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Ein Hauptanliegen der Bioökonomie ist es, fossile Rohstoffe wie Erdgas und Erdöl langfristig durch nachhaltige Ressourcen zu ersetzen, zum Beispiel durch Biogas. Die Zahl der Biogasanlagen ist in den vergangenen Jahren bundesweit auf etwa 9.000 angestiegen. Ihr Anteil an der Stromerzeugung ist mit bis zu 6% noch niedrig, wie eine Studie der Universität Hohenheim Anfang 2018 ergab. Seit Jahren arbeiten Forscher daran, Biogas auf Erdgasqualität zu heben, um die alternative Energiequelle zukunftsfähig zu machen. Bisher enthält Biogas aber noch vergleichsweise viel Kohlendioxid (CO₂), was den Brennwert verschlechtert und den Einsatz begrenzt.

Biologischer Filter aus Gärresten

Forscher der Universität Hohenheim in Stuttgart haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der NOVA-Universität in Lissabon einen Weg gefunden, um der nachhaltigen Energiequelle zum Aufschwung zu verhelfen. Wie das Team im „Journal of Analytical and Applied Pyrolysis“ berichtet, entwickelten sie einen biologischen Filter, der dem Biogas Kohlendioxid entzieht und so die Anlage rentabler machen kann.

Für die Herstellung des Filters nutzen die Biochemiker Gärreste aus Biogasanlagen und verkohlten diese. Für die chemische Verkohlung wurde ein spezielles Verfahren genutzt, die Hydrothermale Karbonisierung (HTC). „Dabei handelt es sich um ein sogenanntes nasses Verfahren. Das bedeutet, dass wir das in den Biogasgärresten enthaltene Wasser mitverwenden können. Die Biomasse erhitzen wir in einem Druckbehälter, dem sogenannten Autoklav, drei bis sechs Stunden bei 190 bis 250 Grad Celsius“, erklärt Catalina Rodriguez Correa vom Fachgebiet Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe der Universität Hohenheim.

Aktivkohle mit Mikroporen als CO₂-Filter

Im Ergebnis entstand eine Aktivkohle, die ausgepresst, getrocknet und im Anschluss mit Lauge gemischt und wieder auf 600 Grad erhitzt wurde. Infolge dieser Erhitzung entstanden in der Kohle sogenannte Mikroporen, die dem Biogas das überschüssige Kohlendioxid entziehen. Die Mikroporen sind filterähnliche Räume, um in der Kohle das CO₂ zu lagern. Und das sehr effektiv, wie die Hohenheimer Forscherin Andrea Kruse ergänzt. „Die Aktivkohle nimmt etwa das Zwei- bis Zweieinhalbfache an Kohlendioxid auf als Vergleichsproben herkömmlicher Aktivkohlen. Damit schneiden die Biokohlen aus Gärresten deutlich besser ab.“ Die Forscher hoffen nun, dass ihr neuartiges Verfahren zum Filtern des überschüssigen Kohlendioxids aus Biogas bald in der Praxis Anwendung finden wird. 

Dresdener Forscher demonstrierten kürzlich, dass Biogasanlagen nicht nur Gas und Strom erzeugen können, sondern auch hochwertige Biowachse für die Kosmetikindustrie. 

bb

One of the main concerns of the bioeconomy is to sustainably replace fossil raw materials such as natural gas and crude oil with resources such as biogas. In recent years, the number of biogas plants in Germany has risen to around 9,000. A study carried out by the University of Hohenheim at the beginning of 2018 showed that their share of electricity generation is still low at up to 6%. For years, researchers have been working on upgrading biogas to natural gas quality in order to make the alternative energy source fit for the future. However, biogas still contains comparatively high levels of carbon dioxide (CO2), which worsens its calorific value and limits its use.

Biological filter from fermentation residues

Researchers at the University of Hohenheim in Stuttgart, together with scientists from NOVA University in Lisbon, have now found a way to help the sustainable energy source gain momentum. As the team reported in the Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, they have developed a biological filter that removes carbon dioxide from the biogas and thus makes the plant more profitable.

To produce the filter, the biochemists use fermentation residues from biogas plants and carbonize them. They used a special process, hydrothermal carbonisation (HTC), for chemical charring. "This is a so-called wet process. This means that we can also use the water contained in the biogas fermentation residues. We heat the biomass in a pressure vessel, the so-called autoclave, for three to six hours at 190 to 250 degrees Celsius," explains Catalina Rodriguez Correa from the Department of Conversion Technologies for Renewable Resources at the University of Hohenheim.

Active carbon with micropores as CO2 filters

The result was an active carbon that was pressed out, dried and then mixed with lye and heated up to 600 degrees again. As a result of this heating, so-called micropores were formed in the coal, which extract the excess carbon dioxide from the biogas. The micropores are filter-like spaces that store the CO2 in the coal. And this is very effective, as the Hohenheim researcher Andrea Kruse adds. "The activated carbon absorbs about two to two-and-a-half times as much carbon dioxide as comparable samples of conventional active carbon. Thus the biochars from fermentation remainders clearly perform better. The researchers now hope that their novel process for filtering excess carbon dioxide from biogas will soon be applied in practice.

