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Viele Pflanzen haben Strategien entwickelt, die sie befähigen, auch auf nährstoffarmen oder trockenen Böden zu wachsen. Diese Anpassungsfähigkeit ist wichtig, denn oft konkurrieren sie mit anderen Gewächsen auf engstem Raum um kostbare Nährstoffe, Wasser oder Sonnenlicht. Doch wofür entscheidet sich eine Pflanze in einer solchen Stresssituation: wachsen oder verteidigen?

Stresssituationen bei Pflanzen analysieren

Diesen Stressmechanismus bei Pflanzen wollen Forscher vom Institut für Pflanzenbiologie der Technischen Universität Braunschweig nun genauer unter die Lupe nehmen. Das Vorhaben wird über 18 Monate von der VolkswagenStiftung im Rahmen des „Experiment!“-Programmes unterstützt. Ziel des Projektes ist es, die Reaktionen der Organismen auf Stress zu analysieren. Ein Team um Projektleiterin Maria Pimenta Lange wird dabei der Frage nachgehen, wie sich Pflanzen konkret für Abwehr oder Wachstum entscheiden.

Molekulare Prozesse identifizieren

Dazu wollen die Braunschweiger Wissenschaftler das Stressmanagement von betäubten Pflanzen mit dem von unbetäubten Pflanzen vergleichen. Der Grund: Gewächse wie Mimosen, Venusfliegenfallen und Sonnentau zeigen deutliche Reaktionen bei Anästhesiebehandlungen: Sie verlieren ihre autonome und berührungsinduzierte Fähigkeit zur Bewegung. Dieses Wissen will das Team nutzen, um molekulare Reaktionen zu identifizieren, die für die Entscheidung in einer Stresssituation verantwortlich sind.

bb

Es war im Jahr 2010, als Brustimplantate aus billigem Industriesilikon einen Skandal in der Medizintechnik auslösten. Der Fall beschäftigte jahrelang die Gerichte und rückte dabei auch die Bedeutung der Biokompatibilität von biomedizinischen Materialien in den Fokus. Diese Materialien sind Werkstoffe, die für therapeutische oder diagnostische Zwecke im oder am Körper eines Patienten eingesetzt werden. An ihrer Sicherheit werden hohe Anforderungen gestellt – doch standardisierte, umfassende und schnelle Bewertungsmethoden fehlen bis heute.

Modularer Aufbau des Testsystems

Das von der Europäischen Union geförderte Forschungsprojekt PANBioRA will das ändern. Die international zusammengesetzte Projektgruppe entwickelt einen Prototypen mit dem Ziel, zahlreiche biologisch relevante Parameter überprüfen zu können. Das modulare System soll erfassen, ob ein Biomaterial Antikörperreaktionen auslöst, was in der Praxis beispielsweise Abstoßungen des Materials und Entzündungen zur Folge hätte. Es testet auch, ob Zellen oder Gewebe geschädigt werden und ob das Biomaterial das Erbmaterial verändert.

Schnelle und einfache Anwendbarkeit

Durch Befragungen von Anwendern in Forschungseinrichtungen und Krankenhäusern ermitteln die Projektpartner die praktischen Anforderungen und Erwartungen. Ein besonderes Augenmerk legen die Entwickler des Prototypen auf dessen schnelle und einfache Bedienung. Im Dialog mit Experten für Biomaterialien soll außerdem ein Rahmenwerk konzipiert werden, welche Parameter standardmäßig zur Sicherheitsbewertung von Biomaterialien gehören. Nicht zuletzt soll ein „Risikoradar“ die umfassende Bewertung von Risikomaterialien ermöglichen.

Erster Prototyp nach einem Jahr

Über ihre Fortschritte im ersten Projektjahr haben die Forscher unlängst bei einem Treffen in Albanien berichtet. Neben den Befragungsergebnissen und ersten Erfolgen bei den einzelnen Testkomponenten gab es sechs wissenschaftliche Fachpublikationen. Darüber hinaus konnte das Konsortium bereits einen Prototypen vorstellen.

bl

Nearly nine years ago, in 2010, breast implants made of cheap industrial silicone caused a scandal in medical technology. The case occupied the courts for many years and also focused on the issue of biocompatibility for biomedical materials. These materials are used for therapeutic or diagnostic purposes in or on a patient's body. Therefore, high demands are placed on their safety - but standardized, comprehensive and rapid evaluation methods are still lacking.

Modular structure of the test system

The research project PANBioRA, funded by the European Union, aims to change this. The international project group is developing a prototype that will be able to test numerous biologically relevant parameters. The modular system is intended to determine whether a biomaterial triggers antibody reactions, which in practice would lead to rejection of the material and inflammation. It also tests whether cells or tissue are damaged, and whether the biomaterial alters the genetic material.

