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Damit Pflanzen wachsen, benötigen sie Nährstoffe wie Phosphat und Stickstoff. Landwirte bringen daher Düngemittel aufs Feld, damit Mais oder Weizen gedeihen und gute Erträge eingefahren werden können. Doch die Nährstoffaufnahme der Pflanzen ist keinesfalls optimal. Stressfaktoren wie Trockenheit können verhindern, dass ausreichend Nährstoffe zu den Pflanzenwurzeln gelangen. „Ein Problem besteht hier vor allem darin, dass die nötigen Nährstoffe in diesen Düngern häufig nicht durchgängig in ausreichender Menge vorhanden oder pflanzenverfügbar sind. Sie werden durch die Aktivität von Bodenorganismen erst langsam freigesetzt, können auch pflanzenschädliche Nebenwirkungen entwickeln und Schadstoffrückstände enthalten“, erklärt Günter Neumann vom Fachgebiet Ernährungsphysiologie der Kulturpflanzen an der Universität Hohenheim.

Nährstoffaufnahme bei Pflanzen ankurbeln

Ein Team um den Hohenheimer Forscher will daher mithilfe von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen sowie bioaktiven Substanzen wie Pflanzen-, Algen- oder Kompostextrakten die Nährstoffaufnahme aus Boden und Dünger ankurbeln. Die Forschung zur Wirkung sogenannter Bioeffektoren als Pflanzenschutz wird derzeit im Rahmen des BonaRes-Verbundprojektes „DiControl“ gemeinsam mit Forschern vom Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) untersucht. In dem vom Bundesforschungsministerium mit rund 319.000 Euro geförderten Vorhaben geht es auch um die Frage, wie die Gemeinschaften der Mikroorganismen im Boden in den verschiedenen Anbausystemen interagieren. 

Erste Erkenntnisse dazu gibt es bereits. Im Rahmen des EU-Projektes BIOFECTOR haben die Hohenheimer Forscher gemeinsam mit internationalen Partnern die Wirkung der sogenannten Bioeffektoren an Tomaten, Weizen und Mais schon getestet. Hier untersuchten sie, welche Kombination von Bioeffektor und Dünger für das Pflanzenwachstum am erfolgversprechendsten ist.

Anwendungsbedingungen beeinflussen Bioeffektoren

Es zeigte sich: Die Wirksamkeit der Bioeffektoren ist stark von den jeweiligen Anwendungsbedingungen abhängig. So war der Effekt bei Stressbedingungen wie Trockenheit, Kälte oder einem erhöhten Salzgehalt bei der Bewässerung am größten. Neumann zufolge traf das insbesondere auf nichtmikrobielle Bioeffektoren wie Pflanzen- und Algenextrakte, aber auch auf Siliziumpräparate und Kombinationen mit Mikronährstoffen wie Zink und Mangan zu.

Pflanzen mit Bioeffektoren gegen Kältestress wappnen

„Bioeffektoren können offensichtlich über Signalfunktionen natürliche Anpassungsreaktionen an Kälte- oder Trockenstress stimulieren. Die Produzenten werden damit besser gegen klimawandelbedingte Wetterschwankungen abgesichert“, sagt Neumann. Die Hohenheimer Forscher sind überzeugt, dass Bioeffektoren Kulturpflanzen wie Mais, Raps oder Wintergetreide, die hierzulande oft unter kühlen Frühjahrstemperaturen leiden, gegen Kältestress wappnen könnten. Davon würde nicht nur die konventionelle Landwirtschaft profitieren, sondern auch der Ökolandbau. Durch die Stimulation der Nährstoffaufnahme mittels Mikroorganismen oder bioaktiver Substanzen würden Düngemittel besser ausgenutzt. Der positive Effekt zeigte sich sowohl bei organischem als auch bei Mineralstoffdünger. „An der Wurzel plaziert können Bioeffektoren den Pflanzen helfen, durch Förderung des Wurzelwachstums oder durch Mobilisierungsprozesse leichter an die Düngernährstoffe heranzukommen und diese effizienter zu nutzen. Dadurch muss weniger Dünger ausgebracht werden“, erklärt Neumann.

bb

Das fruchtbare Ackerland der Erde ist begrenzt und nimmt durch Erosion und Klimawandel seit Jahren ab. Gleichzeitig steigt der Bedarf nach Anbauflächen, weil die Weltbevölkerung wächst, der Fleischkonsum zunimmt und die chemische Industrie bemüht ist, erdölbasierte durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Welche Rolle dabei Pflanzen spielen, die der chemischen Industrie fermentierbaren Zucker liefern können, hat nun das nova-Institut in Hürth anhand von zwölf Nachhaltigkeitskriterien untersucht.

Nahrungspflanzen, Holz oder Abfälle?

Unterschieden haben die Forscher dabei Pflanzen der sogenannten ersten Generation, die ansonsten als Nahrungs- oder Futtermittel dienen würden, und Quellen der zweiten Generation, bei der dieser Konflikt nicht existiert – beispielsweise Holz, aber auch Abfall- und Reststoffe. Aus Sicht des Klimaschutzes glänzen demnach Restholz, Agrarreststoffe und Bioabfall, aber auch Zuckerrüben und Zuckerrohr senken die Treibhausgasemissionen der chemischen Industrie. Der Kostenvorteil liegt der Studie zufolge klar auf Seiten der Zuckerpflanzen. Aufgrund der insbesondere bei der Zuckerrübe hohen Flächeneffizienz und ihrer als Futtermittel nutzbaren Nebenprodukte sehen die Forscher hier keinen negativen Einfluss auf die Ernährungssicherheit. Das gelte jedoch bei praktisch allen untersuchten Zuckerquellen. Als nachteilig bewertet die Studie bei der Zuckerrübe die Folgen der intensiven Landwirtschaft für Wasser, Luft, Boden und Artenvielfalt.