Researchers from Dresden recently demonstrated that biogas plants can not only produce gas and electricity, but also high-quality biowaxes for the cosmetics industry.

Holz ist ein vielseitiger Rohstoff, der von jeher sowohl stofflich als auch energetisch genutzt wird. Gerade die Bioökonomie setzt auf die heimische Ressource als Alternative zu fossilen Rohstoffen, um die Vision einer nachhaltigen Wirtschaft zu realisieren. Münchner Wissenschaftler präsentieren nun eine Studie, die verdeutlicht, wie der Rohstoff durch den Klimawandel unter Druck gerät. 

Jahresringe verraten Gewicht des Holzes

Die Experten für Waldwachstumskunde der Technischen Universität München (TUM) haben dafür Holzproben von Bäumen aus dem ältesten Waldversuchsgebiet in Europa genommen. Das Versuchsfeld ist 150 Jahre alt und wurde zur Zeit der TUM-Gründung angelegt. Von mehreren hundert Fichten, Eichen, Buchen und Kiefern untersuchte das Team um Hans Pretzsch vom Wissenschaftszentrum Weihenstephan mithilfe eines Hightech-Analyseverfahrens jeden einzelnen Jahresring – insgesamt 30.000. Die Hochfrequenzsonde tastete dabei jede Probe in Hundertstelmillimeterschritten ab. „Damit messen wir das spezifische Gewicht des Holzes in einer Genauigkeit und Auflösung, die bis vor Kurzem nicht denkbar war“, sagt Pretzsch. 

Wood is a versatile feedstock that has always been used both as a raw material and as an energy source. The bioeconomy in particular relies on the domestic resource as an alternative to fossil raw materials in order to realise the vision of a sustainable economy. Munich scientists are now presenting a study that illustrates how the raw material is coming under pressure from climate change.

Annual rings reveal the weight of wood

The experts for forest growth and yield science of the Technical University Munich (TUM) took wood samples from trees from the oldest forest test area in Europe. The test field is 150 years old and was laid out at the time of the foundation of TUM. The team led by Hans Pretzsch from the Weihenstephan Science Centre examined the growth rings of several hundred spruces, oaks, beeches and pines with the aid of a high-tech analysis method. The high-frequency probe scanned every sample in steps of one hundredth of a millimetre. "This enables us to measure the specific weight of the wood with an accuracy and resolution that was inconceivable until recently," says Pretzsch.

More growth, but less substance

The result of this precise wood sample analysis: trees have been growing ever faster since 1900. This also means that the trees store more carbon dioxide in the wood and thus make an important contribution to reducing the greenhouse gas. But that is only one side of the coin. As the researchers report in the specialist journals "Forest Ecology and Management" and "Scientific Reports", wood is becoming lighter and lighter every year. Since observations began in 1900, the wood of trees has lost eight to twelve percent of its weight, while the volume growth of trees in Central Europe has increased by 29 to 100 percent at the same time. 
Climate change is causing trees to grow faster, but at the same time is making the wood lighter.

Stability and calorific value decline

The study thus proves that although the volume of wood increases, it has been losing substance, i.e. wood density, for decades. If wood loses weight, it is also less stable and has a lower calorific value. However, many trades from furniture manufacturers to energy companies are dependent on it. In addition, trees with less stable wood are more susceptible to storms.

Carbon sequestration is overestimated

The researchers see the long-term rise in temperature caused by climate change and the associated longer vegetation period as the causes for the weight reduction of wood. A second issue is the increased nitrogen pollution caused by agriculture, transport and industry. According to the study, this is supported by the decline in late wood density and an increase in the proportion of early wood in the annual rings.
 The most important message, however, is that the potential of forests for carbon fixation is overestimated. "Accelerated growth is still leading to more carbon sequestration. However, when extrapolated to the forests of Central Europe, the traditional estimate of ten million tonnes of carbon per year is too high," Pretzsch emphasises.

Der Boden besteht aus weit mehr als Erde. Er ist durchsetzt mit Mikroorganismen, Pilzen und unzähligen Wurzeln verschiedenster Pflanzen. Sie alle interagieren miteinander und bilden zusammen das Bodenmikrobiom. Unter der Leitung des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg und der Universität Tartu in Estland hat ein internationales Forschungsteam erstmals weltweit das Zusammenspiel von Pilzen und Bakterien im Boden untersucht. Wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten, befinden sich Pilze und Bakterien in einem ständigem Wettstreit um Nährstoffe. 

Bodenproben von der Tundra bis zu den Tropen

Um das Zusammenspiel der Bodenbewohner zu untersuchen, haben die Wissenschaftler über fünf Jahre 58.000 Proben an 1.450 Standorten auf der ganzen Welt entnommen. Dabei untersuchten sie sowohl Böden, die von der Landwirtschaft beeinflusst waren, als auch solche, die bisher von Menschenhand unberührt blieben. Unter der Leitung von Mohamad Bahram (Universität Tartu) und Falk Hildebrand (EMBL) wurden die Proben zusammengetragen und schließlich ausgewertet. Dabei haben sie sich auf 189 der 1.450 Bodenproben konzentriert. Sie enthielten die wichtigsten Biome der Welt – von Tropenwäldern bis hin zur Tundra. 

