der Fasern untersucht. „Unsere Tests zeigen, dass die Reibungs- und Haftkräfte der Cellulosefasern fast genauso hoch sind wie bei vertikal stehenden Kohlenstoffnanoröhrchen“, sagt Clemens Schaber, Erstautor der Studie. Kohlenstoffnanoröhren sind mikroskopisch kleine Gebilde und aufgrund ihrer herausragenden elektrischen Leitfähigkeit, Reißfestigkeit und Reibungseigenschaften in Industrie und Forschung beliebt.

Durch die spezielle Punkttrocknung konnte die Forschergruppe die Haftstärke der Cellulosefasern sogar gezielt variieren. „Als natürlicher Rohstoff hätten die Cellulosefasern deutliche Vorteile gegenüber Kohlenstoffnanoröhren, deren gesundheitliche Auswirkungen noch nicht vollständig untersucht sind“, so Schaber. Nanocellulose wird vor allem in biologisch abbaubaren Kunststoffverbundmaterialien verarbeitet, die wiederum in der Biomedizin, der Kosmetik oder der Ernährungsindustrie eingesetzt werden. 

jmr

Many plants need animals to eat their fruits in order to spread their seeds. To prevent the seeds from being destroyed during digestion, many of them form a slimy protective shell. This sheath also forms independently of digestion as soon as the seeds come into contact with water. A team of researchers from Kiel University has now discovered that the stability of the mucus membrane depends heavily on tiny fibres that bind the mucus to the seed. The researchers report in the journal "Applied Materials & Interfaces" on these highly adhesive nanofibers, which could in the future be used for biomedical applications.

Gentle dehydration enables view onto tiny cellulose fibres

The protective coating of the seeds mainly consists of cellulose, the major component of plant cell walls, as well as pectins, which are plant sugar molecules. The pectins in the shell of the seeds can absorb large amounts of water in a short period of time, resulting in a gel-like capsule within a few minutes. Miniscule cellulose fibres with a diameter of up to 100 nanometres anchor the capsule firmly to the surface of the seed.

"In order to find out more about the function of the mucilage, we first wanted to study the structure and the physical properties of this seed envelope material," said Stanislav Gorb, Zoology Professor at the Christian Albrechts University of Kiel (CAU). The team around Gorb used a special dehydration method that gently extracts the water from the mucus membrane. The trick: With the help of so-called critical point drying, the mucous membranes were gradually dehydrated via liquid carbon dioxide. This can be evaporated in a controlled manner under certain pressure and temperature conditions, without a surface tension forming in the shell. Thereby preserving the original cell structure and individual cellulose fibres.

Cellulose fibres demonstrate excellent frictional and adhesive forces

Subsequently, the researchers investigated the friction and adhesive properties of the fibres. "Our tests showed that the frictional and adhesive forces of the cellulose fibers are almost as strong as with vertically-arranged carbon nanotubes," said Clemens Schaber, first author of the study. Carbon nanotubes are microscopic in size and are popular in industry and research for their outstanding electrical conductivity, tear strength and friction properties.

Due to this dehydration process, the research group was also able to vary the adhesive strength of the cellulose fibers in a targeted manner. "As a natural raw material, cellulose fibers have distinct advantages over carbon nanotubes, whose health effects have not yet been fully investigated," continued Schaber. Nanocellulose is mainly used for biodegradable plastic composites, which in turn are applied in biomedicine, cosmetics and the food industry.

jmr

Unsichtbar und schädlich

Mikroplastik, das sind Plastikteilchen, die kleiner als fünf Millimeter sind, erfüllen in vielen Hygieneartikeln nützliche Funktionen. Als Abrasiva (Schleifmittel) entfernen sie durch Reibung abgestorbene Hautschuppen und regen die Durchblutung der Haut an. Sie sind chemisch beständig, farb-, geruchs- sowie geschmacklos, weswegen sie auch häufig als Stabilisatoren und Füllmittel eingesetzt werden. Zum Problem werden die Kunststoffpartikel, da die winzigen Teilchen von gängigen Kläranlagen nicht aus dem Abwasser herausgefiltert werden können und somit über den Wasserkreislauf in die Nahrungskette gelangen. Außerdem sind sie extrem lange haltbar. Ihre Zersetzung kann über 100 Jahre dauern.