Quick and easy to use

By interviewing users in research institutions and hospitals, the project partners determined the practical requirements and expectations. The developers of the prototype are paying special attention to its quick and easy operation. In dialogue with experts in biomaterials, a framework will also be developed that includes standard parameters for the safety assessment of biomaterials. Last but not least, a "risk radar" will enable the comprehensive evaluation of risk materials.

First prototype after one year

The research partners recently reported on their progress throughout the first project year at a meeting in Albania. In addition to the survey results and initial successes with the individual test components, they completed six scientific publications. Furthermore, the consortium was already able to present a prototype.

bl/ jmr

Die Verschmutzung der Umwelt durch Plastikmüll betrifft längst nicht mehr nur Meere und Ozeane. Eine Meta-Studie hat erst kürzlich gezeigt, dass die Bedrohung durch Mikroplastik an Land noch viel größer ist als in Gewässern. Als Verursacher gelten auch hier Einwegartikel aus Kunststoffen, die in die Umwelt gelangen und so ganze Ökosysteme gefährden. Und was im Wasser treibt und Landschaften verschmutzt, macht auch vor Ackerböden nicht halt. Forscher der Universität Bayreuth zeigen erstmals in einer Studie, dass Plastikpartikel, ob groß oder klein, selbst auf konventionell bewirtschafteten Anbauflächen zu finden sind. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ erschienen.

Ein Team um Christian Laforsch hatte in Mittelfranken ein 10.000 Quadratmeter großes Feld untersucht, auf dem neben Weizen, Gerste, eine Kreuzung von Weizen und Roggen (Triticale) sowie Luzerne und Weißer Senf angebaut wurden. Gedüngt wurde hier ausschließlich mit Stallmist von Kühen und Schweinen sowie Stickstoffdünger. Gewächshäuser aus Kunststoff, Mulchfolien und andere plastikhaltige Hilfsmittel kamen nicht zum Einsatz.

Vor allem Plastikpartikel aus Polyethylen im Ackerboden

Zum Aufspüren von Makro- und Mikroplastikpartikeln im und auf dem Ackerboden, nutzte das Team die Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR). Der Studie zufolge konnten mit Hilfe dieser Technik, allein auf der Oberfläche des Bodens insgesamt 81 Makroplastikteilchen mit einer Größe von mehr als fünf Millimetern identifiziert werden. Bezogen auf die Gesamtfläche ergibt sich somit eine Makroplastikbelastung von 206 Teilen pro Hektar. Insgesamt spürten die Forscher sechs verschiedene Kunststoffarten auf. In 68% der Fälle handelte es sich um Makroplastikteile aus Polyethylen - ein Kunststoff, der besonders oft für Einwegverpackungen verwendet wird. 14% der Plastikpartikel waren aus Polystyrol. Der Anteil von Polypropylen lag wiederum bei 8% und der von PVC bei 5%.

Darüberhinaus wurde der Boden auch stichprobenartig auf Mikroplastikteilchen untersucht. Diese weniger als fünf Millimeter kleinen Partikel sind in der Regel für das bloße Auge kaum sichtbar. Hier zeigte sich, dass der Ackerboden pro Kilogramm Trockengewicht im Durchschnitt 0,34 Mikroplastikteilchen enthielt. Hochgerechnet auf eine Fläche von einem Hektar bedeutet das eine Kontamination von mindestens 150.000 Mikroplastikteilchen. Auch hier war der Anteil von Polyethylen mit 62,5% am größten. „Unsere Berechnungen zeigen, dass die Anzahl der Mikroplastikpartikel pro Hektar punktuell noch viel höher liegen kann“, erklärt Martin Löder, Experte für Mikroplastikforschung an der Universität Bayreuth.

Kontamination der Äcker durch Plastik weitaus größer

Mit Blick auf die noch relativ sanfte konventionelle Bewirtschaftung des untersuchten Ackerbodens gehen die Forscher davon aus, dass die Kontamination der Ackerböden insgesamt weitaus größer ist. „Ackerland, das über größere Zeiträume hinweg mit einem kunststoffverunreinigten Dünger - wie zum Beispiel Kompost aus bestimmten Kompostieranlagen oder Klärschlamm - bearbeitet wird, dürfte größere Mengen an Partikeln enthalten. Dies gilt ebenso für Agrarflächen, die mit Kunststoff-Gewächshäusern und Mulchfolien bewirtschaftet werden“, erklärt Sarah Piehl, Erstautorin der Studie und Doktorandin an der Universität Bayreuth.