Globaler Krieg zwischen Bodenbakterien

Die Bodenforscher analysierten mehrere Millionen Gene der Mikroorganismen, doch weniger als ein Prozent davon waren bereits bekannt. „Die schiere Menge bisher unbekannter Gene ist überwältigend, aber diejenigen, die wir interpretieren können, weisen eindeutig auf einen globalen Krieg zwischen Bodenbakterien und -pilzen hin", sagt Peer Bork, EMBL-Gruppenleiter und Mitautor der Studie.

Außerdem stellte sich heraus, dass weniger Bakterien vorhanden waren, je mehr Pilze gemessen wurden. Den Forschern zufolge hängt die Anzahl der bakteriellen Antibiotikaresistenzgene in Bakterien stark von der Menge der Pilze ab. „Dieses Muster könnte dadurch erklärt werden, dass Pilze im Kampf um mehr Ressourcen Antibiotika produzieren, wodurch nur Bakterien mit den entsprechenden Antibiotikaresistenzgenen überleben", so Falk Hildebrand.

Bakterien mögen‘s warm, Pilze eher kühl

Auch die regionalen Unterschiede der Bodenproben wurden untersucht. Zwar konnten die Forscher in allen Proben Bakterien feststellen, die größte genetische Vielfalt fanden sie jedoch in gemäßigten Klimazonen: Bakterien bevorzugen warme und feuchte Standorte. Pilze hingegen kommen häufiger in kühlen und trockenen Klimazonen wie der Tundra vor. Zwischen den Kontinenten fanden die Bodenforscher größere Unterschiede bei den Pilzen als bei den Bakterien. Das bedeutet, dass die Beiträge von Bakterien und Pilzen zum Nährstoffkreislauf weltweit unterschiedlich sind und sich demnach auch der Klimawandel lokal unterschiedlich auf das Bodenmikrobiom auswirkt. 

Menschen verändern Bodenmikrobiom

Der Mensch hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Bodenbeschaffenheit: Ackerland oder Gartenrasen weisen völlig unterschiedliche Verhältnisse zwischen Bakterien, Pilzen und Antibiotikaresistenzen auf. Diese Verschiebung des natürlichen Gleichgewichts verdeutlicht die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Bodenmikrobiom – jedoch mit bisher unbekannten Folgen.

Die Wissenschaftler geben zu bedenken, dass ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pilzen und Bakterien im Boden den Einsatz von Bodendünger in der Landwirtschaft reduzieren und nützliche Mikroorganismen gefördert werden könnten.

jmr

Soil is much more than dirt. It contains a slew of microorganisms, fungi and roots of a plethora of plants. All of which interact with each other and together, they make up the soil microbiome. Headed by the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg and the University of Tartu in Estonia, an international research team for the first time conducted a study of bacteria and fungi in soil. Their results, as reported in the journal “Nature”, show that bacteria and fungi are in constant competition for nutrients and produce an arsenal of antibiotics to gain an advantage over one another.

Soil samples from tropical forests to the tundra

Over the course of five years, the researchers took 58.000 soil samples from 1450 sites all over the world, which included areas that were either unaffected or affected by human activities such as agriculture. Mohamad Bahram from the University of Tartu and Falk Hildebrand at EMBL, together with a large team of collaborators, analysed the enormous dataset. Of the 1450 sites sampled, 189 were selected for in-depth analysis, covering the world’s most important biomes, from tropical forests to tundra, on all continents.

War amongst soil microbes

The soil researchers analysed several million genes, but less than one percent were previously known. “The amount of unknown genes is overwhelming, but the ones we can interpret clearly point to a global war between bacteria and fungi in soil,” says Peer Bork, EMBL group leader and corresponding author of the paper.

Moreover, the researchers found that bacterial diversity in the soil is lower with increasing presence of fungi. The team also found a strong link between the number of antibiotic resistance genes in bacteria and the amount of fungi, especially those with potential for antibiotics production such as Penicillium. Falk Hildebrand: “This pattern could well be explained by the fact that fungi produce antibiotics in warfare with bacteria, and only bacteria with adequate antibiotic resistance genes can survive this.”

Regional differences

The team also found regional differences in the distribution of bacteria and fungi. Bacteria prefer hot and wet locations. Fungi are usually more prevalent in colder and dryer climates like the tundra. They also tend to be more geographically restricted, with differences in populations between continents. This implies that the relative contributions of bacteria and fungi to nutrient cycling are different around the world, and that global climate change may affect their composition and function differently.

Effects of human activity

When comparing data from the unspoiled soil sites with data from locations affected by humans, such as farmland or garden lawns, the ratios between bacteria, fungi and antibiotics were completely different. According to the scientists, this shift in the natural balance shows the effect of human activities on the soil microbiome, with unknown consequences so far. However, a better understanding of the interactions between fungi and bacteria in soil could help to reduce the usage of soil fertilizer in agriculture, and increase the number of beneficial microorganisms.

jmr