Nachwachsend und verträglich

Im Projekt KosLigCel entwickelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS gemeinsam mit Industriepartnern eine Zahnpasta, in der das Mikroplastik durch Partikel aus nachwachsenden Rohstoffen ersetzt wurde. Die Herausforderung bestand darin, Partikel herzustellen, die in Größe, Form, Härte und auch in der Oberflächenstruktur genau passend für die gewünschten Reinigungseigenschaften sind. Die Partikel sollen Plaque, Zahnverfärbungen und Essensrückstände entfernen, dürfen aber den Zahnschmelz nicht schädigen. Sie sollen außerdem gesundheitlich verträglich sein und kostengünstig herstellbar. Geeignetes Ausgangsmaterial wurde schließlich in Cellulose, die aus Buchenholz, Hafer, Weizen und Mais gewonnen wird, gefunden, und der Herstellungsprozess nach und nach optimiert.

Marktreife

Die Cellulosepartikel sind bereits auf dem Markt und können nicht nur in Zahnpasta sondern beispielsweise auch in Cremes, Peelings, dekorativer Kosmetik oder Deodorants verwendet werden.

Mikroorganismen werden in vielen biotechnologischen Verfahren unter anderem zur Herstellung von Chemikalien und Medikamenten eingesetzt. Sie sind somit eine nachhaltige und oftmals effizientere Alternative zu den bis dato meist auf fossilen Rohstoffen basierenden Verfahren. Um auf die Mikrobenvielfalt und deren großes Anwendungspotenzial aufmerksam zu machen, wählen die Mitglieder der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) jedes Jahr die „Mikrobe des Jahres“. Für 2019 haben sie die Bakteriengattung Magnetospirillum gekürt.

Mikroben orientieren sich mittels Sauerstoffsensor und Magnetfeld

Magnetospirillum wurde 1963 erstmals von dem Italiener Salvatore Bellini entdeckt. Die Mikrobe lebt in Tümpeln und Meeren, vorrangig in tieferen und sauerstoffarmen Sedimentschichten. Wie der Name vermuten lässt, handelt es sich um Bakterien mit magnetischen Eigenschaften: Mithilfe der Ausrichtung am Erdmagnetfeld und eines Sauerstoffsensors finden sie zu den für sie angenehmsten Sedimentschichten. 1990 isolierte Dirk Schüler, damals Student in Greifswald und heute Professor an der Universität Bayreuth, das noch weitgehend unbekannte Bakterium aus dem Schlamm eines Flusses. Das Timing war dabei von großer Bedeutung: „Als glückliche Fügung erwies sich zeitgleich der Fall der Mauer: Im Münchner Labor von Karl-Heinz Schleifer und Rudolf Amann untersuchten wir mit modernen Methoden das neuentdeckte Bakterium. Es wurde namensgebend für die Gattung Magnetospirillum“, so Schüler.

Bakterien nehmen Eisenionen aus der Umgebung auf

Inzwischen ist Magnetospirillum detailliert erforscht und ein wichtiger Modellorganismus für die Bildung bakterieller Organellen. Die magnetischen Eigenschaften basieren auf Ketten magnetischer Kristalle in der Zellmitte der Bakterien. Diese Kristalle richten sich wie eine Kompassnadel aus. Sie entstehen mithilfe spezieller Enzyme, die Eisenionen aus der Umgebung in die Bakterienzelle transportieren. Dadurch bilden sich Ketten aus 15 bis 30 Eisenoxid-Kristallen, die zusammen wie ein Magnet wirken.