Konflikte zwischen Kosten und Umweltauswirkungen

Stärkepflanzen wie Weizen und Mais schneiden als Zuckerquelle ebenfalls gut ab. Ihre besondere Stärke liegt in den nährstoffreichen Nebenprodukten für die Futtermittelindustrie, Schwächen sind – neben den Treibhausgasemissionen – wie bei Zuckerrüben die Umweltauswirkungen der intensiven Anbaumethoden. Als offensichtlichen Vorteil von Waldholz beschreibt die Studie die geringe Konkurrenz zu Ackerland. Allerdings sei die Flächenproduktivität gering und es gebe keine Nebenprodukte für die Futtermittelindustrie. Weniger günstig als Holz aus etablierter Forstwirtschaft seien sogenannte Kurzumtriebsplantagen, da hier häufig die Logistik fehle und manchmal die Einrichtung auf ehemaligen Ackerflächen erfolge. Abfall- und Reststoffe haben naturgemäß die geringsten Umweltauswirkungen und verringern die Treibhausgasemissionen am effektivsten. Nachteilig seien jedoch die hohen Treibhausgasvermeidungskosten, fehlende Infrastruktur und begrenzte Verfügbarkeit.

Schlechter Ruf der Zuckerpflanzen nicht zu begründen

Das Fazit der Forscher lautet daher, „dass fermentierbarer Zucker der ersten Generation für eine nachhaltige Rohstoffstrategie der europäischen chemischen Industrie ebenso vorteilhaft ist wie Zucker der zweiten Generation“. Der schlechte Ruf von Agrarrohstoffen der ersten Generation sei wissenschaftlich nicht zu begründen.

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In der Biotechnologie dienen Zellen als kleine Fabriken, um gezielt bestimmte chemische Verbindungen herzustellen. Dazu müssen Forschende zunächst geeignete Organismen finden und dann auch noch mit den speziellen Anforderungen und sonstigen Stoffwechselaktivitäten des jeweiligen Organismus‘ zurechtkommen. Weltweit arbeiten Wissenschaftler daher daran, künstliche Zellen herzustellen, die ganz auf ihre jeweiligen Aufgaben zugeschnitten sind. Was die Natur in lebenden Zellen in Millionen Jahren mithilfe der Evolution gelöst hat, muss dazu neugeschaffen oder chemisch nachgebildet werden. Ein Team der TU München hat dabei jetzt einen wichtigen Meilenstein erreicht, wie die Forscher um Friedrich Simmel im Fachjournal „Nature Chemistry“ berichten: Die Zellen können miteinander kommunizieren.

Zellen aus Gelen und Polymeren

Als Zellen dienen Gele oder Emulsionströpfchen mit einem Durchmesser von 10 bis 100 Mikrometern. Eine dünne Fett- oder Polymerschicht fungiert als Membran. Innerhalb dieser Zellen können chemische oder biochemische Reaktionen ungestört ablaufen. Im Fall der Münchener Forschungsgruppe produzierten die Zellen RNA oder Proteine, simulierten also die Genexpression natürlicher Zellen.

Membrankanäle für den Signalaustausch

Diese künstlichen Zellen verbanden die Chemiker zu mehrzelligen Strukturen mit definierter räumlicher Anordnung. In die Membranen haben die Forscher Kanäle eingebaut, durch die Signalproteine transportiert werden können. Tatsächlich ist es gelungen, auf diese Weise Signale durch den Zellverband zu schicken und Informationen von Zelle zu Zelle zu übermitteln, beispielsweise den Befehl, die Produktion eines Proteins zu beginnen. „Unser System ist das erste Beispiel eines multizellulären Systems, in dem künstliche Zellen mit Genexpression eine feste Anordnung haben und über chemische Signale miteinander gekoppelt sind. Auf diesem Wege erreichen wir damit eine Form der räumlichen Differenzierung“, resümiert Simmel. Das sei ein erster Schritt hin zu gewebeähnlichen, synthetischen biologischen Materialien, in denen sich einzelne Zellen wie in biologischen Organismen spezialisieren können.

Anwendung und Grundlagenforschung

Neben langfristig denkbaren Anwendungen als Minifabriken oder Sensoren erhoffen sich die Münchener Forscher auch wertvolle Werkzeuge für die Grundlagenforschung. Sie wollen Fragen zu den Anfängen des Lebens nachgehen, da sich auch damals einfache Zellen spezialisieren mussten, um gemeinsam komplexe Gewebe und Organismen zu formen. Die für diese Studien nötigen Zellen sollen künftig dank einer Kooperation mit der Hochschule München einfacher herzustellen sein als bislang: im 3D-Druck.

bl

1.750 Aussteller aus 61 Ländern präsentieren sich vom 18. bis 27. Januar auf der Internationalen Grünen Woche am Berliner Funkturm. Rund 400.000 Besucher werden nach Angaben der Veranstalter auf dem Messegelände erwartet. Partnerland ist in diesem Jahr Finnland. Die 84. Auflage der globalen Leitmesse für Landwirtschaft, Ernährung und Gartenbau zeigt nicht nur Neuerungen rund um Ernährung und Landwirschaft. Sie bietet auch eine internationale Plattform für neue biobasierte Produkte und Innovationen.

Primär ist die Grüne Woche jedoch vor allem eines: eine kulinarische Entdeckungsreise. Neben exotischen Speisen und regionalen Spezialitäten sind es die Trends von morgen, die auch in diesem Jahr neugierig machen. Ob Proteinbier, gebratene Insekten oder Proteinsnacks aus Algen – die Lebensmittelbranche setzt hier mit gesunden und nachhaltigen Produkten ein Zeichen. 

Besonderer Blickfang in der Bioökonomie-Halle 4.2: ein Porsche Cayman GT4 als Bioconcept-Car. Der schnittige und farbenfrohe Rennwagen ist ein Prototyp, dessen Leichtbau-Karosserie in Teilen aus Pflanzenfasern und biobasiertem Kunststoff besteht. Er ist damit ein anschauliches Beispiel, wie biobasierte und nachhaltige Produkte den Alltag erobern.  

