Aktuelle Veranstaltungen

Die Urbanisierung nimmt weltweit zu. Fast ein Drittel der deutschen Bevölkerung lebt bereits in einer Großstadt mit mehr als 100.000 Einwohnern. Diese Ballung stellt uns auch vor die grundsätzliche Herausforderung, die vielschichtigen Bedürfnisse von Mensch und Natur auf begrenzter Fläche zusammenzuführen. Neben der Schaffung von Wohnraum, müssen auch die Bedürfnisse von Tieren und Pflanzen berücksichtigt werden und Maßnahmen für Klimaanpassung und Ernährungssicherung getroffen werden.

Die Themenwoche Stadt – Land – Vielfalt bietet Lösungen mit der „grünen Stadt der Zukunft“. Im Wesentlichen geht es darum, eine vielfältige, grüne Infrastruktur zu entwickeln, von deren Ökosystemdienstleistungen Mensch und Natur gleichermaßen profitieren können. Hier gilt es vor allem die urbane Lebensqualität mit sozialen und ökologischen Elementen zu steigern.

Parks und Wiesen mit Wasserstellen sind nicht nur Orte der Begegnung. Sie kühlen, befeuchten und reinigen die Luft und sind zugleich ein Hort der biologischen Vielfalt. Neben Bäumen meistern Moose diese Aufgaben besonders effektiv. Hinter Mooswänden verbirgt sich eine ausgeklügelte Technik: Ventilatoren saugen die warme, verschmutzte Luft an, sie strömt durch die Moosschicht und tritt gesäubert und abgekühlt an der Rückseite heraus. Zusätzlich steuern Sensoren die Moosversorgung und liefern Umweltdaten in Echtzeit.

Ein weiteres Element der grünen Zukunftsstadt ist eine nachhaltige, vielseitig nutzbare Architektur. Dazu gehören auch Orte, an dem Lebensmittel erzeugt werden. So können Kräuter in Nährlösung unter LED-Licht wachsen, Tomaten im Hochbeet oder Mikroalgen im kleinen Bioreaktor auf dem Dach gedeihen.
In puncto nachhaltige, innovative Baustoffe kann die Bioökonomie ebenfalls einen entscheidenden Beitrag leisten. So zeigt die Ausstellung einen futuristischen Pavillon aus Flachsfasern, den Forschende der Universität Freiburg entwickelten. Ein Verbundstoff aus Pilz und Stroh wurde hingegen vom Wissenschafts- und Kunstkollektivs MY-CO-X um die Mikrobiologin Vera Meyer zu einem Minihaus verbaut. Eine Sperrholzkonstruktion verbindet insgesamt 300 wabenförmige Pilzmyzel-Elemente miteinander. Die Wandteile wurden mit Zunderschwamm ausgefüllt und sind komplett biologisch abbaubar.

Die grundlegenden Ziele und Visionen einer nachhaltigen Bioökonomie sind relativ klar: mithilfe von biologischem Wissen und Ressourcen soll eine auf Kreisläufen basierende Wirtschaft entstehen. Doch wie der wirtschaftliche Umbau vonstattengehen kann, hängt maßgeblich von lokalen Gegebenheiten ab. Daher müssen die Stärken von Regionen herausgearbeitet werden, um Potentiale bioökonomischer Wertschöpfung zu erkennen und zu nutzen.

Diese Potentiale können zum Beispiel in Form von lokal verfügbaren, biologischen Rohstoffen auf Feldern und Wiesen schlummern. Wälder, Meere oder Moore können nachhaltig genutzt werden. Bei unserer momentanen Form der Produktion geht noch vieles verloren. Deshalb gibt es die Bestrebung, das Potential von Reststoffen durch bioökonomische Innovation nutzbar zu machen. Doch wie genau kann das gelingen? Eine wichtige Rolle spielen dabei sogenannte Bioraffinerien. Solche Anlagen kommen zum Einsatz, um biologische Rohstoffe in ihre chemischen Bestandteile aufzuspalten, welche dann als Basis für verschiedenste Erzeugnisse wie Futtermittel, Verbundmaterial oder Treibstoff dienen. Ein Modell der RWTH Aachen veranschaulicht den gesamten Prozess am Beispiel einer Bioraffinerie, die Holzreste in wertvolle Produkte verarbeiten und so erdölbasierte ersetzen kann.

Holzreste aus dem Sägewerk werden hier beispielsweise zerkleinert und unter Hitze und Druck behandelt und chemische Verbindungen voneinander getrennt. Die einzelnen Bestandteile werden dann gereinigt und gelangen in das Herzstück der Anlage, den Fermenter. Hier wandeln spezialisierte Mikroorganismen die einstigen Holzstücke in biobasierte Chemikalien um. Zuletzt werden diese via Verdampfung oder Destillation aufgereinigt und fertig ist ein Baustein für einen biobasierten Kraftstoff oder eine andere erdölfreie Chemikalie.

Deutschland wird spätestens bis zum Jahr 2038 komplett aus der Kohle aussteigen. Die Modellregion BioökonomieREVIER Rheinland ist ein Beispiel dafür, wie nicht nur die Umwandlung eines einzelnen Rohstoffs, sondern die einer ganzen Region nach Prinzipien der Bioökonomie gelingen kann. Die Zielsetzung des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes umfasst neben ökonomischen und ökologischen auch viele soziale Aspekte. So will man eine Region an die klimatischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen der Zukunft anpassen. Dazu gehören Wohnraum, Verkehr, Industrie, Forschungslabore, Gründerzentren, Bioraffinerien, Naturschutzgebiete, Forst und Ackerflächen.