Mikroplastik stammt zum Großteil aus Makroplastik

Woher die Kunststoffpartikel stammen, konnte nicht eindeutig festgestellt werden. Die Bayreuther Forscher vermuten, dass die Makroplastikteile entweder versehentlich auf dem Bauernhof in den Stallmist geraten sind oder von achtlos entsorgtem Müll stammen, den der Wind aufs Feld geweht hat. Bei den Mikroplastikpartikeln handelt es sich zum Großteil um Fragmente, die vom Makroplastik stammen. Diese könnten entweder durch natürliche Stoffwechselprozesse oder durch landwirtschaftliche Techniken, wie etwa das Pflügen, zu Mikroplastik zerkleinert worden sein. „Allein die Tatsache, dass mehr als ein Drittel der globalen Landfläche landwirtschaftlich genutzt wird, zeigt, dass die Forschung auch in diesem Bereich erheblich intensiviert werden muss“, sagt Christian Laforsch.

Mit einem Verbot von Einwegplastikprodukten wie Obst- und Gemüsebeutel, To-go-Kaffeebecher oder Take-away-Essensboxen will die EU diese Umweltbelastung eindämmen. Das EU-Parlament gab im November 2018 dafür bereits grünes Licht. 

bb

Solarenergie und Solartechnik sind eine nachhaltige und umweltschonende Methode der Energiegewinnung. Abgesehen von der Speicherung der so gewonnenen Energie ist auch die Effizienz dieser Methode noch ausbaufähig. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat sich nun Pflanzen und deren „Solarzellen“ zum Vorbild genommen, um die Effizienz der Solarenergiegewinnung zu verbessern. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Chemistry“ vor.

Mehr einfallende Energie durch Lichtantennen

Die Photosynthese ist ein ebenso komplexer wie essenzieller Prozess, der nicht zuletzt den von uns benötigten Sauerstoff produziert. Zu diesem Zweck nutzen Grünpflanzen, Algen sowie manche Bakterien mithilfe des grünen Farbstoffes Chlorophyll Sonnenlicht als Energiequelle. Das Chlorophyll nimmt die elektromagnetische Lichtenergie auf, wodurch chemische Reaktionen in Gang gesetzt werden. Diese finden im Kern von komplexen Proteinstrukturen statt, genannt Photosystem I und II. Damit diese komplexen Prozesse so effektiv wie möglich ablaufen, sind die Reaktionszentren der Photosysteme umringt von lichtabsorbierenden Farbstoffen. Diese „Lichtantennen“ vergrößern die Fläche, auf die die Lichtenergie auftreffen kann, und erweitern das Spektrum von nutzbaren Wellenlängen. Beides sind Voraussetzungen für eine günstige Energiebilanz. In der Natur gibt es etwa 30 Antennen pro Reaktionszentrum. Wissenschaft und Technik arbeiten schon lange daran, diese enorme Effizienzsteigerung nachzuahmen.

Netz aus lichtabsorbierenden Kristallen formen Sammelblock

Für ihren Ansatz haben Physiker der FAU um Dirk Guldi und seinem ehemaligen Mitarbeiter Konstantin Dirian nun insbesondere das Photosystem II genauer unter die Lupe genommen. In den neu entwickelten Systemen lagern sich lichtabsorbierende Kristalle, wie sie in Leuchtdioden, Transistoren und Solarzellen bereits verwendet werden, zu einem Netz aus sechseckigen Waben um einen wasseroxidierenden Katalysator mit vier Ruthenium-Metallatomen im Zentrum. In dem selbstorganisierenden chemischen Prozess entstehen dann aus diesen „Kleinstkraftwerken“ zweidimensionale Lamellen. Schließlich formen diese übereinanderliegenden Schichten einen gemeinsamen Block, in dem sich die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie sammelt. 

Zwar ist dadurch die ideale räumlich-funktionelle Anordnung der natürlichen Photosysteme noch immer nicht vollständig erreicht, doch das Prinzip der Natur wird widergespiegelt und die Fähigkeit Licht einzufangen deutlich verbessert. Mithilfe dieser technischen Neuerung hoffen die Forschenden, die Effizienz der Solartechnik in naher Zukunft noch weiter auszubauen und der Pflanzen anzunähern.

jmr

2018 war der Sommer in Deutschland ungewöhnlich trocken. Viele Pflanzen haben nicht überlebt, da sie auf Wasser angewiesen sind: Ohne Regen fehlt ihnen nicht nur der Wassernachschub über die Wurzeln. Über ihre Blätter verlieren sie obendrein gespeichertes Wasser. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Heidelberg hat nun herausgefunden, wie Pflanzen versuchen, sich vor diesem Effekt zu schützen. Das Mineral Sulfat spielt dabei eine besondere Rolle, wie die Wissenschaftler in den Fachjournalen „The Plant Cell“ und „Plant Physiology“ aufzeigen.