Hohes Anwendungspotenzial für Biotechnologie und Biomedizin

Für die Biotechnologie und die Medizin bietet Magnetospirillum etliche Anwendungsmöglichkeiten, da die winzigen Magnete eine einheitliche Größe und Form sowie hohe Magnetisierung aufweisen, die synthetisch hergestellte Nanopartikel nicht erreichen. Diese Mikroben sind daher als magnetisches Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie (MRT), aber auch für andere Bildgebungsverfahren und die medizinische Diagnostik äußerst interessant. In Tierversuchen konnten bereits mithilfe von Magnetosomen Tumore verkleinert werden.

Auch der komplette Biosyntheseweg von Magnetospirillum ist mittlerweile entschlüsselt und wurde schon erfolgreich in fremde Bakterien übertragen. So lassen sich laut Schüler Größe, Form und Magnetisierung der Mikroben nach Bedarf gentechnisch variieren. „Mit fremden Genen bringen wir die Bakterien dazu, Magnetpartikel mit neuen Eigenschaften zu produzieren: interessante Enzymaktivitäten, Antikörper oder größere geordnete magnetische Strukturen“, so Schüler. Diese seien für technische oder biomedizinische Anwendungen von großem Interesse. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sind sogenannte Mikroroboter: Hier werden die magnetischen Mikroben mit Medikamenten beladen und anschließend gezielt an den gewünschten Wirkungsort im Körper gesteuert.

jmr

Microorganisms are used in and for many biotechnological processes, including the production of chemicals and drugs. They offer a sustainable and often more efficient alternative to processes that were previously mostly fossil-based. In order to draw attention to the diversity of microbes and their enormous potential for many different applications, the members of the Association for General and Applied Microbiology (VAAM) elect the "Microbe of the Year" every year. For 2019, they have chosen the species of Magnetospirillum.

Microbes orient themselves via oxygen sensors and magnetic fields

Magnetospirillum was first discovered in 1963 by the Italian Salvatore Bellini. The microbe lives in puddles and oceans, mainly in deeper and low-on-oxygen sediment layers. As the name suggests, they are bacteria with magnetic properties: by aligning themselves with the earth's magnetic field and using an oxygen sensor, they find their way to their preferred sediment layers. In 1990, Dirk Schüler, then a student in Greifswald and now a professor at the University of Bayreuth, isolated the previously largely unknown bacterium from the mud of a river. The timing was very important: "At the same time, the fall of the Berlin Wall proved to be a lucky coincidence: In the Munich laboratory of Karl-Heinz Schleifer and Rudolf Amann, we used modern methods to study the newly discovered bacterium. It gave its name to the species Magnetospirillum," said Schüler.

Bacteria absorb iron from the environment

The bacteria have now been studied in detail and are an important model organism for the formation of bacterial organelles. Their magnetic properties are based on chains of magnetic crystals in the middle of the bacterial cells. These crystals align themselves like a compass needle. They are formed with the help of special enzymes that transport iron ions from the environment into the bacterial cell. As a result, chains of 15 to 30 iron oxide crystals are formed that - once combined - act like a magnet.

Large application potential for biotechnology and biomedicine

For biotechnology and medicine, Magnetospirillum offers countless possible applications, because the tiny magnets are uniform in size and shape and possess a high magnetization that synthetically produced nanoparticles cannot achieve. These microbes are therefore extremely interesting as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI), but also for other imaging procedures and medical diagnostics. Moreover, in animal experiments, magnetosomes have already been used to reduce the size of tumours.

The complete biosynthetic pathway of magnetospirillum has also been deciphered and has already been successfully transferred to foreign bacteria. According to the students, the size, shape and magnetization of the microbes can be genetically modified as required. "We use foreign genes to induce bacteria to produce magnetic particles with new properties: interesting enzyme activities, antibodies or larger ordered magnetic structures," said Schüler. These are of great interest for technical or biomedical applications. Another possible application is in so-called microrobots, in which the magnetic microbes are loaded with drugs and then directed to the desired site of action in the body.

jmr