Eine überwiegend pflanzliche oder vollständig vegane Ernährung wird immer beliebter bei umweltbewussten Konsumenten, da die ökologischen Kosten für Fleisch in Form von Waldrodungen und Treibhausgasemissionen immer größer werden. Deshalb sind alternative Proteinquellen wie Insekten, Laborfleisch oder Hülsenfrüchte sehr gefragt. Die Plattform für innovative Food- und Gastro-Ideen NX-FOOD (Next Generation Food) der METRO AG hat nun das britische Lebensmittelunternehmen Moving Mountains und das Düsseldorfer Burger-Restaurant „What's Beef" zusammengebracht, um den ersten Burger aus komplett pflanzlichen Zutaten in Deutschland auf den Markt zu bringen.

Die veganen Burger gibt's nur im Restaurant

„Wir freuen uns, dass wir diese Partnerschaft über NX-FOOD ermöglichen konnten. Unser Antrieb ist es, die Lücke zwischen Innovation und Umsetzung zu schließen", sagt Fabio Ziemßen, Leiter der Abteilung Food Innovation bei METRO. In Großbritannien wurde der Burger von Moving Mountains bereits erfolgreich eingeführt. In Deutschland ist dieser hingegen bisher nicht im Handel erhältlich und kann nur in den Restaurants der Burger-Kette „What's Beef" probiert werden. Für Selim Varol, Gründer und Geschäftsführer von „What's Beef", passt der neue, pflanzliche Burger optimal zur Burgerkette: „Wir sind stolz darauf, das erste Restaurant in Deutschland zu sein, das diese Alternative zu Fleisch anbietet. Natürlich wird es unser nachhaltig erzeugtes Fleisch nicht ersetzen. Aber es bedeutet, dass wir eine Alternative für Kunden bieten können, die ihren Fleischkonsum reduzieren wollen, und für diejenigen, die sich vegan ernähren."

Umweltfreundlich und nahrhaft

Jeder Moving Mountains Burger enthält 25 Gramm pflanzliches Eiweiß aus Austernpilzen, Erbsen, Weizen und Sojasprossen sowie Hafer. Zusätzlich wird Rote-Beete-Saft  verwendet, um die Illusion von „blutendem" Fleisch zu erzeugen. Durch die Zugabe von Vitamin B12 wird der Burger auch zu einer gesunden Nährstoffquelle. „Wissenschaftler, Köche und Landwirte haben mehr als drei Jahre in die Entwicklung unseres Burgers investiert, der die beste Nachbildung von Fleisch im Vereinigten Königreich ist. Die Herstellung erfordert deutlich weniger Land- und Wasserressourcen und verursacht weniger Treibhausgasemissionen als die herkömmliche Fleischproduktion", ergänzt Simeon Van der Molen, Gründer von Moving Mountains.

jmr

Kunststoffe und Plastikverpackungen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch sie sind gleich in mehrfacher Hinsicht eine Bedrohung für die Umwelt: Herkömmliche Kunststoffe sind meist erdölbasiert und verbrauchen für die Herstellung enorm viele Ressourcen. Außerdem sammeln sich große Müllberge von Einwegplastikprodukten an. Da viele Kunststoffe kaum oder gar nicht recycelt werden, zerfallen sie im Laufe ihres jahrzehntelangen Abbaus in sogenannte Mikroplastikpartikel. Diese reichern sich sowohl auf dem Land als auch im Wasser an und gelangen so in die Nahrungskette. Eine nachhaltige Alternative bieten biobasierte Kunststoffe, die in ihrer Herstellung wesentlich ressourcenschonender sind. Einige sind zudem auch biologisch abbaubar. Noch ist die Herstellung von Bioplastik meist teurer als die Produktion herkömmlicher Kunststoffe. Die Nürnberger Bioingenieurin Stephanie Stute will das ändern: Sie arbeitet an einem Verfahren, das die Herstellung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe aus Polybuttersäure effizienter und kostengünstiger macht.

117 Kilogramm Salat, 67 Kilogramm Gurken, 46 Kilogramm Tomaten, 19 Kilogramm Kohlrabi, 15 Kilogramm Kräuter und 8 Kilogramm Radieschen – das ist die vorläufige Bilanz nach einem Jahr Gemüseanbau im ewigen Eis. Von Dezember 2017 an hatte Paul Zabel vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im EDEN-ISS-Gewächshaus neben der deutschen Antarktisforschungsstation Neumayer III des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) auf dem siebten Kontinent Gemüse angebaut. Das DLR betreibt das Gewächshaus, um Informationen für eine künftige Gemüsezucht auf Mond und Mars zu gewinnen. Finanziert wird das Projekt aus Mitteln des Europäischen Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020.

Täglich frisches Gemüse für das Überwinterungsteam

Zabel arbeitete fast täglich in dem rund 400 Meter von der Neumayer-Station entfernten EDEN-ISS-Gewächshaus. Bei starken Stürmen wurde das Gewächshaus automatisch vom Kontrollzentrum in Bremen überwacht und gesteuert. „Von Bremen aus waren wir mit Paul in täglichem Kontakt", berichtet EDEN-ISS-Leiter Daniel Schubert vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme im Deutschlandfunk.

Auch die anderen Mitglieder des insgesamt zehnköpfigen Überwinterungsteams auf der Neumayer-Station unterstützten Paul Zabel bei seiner Arbeit. „Nach über einem Jahr in der Antarktis blicken wir auf eine erfolgreiche Überwinterung zurück. Die Arbeit in dem Gewächshaus und das frische Gemüse haben unsere Zeit an der Neumayer-Station III bereichert", sagt Stationsleiter Bernhard Gropp. Die detaillierte Auswertung der Studien zur Pflanzenzucht in der Antarktis laufen noch. Die umfangreichen Ergebnisse, die unter anderem technische, botanische, mikrobiologische sowie psychologische Analysen enthalten, werden für Mai 2019 erwartet.