Einfluss der Umweltfaktoren verstehen

Um für die Photosynthese Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen zu können, weisen Pflanzenblätter spezielle Poren auf. Durch diese Poren kann jedoch auch Wasser aus den Blätter verdunsten. Wie weit diese Poren geöffnet sind und wie schnell die Pflanze somit Wasser verliert, reguliert das Trockenstresshormon Abscisinsäure (ABA). „Um Nahrungspflanzen mit einer größeren Widerstandsfähigkeit gegen Wassermangel und Dürre züchten zu können, müssen wir verstehen, wie Umweltfaktoren die Bildung des Hormons ABA regulieren“, erklärt Markus Wirtz vom Centre for Organismal Studies (COS) der Universität Heidelberg.

Signal von der Wurzel an die Blätter 

Genau diesem Ziel sind die Pflanzenforscher nähergekommen. Bereits 2017 entdeckte das Team, dass sich in den Wasserleitungsbahnen der Pflanzen bei beginnender Dürre Sulfat ansammelt. Nun konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass dieses Mineral indirekt die Blattporen schließt, indem es das Hormon ABA vermehrt. „Wir waren selbst überrascht, wie effizient Sulfat die Synthese von ABA anstößt und damit den Verschluss der Poren reguliert“, berichtet Rüdiger Hell vom COS. Das neu gewonnene Verständnis darüber, wie das Signal für Wassermangel aus der Wurzel in die Blätter weitergeleitet wird, soll nun helfen, die Trockentoleranz wichtiger Nahrungspflanzen zu verbessern.

bl

Nadelbäume und Samenfarne gehören zu den ältesten Pflanzengruppen überhaupt. Nach bisherigen Erkenntnissen entstanden diese im sogenannten Erdmittelalter, dem Mesozoikum, das vor etwa 250 Millionen Jahren begann und vor rund 66 Millionen Jahren endete. Nun haben Paläobotaniker der Wilhelms-Universität Münster (WWU) an der Ostküste des Toten Meeres in Jordanien Pflanzenfossilien entdeckt, die zwar Merkmale der Pflanzen aus diesem Zeitalter tragen, aber bereits aus dem Perm stammen, also dem Vorgänger des Erdmittelalters. Damit sind die neu entdeckten Fossilien, die zu den ältesten bekannten Angehörigen dreier Pflanzengruppen zählen,  deutlich älter als bisher vermutet. Über diesen erstaunlichen Fund berichtet das Team um Patrick Blomenkemper, Benjamin Bomfleur und Hans Kerp im Fachjournal „Science“.

Gut erhaltene Fortpflanzungsorgane ermöglichen Zuordnung

Unter den jetzt neu entdeckten Fossilien befindet sich der vermutlich älteste Nachweis von noch heute lebenden Gruppen von Nadelbäumen. Die Samenfarne sind hingegen noch während des Erdmittelalters ausgestorben. Erste Hinweise auf ein Auftreten dieser Farne noch vor dem Erdmittelalter hatte eine Forschergruppe um Hans Kerp bereits vor etwa zehn Jahren veröffentlicht. Doch bei den neuen Funden sind auch die typischen Fortpflanzungsorgane dieser Gewächse ungewöhnlich gut erhalten. „Das hat uns erlaubt, die Verwandtschaftsverhältnisse der Pflanzen anhand charakteristischer Zellmuster der Epidermis, also der äußeren Zellschicht, genau zu bestimmen“, so Bomfleur. Nach der Entdeckung der Fossilien bereiteten die Forscher sie mit speziellen Verfahren im Labor so auf, dass sie sie schließlich mikroskopisch untersuchen konnten.

Tropen könnten evolutionäre Wiege vieler Pflanzengruppen sein

Laut Bomfleur ist auch das jordanische Untersuchungsgebiet etwas ganz Besonderes. Denn die Pflanzenfossilien liegen hier in ungewöhnlichen, gemischten Vergesellschaftungen vor, die bislang unterschiedlichen geografischen Regionen zugeordnet wurden. Entdeckt wurden sie in Sedimentgesteinen, die zu Lebzeiten der Pflanzen in einem küstennahen Flachland in Äquatornähe abgelagert wurden. Eigentlich sind in solchen Bereichen die Chancen, dass Fossilien erhalten bleiben, relativ gering. Der Fund der drei Pflanzengruppen in diesen Ablagerungsräumen belegt demnach, dass Neuentwicklungen in der Pflanzenwelt in vielen Fällen an saisonal trockeneren Standorten in äquatorialen Bereichen stattfanden. „Wir haben seltene fossile Belege dafür gefunden, dass die Tropen als ‚evolutionäre Wiege‘ für viele Pflanzengruppen gelten können“, sagt Bomfleur.