Künstliches Licht und Nährstofflösung für die Pflanzen

Denn in dem EDEN-ISS-Gewächshaus wachsen die Pflanzen nicht wie üblich in der Erde, sondern in zwei umgebauten Schiffscontainern komplett unabhängig von den äußeren Umweltbedingungen. Das künstliche Licht stammt aus LED-Lampen und die Wurzeln wachsen nicht in Erde, sondern hängen in der Luft und werden regelmäßig mit Wasser und Nährstoffen angesprüht. Das komplette Klima im Gewächshaus kann gesteuert werden – einschließlich Temperaturen und Luftfeuchtigkeit.

Dennoch gab es auch ein paar Probleme während des Jahres im Eis. Zum einen seien beispielsweise Paprika- und Erdbeerpflanzen zwar gut gewachsen, wie Zabel im Deutschlandfunk berichtet. Die Erdbeeren hätten jedoch gar keine Früchte gebildet, und die Paprika nur sehr wenige. „Da müssen wir noch mal schauen, woran das da genau gelegen hat“, so Zabel. Die meisten Probleme lagen aber im technischen Bereich, wie Systemausfälle oder einzelne Komponenten, die unerwartet kaputtgingen.

In zehn Jahren wächst Gemüse auf dem Mond

In den kommenden zwei Jahren wird das DLR deshalb zusammen mit dem AWI und anderen Forschungspartnern die Produktionsprozesse im EDEN-ISS-Gewächshaus weiterentwickeln, um zukünftigen Stationen auf Mond und Mars ein optimiertes Gewächshauskonzept anzubieten. Die Fortführung des Projekts ist offen für Forscher aus der ganzen Welt. „Bald übergeben wir das Gewächshaus an die neuen Überwinterer, die das EDEN-ISS-Projekt in der Antarktis fortführen und sich um den Pflanzenanbau kümmern werden", so Schubert.

Vor allem die Zuverlässigkeit der Systeme müsse den Forschenden zufolge noch verbessert werden. Schließlich soll bei einer Anwendung im All der Gemüseanbau gleichzeitig Sauerstoff für die Menschen erzeugen – ein Ausfall der Systeme wäre dann lebensbedrohlich. Dem Deutschlandfunk gegenüber zeigt sich Zabel dennoch optimistisch: „Ich denke, man könnte schon innerhalb von zehn Jahren so ein Gewächshaus für Mond oder Mars funktionsfähig bekommen.“

jmr

117 kilograms of lettuce, 67 kilograms of cucumbers, 46 kilograms of tomatoes, 19 kilograms of kohlrabi, 15 kilograms of herbs and 8 kilograms of radishes - these are the preliminary results after one year of vegetable farming in perpetual ice. From December 2017 onwards, Paul Zabel of the German Aerospace Center (DLR) had been growing vegetables in the EDEN-ISS greenhouse next to the German Antarctic research station Neumayer III of the Alfred Wegener Institute (AWI). DLR operates the greenhouse to obtain information for future vegetable farming on the Moon and Mars. The project is funded by the European Research Framework Programme Horizon 2020.

Fresh vegetables daily, despite perpetual ice

Almost every day Zabel walked the 400 metres from the Neumayer Station to the EDEN-ISS greenhouse, except for heavy storms, during which the greenhouse was automatically monitored and controlled by the control centre in Bremen. "From Bremen, we were in daily contact with Paul," reports Daniel Schubert, head of EDEN-ISS at the DLR Institute for Space Systems.

The other members of the winter-team at Neumayer Station also supported Paul Zabel in his work. "After more than a year in Antarctica, we can look back on a successful winter. The work in the greenhouse and the fresh vegetables enriched our time at Neumayer Station III," says Station Manager Bernhard Gropp. The evaluation of the studies on plant breeding in Antarctica is still ongoing. The detailed results, which will include technical, botanical, microbiological and psychological analyses, are expected to be completed in May 2019.

Artificial light and nutrient solution for the plants

Of note, in the EDEN-ISS greenhouse the plants do not grow as usual. Rather, the greenhouse is made-up of two converted shipping containers and the conditions inside are completely independent of the external weather conditions. The artificial light is provided by LED lamps and the roots do not grow in soil, but hang in the air and are sprayed regularly with water and nutrients. The entire climate in the greenhouse can be controlled - including temperatures and humidity.

Yet, there have been a few problems during the year in Antarctica. Although the paprika and strawberry plants, for example, have grown well, as Zabel reports on Deutschlandfunk radio, the strawberries had not formed any fruit at all, and the peppers formed only very few. "We'll have to see what exactly this was all about," says Zabel. However, most of the problems were in the technical area, such as system failures or individual components that unexpectedly broke down.

Greenhouse system could be ready for the Moon in ten years

Over the next two years, the DLR, together with AWI and other research partners, will therefore further develop the production processes in the EDEN-ISS greenhouse in order to offer future stations on the Moon and Mars an optimised greenhouse concept. The continuation of the project is open to researchers from all over the world. "Soon we will hand over the greenhouse to the new winter team, who will continue the EDEN-ISS project in Antarctica and take care of plant cultivation," says Schubert.

According to the researchers, the reliability of the systems in particular needs to be improved. After all, when used in space, the farming of vegetables will also be used to produce oxygen - a failure of this system would therefore be life-threatening. Nevertheless, Zabel is optimistic: "I think one could get such a greenhouse up and running for the Moon or Mars within the next ten years."

jmr

„Und was gibt’s morgen?“ Mit dieser Frage lockt die Sonderschau des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) die Besucher der Grünen Woche in Halle 23a – und liefert gleich die Antwort mit: Hightech im Stall, auf dem Acker und im Bienenstock soll die Branche mehr als bisher prägen und so für die Herausforderungen der Zukunft fit machen.

Drohnen fliegen über den Acker, Sensoren messen Bodenfeuchtigkeit oder Reifegrad von Früchten, Melkcomputer und Entmistungsroboter verbessern die Tierhaltung im Stall: Die BMEL-Sonderschau zeigt, wie die Digitalisierung die Arbeit von Landwirten schon heute erleichtert. Zudem wird beleuchtet, wie die Pflanzenzüchtung von neuen Technologien profitieren kann.  

Smarte Helfer für den Obstanbau

Vor allem im Obstanbau setzen die Forscher auf Präzision durch mobile Anwendungen, wie das Potsdamer Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. zeigt. Sensoren und Drohnen sollen den Obstanbau effektiver machen. So könnte künftig mithilfe eines Sensors der optimale Zeitpunkt für die Ernte von Obst ermittelt werden. Der optische Sensor misst dafür den Chlorophyllgehalt der Frucht als Indikator der Fruchtreife. Um Pflanzenschutzmittel zu sparen und präziser aufbringen zu können, entwickelten die Potsdamer Forscher einen Laserscanner, der die Bäume und deren Blattfläche ermittelt und so die nötige Menge an Spritzmittel errechnet. Mit „SmArt“ haben die Leibniz-Forscher bereits einen digitalen Helfer im Obstanbau im Einsatz. Das sensorgestützte Gerät fährt die Apfelplantagen ab, erfasst die Blütenmenge und dünnt diese automatisch aus, um den bestmöglichen Ertrag zu gewährleisten. 

Weinanbau mit Zwischenfrüchten

Ertragssteigerung mittels natürlichem Pflanzenschutz ist ein Ansatz, den das Julius-Kühn-Institut – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen verfolgt. Am Beispiel des Weinanbaus wird gezeigt, wie der Anbau von Zwischenfrüchten wie Kamille, Wilde Möhre oder Phaselia den Unterboden fruchtbar machen und die Biodiversität steigern kann.

Holz ist einer der wichtigsten Rohstoffe unserer Industrie. Es wird zur Energiegewinnung, als nachhaltiges Baumaterial, zur Herstellung von Papier und Bioplastik verwendet. Doch wie genau wächst und bildet sich das Holz eigentlich? Dieser Frage sind Heidelberger Forscher nachgegangen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Development“ berichten, sind sogenannte zweigesichtige Stammzellen für die Holzbildung verantwortlich. Diese bilden nicht nur den Ausgangspunkt für die Entstehung von Holz, sondern auch für die Erzeugung von pflanzlichem Bast, indem sie sich abwechselnd zu Holz- und Bastzellen weiterentwickeln.

Das Kambium ist die Wachstumszone der Bäume

Mithilfe der Photosynthese verwandeln Bäume die Sonnenenergie in Zucker und Biomasse. Der größte Teil der Biomasse wird bei der Holzbildung gespeichert. Gebildet wird das Holz von einer dünnen Schicht Stammzellen, dem sogenannten Kambium. Dieses befindet sich direkt unter der Rinde und erzeugt neben dem Holz auch den pflanzlichen Bast, der oft in der Faserindustrie verwendet wird. „Obwohl es eine entscheidende Rolle im Stoffkreislauf der Erde spielt und wichtige Materialien für unseren täglichen Bedarf liefert, ist die Funktionsweise des Kambiums nahezu unbekannt“, sagt Thomas Greb, der am Centre for Organismal Studies die Forschungsgruppe Entwicklungsphysiologie leitet.

Marker zeigen die Doppelfunktion der Stammzellen

Um die Holzbildung nachzuvollziehen, hat das Team um Greb verschiedene Zelltypen im Kambium mit fluoreszierenden Proteinen markiert. Dadurch konnten sie deren Entwicklung verfolgen und so beobachten, dass bestimmte Zelltypen – nämlich die zweigesichtigen Stammzellen – abwechselnd Zellen für den inneren Holzteil und den äußeren Bast bilden.

Durch das bessere Verständnis der Holzbildung erhoffen sich die Forschenden, in Zukunft weitere Mechanismen der Regulation von Zelleigenschaften entschlüsseln und letztlich das Pflanzenwachstum modellieren zu können.

jmr

Wood is one of the most important raw materials in our industry. It is used for energy production, as a sustainable building material, for the production of paper and even bioplastics. But how exactly does wood grow? This is what researchers from Heidelberg have been investigating. According to their report in the journal "Development", so-called bifacial stem cells are responsible for the formation of wood. Of note, these stem cells are not only the starting point for the production of wood, but also for the production of plant bast by alternately developing into either wood or bast cells.

The cambium is the growth layer of trees

Via photosynthesis, trees convert solar energy into sugar and biomass. Most of the biomass is stored during wood formation. The wood is formed by a thin layer of stem cells, the so-called cambium. This layer is located directly underneath the bark and produces not only wood but also plant bast, which is often used in the fibre industry. "Although it has an essential role in the Earth's materials cycle and supplies important materials for our daily lives, how the cambium functions is largely unknown," says Thomas Greb, who heads the "Developmental Physiology" research group at the Centre for Organismal Studies in Heidelberg.

Fluorescent markers visualise the dual function of stem cells

In order to understand the formation of wood, Greb and his team labelled different cell types in the cambium with fluorescent proteins. This enabled them to follow their development and observe that certain cell types - namely the bifacial stem cells - alternately form cells for the inner part of the wood and the outer bast.