An der Studie waren neben der Universität Münster auch Forschende der University of Jordan in Amman (Jordanien) sowie vom National Museum of Natural History, Smithsonian Institution, in Washington, DC (USA) beteiligt. Die Arbeiten der Münsteraner Paläobotaniker wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unter anderem im Rahmen des Emmy-Noether-Projekts „Latitudinal Patterns in Plant Evolution“ gefördert.

jmr

Die Netzwerkpartner 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. Der Transfer biobasierter Produkte und Dienstleistungen aus Forschung, Innovation und Demonstration in einen industriellen Produktionsmaßstab soll damit verbessert werden. Insbesondere sollen auch Lösungen zur Ernährungssicherung und zur Produktion von gesunden und sicheren Lebensmitteln aus aquatischen Ressourcen entwickelt werden. Diese Ziele sollen mithilfe der Förderung interdisziplinärer transnationaler Verbundforschungsvorhaben erreicht werden. 

ERA-Blue-Bio-COFUND hat zusammen mit der Europäischen Kommission im Dezember 2018 eine Ausschreibung zur Einreichung von Anträgen für Forschungsprojekte gestartet. Die Initiative hat ein Gesamtvolumen von etwa 23,5 Mio. Euro.

Für die Herstellung von Kosmetika gilt innerhalb der EU seit 2016 ein striktes Tierversuchsverbot. Um Nebenwirkungen neuer Wirkstoffe zu testen, sind Tierversuche jedoch oft noch unverzichtbar - auch weil es bisher an alternativen Testverfahren fehlt. Multiorgan-Chips, auf denen im Miniformat beispielsweise Leber oder Niere abgebildet sind, sind vielerorts in der Entwicklung und könnten künftig helfen, Tierexperimente auf ein Mindestmaß zu begrenzen.

Mehr Transparenz und Qualität in der Forschung

Hier setzt auch das neue Register für Tierversuche „Animal Study Registry“ an, das am 7. Januar dieses Jahres am Deutschen Zentrum zum Schutz von Versuchstieren (Bf3R) am Bundesinstitut für Risikobewertung gestartet ist. Forschende weltweit können hier ihre wissenschaftlichen Studien mit Tieren von Beginn an dokumentieren und stellen so die gewonnenen Informationen anderen Wissenschaftlern zur Verfügung. „Mit diesem Register verbessern wir die Transparenz und Qualität der Forschung. Zugleich helfen wir, unnötige Tierversuche zu vermeiden“, sagt Andreas Hensel, Präsident des Bundesinstituts für Risikobewertung.

Unbequeme Ergebnisse gewünscht

Das Online-Register ist frei zugänglich, die Registrierung freiwillig. Das Register zielt zudem ausdrücklich nicht nur auf Erfolgsmeldungen ab. Auch Studien mit unbequemen Ergebnissen sollen hier eine Plattform finden, damit sich ein umfassenderes und „ungeschöntes“ Bild ergibt und Irrwege in der Forschung vermieden werden. Von der Online-Dokumentation versprechen sich die Initiatoren eine zielgerichtetere Planung von Tierversuchen, nachvollziehbarere Ergebnisse und eine Anhebung des wissenschaftlichen Standards. Durch die Veröffentlichung der Studien könnten Tierversuche eingespart und der Tierschutz verbessert werden.

Vorklinische Forschung verbessern

Das Register für Tierversuche ist nicht nur für klinische Studien offen, sondern soll auch eine Plattform für die vorklinische Forschung sein. Und letztlich sollen nicht nur Wissenschaftler, sondern auch Patienten von dem neuen Tierversuchsregister profitieren, da das Wissen aus Tierversuchen noch immer die Basis für Medikamententests am Menschen ist. Die frei verfügbaren Informationen aus der Datenbank könnten demnach das Risiko von Komplikationen und Nebenwirkungen bei Medikamenten senken.

bb

Angesichts der stetig wachsenden Weltbevölkerung bei gleichzeitig schwindenden Ressourcen können wir es uns nicht mehr leisten, Lebensmittel einfach wegzuwerfen. Und doch landen einer Studie der Umweltstiftung WWF Deutschland zufolge, hierzulande jährlich zehn Millionen Tonnen Lebensmittel im Müll – oft aus Angst vor verdorbener Ware. Dabei sind viele Nahrungsmittel meist weitaus länger genießbar, als das Mindesthaltbarkeitsdatum vermuten lässt. Um dieser Verschwendung entgegenzuwirken, haben Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit Partnern einen Food-Scanner im Hosentaschenformat entwickelt: Er prüft, ob Lebensmittel verdorben sind. Für Anfang 2019 ist bereits eine Testphase in Supermärkten geplant, um zu erfahren, wie Verbraucher das Gerät annehmen.