By gaining a better understanding of wood formation, the researchers hope to be able to decipher further mechanisms of the regulation of cell properties and ultimately model plant growth.

jmr

Wer heute an der Tankstelle Benzin oder Diesel in sein Fahrzeug füllt, tankt meist auch einen gewissen Anteil beigemischter Biokraftstoffe. Diese auf pflanzlichen Rohstoffen basierenden Kraftstoffe sollen die Klimabilanz der ansonsten erdölbasierten Kraftstoffe verbessern. Doch selbst die Biokraftstoffe sind nicht unumstritten, konkurrieren sie doch mit Nahrungs- und Futterpflanzen um fruchtbare Ackerflächen oder wachsen zum Teil auf ehemaligen Regenwaldflächen. Der Schweizer Spezialchemiekonzern Clariant will daher seine Expertise mit ExxonMobile und der Renewable Energies Group (RED) bündeln, um Biokraftstoffe aus Zellulose-Zuckern herzustellen, die auf biotechnologischem Weg aus Agrarreststoffen gewonnen werden.

Erfahrung in der Nutzung von Zellulose-Zuckern

Clariant seinerseits hat eine Methode entwickelt, um mit der geschützten „sunliquid“-Technologie aus Pflanzenreststoffen Zellulose-Zucker zu erzeugen. Dieses Verfahren umfasst die chemikalienfreie Vorbehandlung von Pflanzenreststoffen wie Weizen-, Reis- und Maisstroh sowie Zuckerrohrbagasse, die Produktion spezifischer Enzyme sowie die Gewinnung großer Mengen C5- und C6-Zucker aus diesen Rohstoffen. Das Verfahren wird bereits seit 2012 in einer Demonstrationsanlage im bayrischen Straubing von Clariant getestet. Der Bau dieser Anlage wurde mit 5Mio. Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert. 

Auch ExxonMobile hat gemeinsam mit REG ein Verfahren erforscht, das aus Zellulosezuckern in einem einstufigen Prozess Biodiesel produziert. „In den vergangenen drei Jahren hat unsere Arbeit mit REG zu wichtigen Fortschritten in der genetischen Optimierung der von REG entwickelten Mikroben geführt, die bei der Umwandlung von Zellulose-Zucker zu Biodiesel eine Rolle spielen“, schildert Vijay Swarup, Vizepräsident des Bereichs Forschung und Entwicklung bei der ExxonMobil Research and Engineering Company.

Alle Schritte in einem Prozess zusammenführen

Beide Prozesse sollen nun zu einem durchgängigen Prozess weiterentwickelt werden, bei dem aus Agrarreststoffen Biodiesel entsteht. „Die Anwendung des Fachwissens von Clariant hilft uns, einen entscheidenden Schritt im Umwandlungsprozess von Zellulose besser zu verstehen und voranzubringen, der uns hoffentlich dabei hilft, eine Technologie für die Massenproduktion von Biodiesel zu entwickeln“, beschreibt Swarup das Ziel der neuen Kooperation. Die neuen Prozesse wollen die drei Partner in der Demonstrationsanlage von Clariant in Straubing erproben und dabei besonders geeignete Zellulose-Rohstoffe identifizieren. 

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Tief unter der Erde befindet sich unsere wichtigste Wasserreserve: das Grundwasser. Der unterirdische Pool ist das größte Frischwasserreservoir der Erde und zugleich eine kostbare Trinkwasserquelle. Knapp zwei Milliarden Menschen weltweit beziehen ihr Trinkwasser daraus. Wie der Boden und das Meer ist auch dieses Ökosystem durch den Klimawandel, die Übernutzung und die wachsende Weltbevölkerung bedroht. Doch während manche Folgen des Klimawandels, wie das Abschmelzen der Polkappen, sichtbar sind, bleiben die Auswirkungen auf das Grundwasser weitestgehend verborgen und werden daher kaum wahrgenommen. 

Klimatische Folgen für Grundwasser untersucht

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Beteiligung des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) in Bremen hat deshalb untersucht, wie schnell das Grundwasser auf klimatische Veränderungen reagiert. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal „Nature Climate Change“ veröffentlicht. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Europa, Nordamerika und Australien sammelten die Bremer Forscher weltweit Datensätze über die Merkmale der Grundwassersysteme. Dazu gehören die Bodenbeschaffenheit und die Neigung des Gefälles. Beide Faktoren bestimmen, wie schnell das Regenwasser im Boden versickert und von dort in Flüsse, Seen und andere Gewässer gelangt. Anhand von Simulationen berechneten die Forscher die Reaktionszeit der Systeme auf eine gesteigerte oder gedrosselte Wasserzufuhr, wie sie im Rahmen des Klimawandels zu erwarten ist.

Lange Reaktionszeit als „ökologische Zeitbombe"

Das Ergebnis: In vielen Gebieten der Erde wird sich der Einfluss des Klimawandels auf das Grundwasser erst in 100 oder noch mehr Jahren bemerkbar machen. Was wie eine gute Nachricht klingt, ist nach Einschätzung der Forscher eine „ökologische Zeitbombe“. „In der langen Reaktionszeit der Grundwassersysteme liegt die Tücke“, erklärt Geologe Nils Moosdorf vom ZMT, einer der Autoren der Studie. „Grundwassersysteme haben ein ‚Gedächtnis‘, das sich als ökologische Zeitbombe erweisen kann. Was ihnen heute widerfährt, wirft seine Schatten weit in die Zukunft und beeinträchtigt die Lebensbedingungen unserer Urenkel.“


Studie als Basis für frühzeitige Schutzmaßnahmen 

Der Studie zufolge kann ein Grundwassersystem durchaus Schwankungen in der Wasserzufuhr unterschiedlich gut abpuffern. In trockenen Regionen ist dabei die Zeitspanne jedoch besonders lang, da der Grundwasserspiegel meist tief in der Erde liegt und der Austausch mit der Landoberfläche gering ist. Die Forscher sind überzeugt, dass die Ergebnisse ihrer Studie eine wichtige Grundlage sind, um mit geeigneten Maßnahmen das Ökosystem Grundwasser als Trinkwasserreservoir zu erhalten.

bb

Deep below the ground is our most important water reserve: groundwater. The underground pool is the largest freshwater reservoir on earth and at the same time a precious source of drinking water. Almost two billion people around the globe draw their drinking water from it. Like the soil and the sea, this ecosystem is threatened by climate change, overexploitation and the growing world population. But while some consequences of climate change, such as the melting of the polar ice caps, are visible, the effects on groundwater remain largely hidden and are therefore barely noticed.