17 Maßnahmen gegen die Lebensmittelverschwendung

Allein in Bayern landen rund 1,3 Millionen Tonnen Nahrungsmittel jährlich im Abfall. Dieser Verschwendung will das Bayerische Staatsministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten mit insgesamt 17 Maßnahmen entgegenwirken. Dazu gehört auch der Food-Scanner. An der Entwicklung beteiligt sind das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, die Technische Hochschule Deggendorf sowie die Hochschule Weihenstephan-Triesdorf.  

Infrarotlicht misst Zusammensetzung

Der Food-Scanner liegt derzeit als Demonstrator mit Daten für zwei Lebensmittel vor und kann auch deren Haltbarkeit abschätzen. Mithilfe eines Nahinfrarot (NIR)-Sensors kann das Gerät den Frischegrad von Lebensmitteln feststellen, aber auch welche und wie viele Inhaltsstoffe das jeweilige Produkt enthält. Dabei ist es egal, ob die Ware verpackt ist oder nicht. „Infrarotlicht wird punktgenau auf das zu untersuchende Produkt geschickt, anschließend misst man das Spektrum des reflektierten Lichts. Die absorbierten Wellenlängen lassen Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Ware zu“, erklärt Robin Gruna, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB. Ein weiterer Vorteil des Scanners: Damit lassen sich auch gefälschte oder gepanschte Nahrungsmittel erkennen, beispielsweise, wenn Lachsforellen als Lachs verkauft werden oder Olivenöl gepanscht ist. Doch der Infrarotscanner hat Grenzen: Den Herstellern zufolge erkennt er ausschließlich homogene Lebensmittel. Heterogene Produkte, also solche mit vielen verschiedenen Zutaten, lassen sich mit dieser Methode nicht überprüfen.

Intelligente Algorithmen erkennen Frischegrad

Zusätzlich haben die Wissenschaftler intelligente Algorithmen entwickelt, die erkennen, was die Infrarotsensoren gemessen haben. Am Beispiel von Tomaten und Hackfleisch hat das Team um Gruna die Algorithmen „trainiert“. So wurden die Infrarotspektren von Hackfleisch mithilfe statistischer Verfahren mit dem mikrobiellen Verderb korreliert und die weitere Haltbarkeit des Fleisches davon abgeleitet. Der Scanner sendet die gemessenen Daten dann zur Analyse per Bluetooth an eine eigens entwickelte Cloud-basierte Datenbank, in der die Auswerteverfahren hinterlegt sind. Die Messergebnisse werden anschließend an eine App übertragen, die dem Verbraucher die Ergebnisse anzeigt und darstellt, wie lange das Lebensmittel bei den jeweiligen Lagerbedingungen noch haltbar ist oder ob es zu lange gelagert wurde. Zusätzlich bietet die App auch Informationen darüber, wie die Lebensmittel alternativ verwendet werden können, sollte die Lagerdauer tatsächlich bereits abgelaufen sein.

Das Ziel der Entwickler ist ein breiter Einsatz entlang der Wertschöpfungskette zur Reduzierung etwaiger Verluste. Und auch ein Einsatz abseits der Lebensmittelindustrie ist denkbar. Beispielsweise könnte das System genutzt werden, um damit Kunststoffe, Holz, Textilien oder Mineralien voneinander zu unterscheiden und zu klassifizieren. „Der Einsatzbereich des Gerätes ist vielseitig, es muss nur entsprechend trainiert werden“, so Gruna.

jmr

In light of the growing world population and dwindling resources, we can no longer afford to simply throw away food. And yet, according to a study by the environmental foundation WWF Germany, ten million tons of food end up in Germany's garbage every year - often for fear of spoiled goods. However, many foods are edible for much longer than the best-before date suggests. To limit this wasteful behaviour, Fraunhofer researchers have developed a pocket-sized food scanner that detects whether food is spoiled. A test phase in supermarkets is planned for early 2019: This will also include the question whether and how consumers will accept the device.

17 measures to combat food waste

Of the 10 million tons of wasted food in Germany, about 1.3 million tons are thrown out every year just in Bavaria. Therefore, the Bavarian State Ministry of Food, Agriculture and Forestry aims to counteract this waste with a total of 17 measures. These include the food scanner, which was developed by researchers at the Fraunhofer Institute for Optronics, Systems Engineering and Image Evaluation IOSB, the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV, the Deggendorf Institute of Technology and the Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Sciences.

Infrared light measures composition

This scanner uses a near infrared (NIR) sensor to determine the freshness of food - whether it's packaged or not - as well as which and how many ingredients each product contains. "Infrared light is beamed with high precision at the product to be investigated and then the scanner measures the spectrum of the reflected light. The absorbed wavelengths allow us to make inferences about the chemical compossition of the product," explains Robin Gruna, project manager and scientist at Fraunhofer IOSB. A further advantage is that the scanner can also be used to detect counterfeit foods, for example when rainbow trout is sold as salmon or olive oil is mixed with other oils. But the infrared scanner has its limits: according to the manufacturers, only homogeneous food can be detected. Heterogeneous products, i.e. products with many different ingredients, cannot be analysed with this method.

Intelligent algorithms detect degree of freshness

In addition, the scientists have developed intelligent algorithms that recognize what the infrared sensors have measured. Using tomatoes and minced meat as examples, Gruna's team "trained" the algorithms. Using statistical methods, the infrared spectra of ground beef were correlated with microbial development and the further shelf life of the meat was extrapolated. The scanner then sends the measured data for analysis via Bluetooth to a specially developed cloud-based database in which the evaluation procedures are stored. The measurement results are then transferred to an app, which displays the results to the consumer and shows how long the food can still be stored under the respective storage conditions or whether it has already been spoiled. In addition, the app also provides information on how the food can be used alternatively, if indeed it has been stored for too long.

The developers aim for a broad deployment of the scanner and app along the value chain to reduce possible losses and food waste. Moreover, their set-up might also be useful outside the food industry. For example, the system could be used to distinguish and classify plastics, wood, textiles and minerals. "The range of potential applications is very wide; the device just needs to be trained accordingly," says Gruna.

jmr

Nicht nur Nutzpflanzen auf dem Land sind anfällig für Krankheiten. Auch Meeresalgen sind davor nicht gefeit. Bakterielle Krankheitserreger und parasitische Mikroalgen gefährden immer häufiger den kommerziellen Algenanbau. Verschiedene Aufwuchsorganismen wie Seepocken oder epiphytische Algen siedeln sich an den Oberflächen der Seetange an und mindern so Wachstum und Marktwert der Algen. Ein deutsch-chinesisches Forscherteam hat nun einen biologischen Pflanzenschutz für Meeresalgen entwickelt, der die Algenkolonien vor bestimmten Krankheitserregern schützen soll. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel koordiniert. An dem Projekt waren auch Unternehmen aus der Algenzucht beteiligt.

Braunalgen vor Krankheiten schützen

Der intensive Anbau von Braunalgen der Art Saccharina japonica vor allem in großen Monokulturen musste durch Krankheiten und Schädlingsbefall immer wieder enorme Verluste hinnehmen. Auch China, der größte Produzent von Lebensmittelalgen, war davon betroffen. GEOMAR-Wissenschaftler haben daher mit Kollegen der Ocean University of China in Qingdao untersucht, ob die gezielte Aktivierung der natürlichen Eigenabwehr von Seetang Krankheiten und Schädlingsbefall verhindern kann. Die Feldversuche fanden jeweils in kommerziell betriebenen Algenfarmen von Projektpartnern in Kiel und im chinesischen Rongcheng statt.

Immunabwehr der Algen gezielt stimulieren

Das Team konzentrierte sich dabei auf die gezielte Stimulation der Immunabwehr der Algen. Diese wurden dafür in Intervallen mit Seewasser behandelt, das ein spezielles und künstlich erzeugtes Saccharid erhielt. Dieses sogenannte Oligoalginat ist nicht giftig und wird bei Befall mit Krankheitserregern von dem betroffenen Algengewebe selbst freigesetzt und von benachbarten gesunden Algenzellen erkannt. Bei diesen wird dadurch innerhalb weniger Minuten eine Abwehrreaktion ausgelöst.

Im Rahmen der Studie konnte das Team diese Immunabwehr gezielt stimulieren. Sie simulierten den Angriff der Krankheitserreger erfolgreich und erzielten dadurch positive Effekte, wie das Forscherteam in der Fachzeitschrift „Journal of Applied Phycology“ berichtet. Im Ergebnis war nicht nur der Verlust von Algenkeimlingen geringer. Auch der Befall erntereifer Saccharina-Algen mit parasitischen Mikroalgen ging deutlich zurück. Zudem reduzierte sich die Dichte der Bakterien auf der Algenoberfläche. Aber es gab auch einen unerwünschten Nebeneffekt: der Befall der Algen mit Seepocken und anderen Aufwuchsorganismen beispielsweise nahm zu. Die Wissenschaftler vermuten, dass die starke Reduktion des Bakterienbewuchses auf der Algenoberfläche die Ursache dafür ist. 