Climatic consequences for groundwater investigated

An international team of scientists, including the Leibniz Centre for Marine Tropical Research (ZMT) in Bremen, has therefore investigated how quickly groundwater reacts to climatic changes. The results of the study were published in the journal "Nature Climate Change". Together with scientists from Europe, North America and Australia, the Bremen researchers collected data worldwide on the characteristics of groundwater systems. These include soil properties and gradient inclination. Both factors determine how quickly rainwater seeps into the soil and from there into rivers, lakes and other bodies of water. Using simulations, the researchers calculated the reaction time of the systems to an increased or reduced water supply, as is to be expected in the context of climate change.

Long reaction time as an "ecological time bomb"

The result: In many parts of the world, the impact of climate change on groundwater will only become apparent in 100 or more years' time. According to the researchers, what sounds like good news is an "ecological time bomb". "The problem lies in the long reaction time of groundwater systems," explains geologist Nils Moosdorf of the ZMT, one of the authors of the study. "Groundwater systems have a 'memory' that can prove to be an ecological time bomb. What happens to them today casts its shadows far into the future and affects the living conditions of our great-grandchildren".


Study as basis for early protection measures

According to the study, a groundwater system can buffer fluctuations in the water supply to varying degrees. In dry regions, however, the time span is particularly long because the groundwater level is usually deep in the earth and the exchange with the land surface is low. The researchers are convinced that the results of their study are an important basis for taking appropriate measures to preserve the groundwater ecosystem as a drinking water reservoir.

bb/um

Kohlenstoffhaltige Rohstoffe sind die Basis zahlreicher Produkte. Vor allem die chemische Industrie braucht diese Ressource. Die Branche benötigt pro Jahr etwa 15 Millionen Tonnen Kohlenstoff, um Kunststoffe, Klebstoffe, Schmierstoffe oder Kosmetika herzustellen. In der Regel werden dafür fossile Rohstoffe wie Erdöl oder Erdgas verwendet. Eine Alternative ist die Nutzung pflanzlicher Biomasse, die ebenfalls Kohlenstoff enthält. Die chemische Industrie kann diese nachwachsende Ressource jedoch nicht ohne Weiteres nutzen.

Netzwerk vereint verschiedene Akteure

Ein neues Bündnis will das ändern. Es setzt auf die Kreislaufwirtschaft, um die Rohstoffversorgung in der Branche auf eine nachhaltige Basis zu stellen. Auf Initiative des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS hin fiel im Januar in Espenhain bei Leipzig der Startschuss für die Gründung eines nationalen Netzwerks für Kohlenstoffkreislaufwirtschaft (NK2). 65 Unternehmen und Forschungseinrichtungen gehören dem Bündnis an. Verschiedene Akteure aus Energiewirtschaft, chemischer Industrie, Anlagenbau und Abfallwirtschaft wollen dazu beitragen, dass der wertvolle Rohstoffe Kohlenstoff im System bleibt und nicht freigesetzt wird und somit die Umwelt belastet.

Plattform für Information und Wissensaustausch

„Mit dem neuen Netzwerk NK2 möchten wir eine Plattform für Information, Wissensaustausch und intersektorale, aber auch internationale Vernetzung etablieren. Uns eint die Überzeugung, dass die Kohlenstoffkreislaufwirtschaft nicht nur erhebliche Vorteile für den Klimaschutz bietet, sondern auch große Potenziale für die Wertschöpfung in Deutschland“, sagt Bernd Meyer, Leiter des Netzwerkes und des Geschäftsfeldes Chemische Umwandlungsprozesse am Fraunhofer IMWS.

Kohlenstoffhaltige Biomasse aus Abfallstoffen

Die Abfallwirtschaft als Lieferant kohlenstoffhaltiger Biomasse spielt im Konzept der Kreislaufwirtschaft eine besondere Rolle. Hier gilt es, Abfallstoffe zu recyceln und weiterzuverwenden. Nicht zuletzt setzt das seit Januar dieses Jahres geltende neue Verpackungsgesetz eine höhere Recyclingquote fest und damit neue Maßstäbe für die Industrie. Der Vorteil des neuen Netzwerkes: Alle Akteure, ob Leichtbauunternehmen oder Energieerzeuger, werden ihre sekundären Kohlenstoffquellen für die Weiterverarbeitung bereitstellen, um den Kohlenstoff als Rohstoff im Sinne der Kreislaufwirtschaft für die Entwicklung emissionsfreier Technologien nutzbar zu machen. „Die Sektorkopplung ist der Schlüssel dazu“, ist Meyer überzeugt.

bb

Wenn die Laderampe für die Rohstoffanlieferung versperrt ist, ist auch die gefährlichste Waffenfabrik harmlos. Nach diesem Prinzip verteidigen sich Maispflanzen gegen den Pilz Ustilago maydis, der die Krankheit Maisbeulenbrand auslöst, wie Forscher der Universität Marburg und des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie im Fachjournal „Nature“ berichten.

Pilzenzym verhindert Bildung von Salizylsäure

Wenn der Pilz eine Maispflanze befällt, greift er deren Zellen mit sogenannten Effektormolekülen an. Diese bringen die Infektion voran, bekämpfen aber auch die Verteidigungsmechanismen des Wirtes. Zu den Effektormolekülen zählt die Chrosimat Mutase 1 (Cmu1). Dieses Enzym manipuliert einen bestimmten Stoffwechselweg der Maispflanze, über den diese Salizylsäure bildet. „Der wichtige Botenstoff Salizylsäure signalisiert in der Pflanze die Infektion durch schädliche Organismen“, erläutert Regine Kahmann vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie.