Projektleiter Florian Weinberger vom GEOMAR ist dennoch überzeugt, dass die Methode grundsätzlich geeignet ist, um Meeresalgen vor Krankeitserregern zu schützen. „Wenn es uns eines Tages gelingt, Signalstoffe zu finden, die selektivere Abwehrreaktionen in den Algen auslösen, so dass nicht alle, sondern nur die unerwünschten Mikroorganismen eliminiert werden, kann die Methode noch deutlich hilfreicher sein. Aber schon heute lässt sie es zu, Verluste von Keimlingen zu reduzieren. Bei diesen spielt Aufwuchs nämlich noch keine Rolle.“ 

bb

Der Einsatz von Antibiotika in der Tiermedizin ist seit langem umstritten. Doch noch immer werden Rinder und Schweine damit versorgt. Knapp 733 Tonnen Antibiotika wurden nach Angaben des Bundesamtes für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit bundesweit 2017 an Nutztiere verabreicht. Ein Großteil davon gelangt über den Kot der Tiere mit der Gülle zur Vergärung in die Biogasanlagen und anschließend als Dünger wieder auf den Acker. Forscher der Universität Gießen haben daher untersucht, inwiefern der Prozess in Biogasanlagen den Eintrag von Antibiotikarückständen in die Umwelt reduzieren kann. Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.

In Regionen mit intensiver Landwirtschaft gibt es besonders viele Biogasanlagen. Auch werden hier besonders häufig Antibiotika von Tierärzten verordnet. „Es gibt verschiedene Studien, die einen Rückgang der Arzneimittel-Konzentration durch das Vergären von Gülle in den Biogasanlagen beschreiben.“ Doch die Vorgänge seien bisher weitestgehend unbekannt geblieben, sagt Projektleiterin Astrid Spielmeyer vom Institut für Lebensmittelchemie und Lebensmittelbiotechnologie der Universität Gießen. Zudem lieferten frühere Studien, die den Rückgang von Antibiotika in Güllebehandlungsverfahren untersuchten, unterschiedliche Ergebnisse.

Antibiotikareste nach Gärprozess

Das Team um Spielmeyer hat daher den Prozess in Biogasanlagen genauer untersucht. Im Fokus stand die Verarbeitung zweier Antibiotika, die besonders häufig verabreicht werden: Sulfonamide und Tetrazykline. Für beide Antibiotika-Gruppen sind bereits resistente Keime nachgewiesen worden. Das Ergebnis: Biogasanlagen können viele Antibiotika nicht beseitigen, sodass sie über den Dünger wieder in den Boden gelangen. Unterschiedliche Temperaturen, Säure- und Salzgehalte hatten demnach kaum Einfluss auf die Wirkstoffe. Gleichfalls stellten die Forscher aber fest, dass bei Zugabe eines Feststoffes wie Maissilage die Antibiotika-Konzentration in der Biogasanlage geringer wurde.

Wirkstoffe können sich im Boden erneut freisetzen

„Ein derartiger Rückgang, wie er auch in vorherigen Studien festgestellt wurde, heißt nicht unbedingt, dass die chemischen Strukturen zerstört und unwirksam werden“, erklärt Spielmeyer. Der Forscherin zufolge würden sich auch dann noch Antibiotikareste in Gülle und Gärresten befinden, wenn sie einzeln kaum noch nachweisbar sind. Das ist beispielsweise der Fall, wenn sich Bestandteile der Gülle mit den Wirkstoffen verbinden. „Wenn Wirkstoffe gebunden werden, können sie sich später auch wieder lösen, sodass es zu einem erneuten Freisetzen der Antibiotika in der Gülle oder auch im Boden kommen kann“, so Spielmeyer.

Antibiotikaabgabe an Tiere reduzieren

Im Rahmen des Projektes konnten die Gießener beweisen, dass sich trotz der Vergärung der Gülle in Biogasanlagen Antibiotikastoffe im Boden wieder freisetzen können. Den Forschern zufolge werden die Wirkstoffe langsam und stetig freigesetzt. DBU-Generalsekretär Alexander Bonde kommt daher zu dem Schluss: „Antibiotika müssen schon bei der Vergabe im Stall verringert werden, um Mensch, Tier und Umwelt zu schützen.“ 

bb