Kiwellin blockiert das Pilzenzym

Der Mais kann sich gegen diesen Angriff wehren, wie die Forscher feststellten: Ein bestimmtes Protein aus der Gruppe der Kiwelline unterbindet die Aktivität der Chrosimat Mutase. Mittels Röntgenkristallographie gelang es dem Team, den zugrunde liegenden Mechanismus aufzuklären: „Die Struktur zeigt eindrücklich, dass das Abwehrprotein den Zugang der Substrate und damit die katalytische Funktion der Cmu1 blockiert“, erklärt Gert Bange vom Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg. So kann das Enzym nicht den Ausgangsstoff Chorismat verbrauchen und diesen dem Stoffwechsel der Maispflanze entziehen.

Potenzielle Anwendung in der Pflanzenzüchtung

Von Kartoffeln und Tomaten war bereits bekannt, dass sie bei Schädlingsbefall vermehrt Proteine aus der Gruppe der Kiwelline produzieren. Das ließ vermuten, dass diese Proteinklasse Teil der Immunantwort ist. Auch bei Mais fanden die Forscher nun 20 unterschiedliche Kiwelline. An der Abwehr gegen Cmu1 war jedoch keines dieser weiteren Proteine beteiligt. Die Forscher hoffen nun, dass Kiwelline mittelfristig bei Mais und anderen Agrarpflanzen auf biotechnologischem Weg zum Pflanzenschutz beitragen können.

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Das Verständnis der bakteriellen Photosynthese könnte helfen, leistungsfähigere Ackerpflanzen zu züchten. Denn durch einen Trick gelingt es Cyanobakterien, das Sonnenlicht besonders effizient zu nutzen. Einen wichtigen Teil von diesem Mechanismus haben Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für Biochemie in Martinsried gemeinsam mit Kollegen der Australian National University jetzt enträtselt, wie sie im Fachjournal „Nature“ berichten.

Weniger Nebenreaktionen durch hohe CO₂-Konzentration

Bei der Photosynthese wandeln Zellen Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit Hilfe von Sonnenlicht in Zucker und Sauerstoff um. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Enzym Rubisco. Es bindet CO₂ aus der Atmosphäre und macht das Gas für Reaktionen in der Zelle zugänglich. Allerdings kann Rubisco auch mit Sauerstoff reagieren, anstatt CO₂ zu binden. In diesem Fall trägt das Enzym nicht zum Energiegewinn der Zelle bei. Cyanobakterien, die ebenso wie Pflanzen die Photosynthese beherrschen, bündeln ihr Rubisco in bestimmten Strukturen namens Carboxysomen. Dort herrscht eine besonders hohe CO₂-Konzentration, weshalb die Rubisco-Enzyme nur wenige Nebenreaktionen mit Sauerstoff eingehen.

Kryo-Elektronenmikroskopie deckt Mechanismus auf

Bislang wussten Forscher zwar, dass das Protein CcmM die Rubisco-Enzyme bündelt, nicht aber, wie es das anstellt. „Wir haben in dieser Studie die Vorteile der sich rasant entwickelnden Kryo-Elektronenmikroskopie genutzt, um diese dynamischen Interaktionen zu erfassen”, erläutert Max-Planck-Forscher Huping Wang und einer der Erstautoren der Studie. So konnten die Biochemiker einen unerwarteten Mechanismus dokumentieren, mit dem dies geschieht. Dadurch trennt sich das Rubisco von anderen Proteinen und erzeugt mit den CcmM-Proteinen eine eigene Phase. Um diese Phase herum formt sich eine Proteinhülle und bildet so das Carboxysom.

Anwendung in der Pflanzenzüchtung?

„Wenn wir funktionierende Carboxysome auf höhere Pflanzen übertragen könnten, würde das die Nutzpflanzen zusätzlich anregen, CO₂ noch effizienter zu fixieren“, erläutert die Max-Planck-Forscherin Manajit Hayer-Hartl das Potenzial der Entdeckung. „Dann würde die Energie, die normalerweise in der Reaktion von Rubisco mit Sauerstoff verlorengeht, für die Erzeugung von Biomasse zur Verfügung stehen.“ So erzeugte Nutzpflanzen könnten eines Tages den Einsatz von Kunstdüngern reduzieren und die weltweite Nahrungsversorgung verbessern.

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Wissenschaftler der Universität Bayreuth untersuchten erstmals einen durch konventionelle Landwirtschaft genutzten Acker auf Kunststoffe. Zur Düngung des Ackers wurde in den letzten fünf Jahren ausschließlich Stallmist von Kühen und Schweinen sowie Stickstoffdünger verwendet. Auch kamen bei der Bewirtschaftung keine Gewächshäuser aus Kunststoff, Mulchfolien oder andere plastikhaltige Hilfsmittel zum Einsatz. Dennoch wurde eine deutliche Kontaminierung des Ackerlandes durch Makro- und Mikroplastik festgestellt.

Insgesamt konnten sechs verschiedene Kunststoffsorten identifiziert werden: Bei 68% aller Makroplastikteile handelt es sich um Polyethylen, gefolgt von Polystyrol (14%), Polypropylen (8%) und PVC (5%). Der am häufigsten gefundene Kunststoff Polyethylen wird besonders oft als Einwegverpackung, zum Beispiel für Lebensmittel, verwendet.

Stichprobenartig wurde die Ackerfläche auch auf Mikroplastik untersucht – auch hier wurde man fündig. Pro Kilogramm Trockengewicht enthielt der Ackerboden durchschnittlich 0,34 Mikroplastikteilchen. Hochgerechnet bedeutet dies, dass sich in einem Hektar des Ackerbodens mindestens 150.000 Mikroplastikteilchen befanden, dies obwohl die Untersuchungsfläche in den letzten Jahren einer vergleichsweise geringen Verwendung von Plastik ausgesetzt war.