Immer mehr Organisationen, Institutionen und Gremien widmen sich ganz konkret der Ausgestaltung, Förderung und Kritik von Bioökonomie. Und das auf allen gesellschaftlichen Ebenen. In Deutschland hat sich die Politik auf eine Nationale Bioökonomiestrategie verständigt. Darin sind Grundsätze, Ziele und Maßnahmen für die Umsetzung einer biobasierten Wirtschaft beschrieben. Der Bioökonomierat, ein wissenschaftliches Gremium, berät die politischen Vertreterinnen und Vertreter dabei. Auch auf EU-Ebene und in vielen anderen Ländern weltweit sind bereits regional angepasste Bioökonomiestrategien entstanden.

Blickt man auf Deutschland, ist ein besonders hoher Entwicklungssprung bei der Bioökonomie-Forschung zu beobachten. Da die Bioökonomie in so viele Wirtschafts- und Industriebereiche Einzug hält, gibt es auch zahlreiche wissenschaftliche Disziplinen, die sich mit ihr beschäftigen. Neben der naturwissenschaftlichen Verortung bei Biologie und Chemie sind dies vor allem Wirtschafts-, Politik- und Sozialwissenschaften. Hinzu kommen verschiedene technische Disziplinen sowie in zunehmendem Maße der Bereich Kunst.

Doch Bioökonomie geht uns alle an! Sie geschieht nicht nur in Politik, Wirtschaft und Wissenschaft, sondern ganz konkret in der Lebenswirklichkeit der Menschen. Um einen wirksamen, öffentlichen Diskurs über Bioökonomie zu ermöglichen, muss jedoch vor allem auch ein Dialog zwischen Gesellschaft und Wissenschaft stattfinden – ein Dialog auf Augenhöhe. Voraussetzung dafür ist eine Kommunikation von Forschung, die von der interessierten Öffentlichkeit verstanden wird. Diese Art der Informationsvermittlung fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beispielsweise im Rahmen des Wissenschaftsjahres Bioökonomie 2020/21. Auch das Museum für Naturkunde Berlin (MfN) ist ein Ort, an dem Wissenschaftskommunikation zu Hause ist. Das Kooperationsprojekt NaturFutur knüpft hier an und möchte weitere Impulse geben.

Dem Bereich Gesellschaft–Forschung–Dialog ist auf dem Experimentierfeld nicht explizit ein Ausstellungsbereich zugeordnet. Vielmehr zieht sich das Thema übergeordnet durch alle Elemente der Ausstellung. In einer Info- und Leseecke finden sich allerlei Informationen zu Bioökonomie und zum Wissenschaftsjahr 2020/21. Die fünfte Woche rückt die gesellschaftliche Teilhabe zudem gesondert in Form von Veranstaltungen in den Fokus.

Zum nahenden Ende des Wissenschaftsjahrs 2020/21 – Bioökonomie kündigt sich noch ein echtes Highlight an: Am 2. November startet das Projekt „NaturFutur – Bioökonomie erleben“ mit einer interaktiven Ausstellung und einem vielseitigen Begleitprogramm. NaturFutur ist eine Kooperation zwischen dem Museum für Naturkunde Berlin und der Informationsplattform bioökonomie.de. Bis zum 5. Dezember eröffnet das Experimentierfeld im Naturkundemuseum Einblicke in die verschiedensten Themenfelder der Bioökonomie. Mehr zur Eröffnung der Ausstellung und Stimmen dazu finden sich hier.

Elastomere bilden eine große Gruppe der Kunststoffe. Obwohl ein Teil von ihnen auf Naturkautschuk basiert, gibt es bei den Rohstoffen hinsichtlich deren Nachhaltigkeit noch Optimierungspotenzial. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF möchte dies durch neue Rezepturen nun heben. Zum Einsatz kommen sollen dabei neben biobasierten Rohstoffen auch Reststoffe. Beide ersetzen Materialien, die bislang aus Erdöl hergestellt wurden.

Neuartige biobasierte Additive

„Eine unserer Hauptkompetenzen liegt darin, Elastomere aus Bio-Rohstoffen zu fertigen“, wirbt Ali Golriz, der die Elastomertechnologie im Fraunhofer LBF leitet. Das Team sei „spezialisiert auf nachhaltige Formulierung und smarte Prozesssteuerung entlang allen Schritten der Wertschöpfungskette“. Der Blick liegt dabei ebenso auf Kautschuken wie auf Füllstoffen und Vernetzern. Aber auch neuartige biobasierte Additive für Elastomere ebenso wie für Thermoplaste werden am LBF in Darmstadt entwickelt. Dabei ist für die Forschenden eine wichtige Voraussetzung, dass die chemischen Eigenschaften und auch die Kosteneffizienz der neuen Elastomere mindestens gleichwertig sind mit ihren erdölbasierten Pendants.

Zutaten Schritt für Schritt ersetzen

Das übliche Vorgehen bei der Suche nach alternativen Rezepturen besteht darin, zunächst die Komponenten der heutigen Rezepturen zu analysieren und dann für möglichst viele Bestandteile die Nachhaltigkeit zu optimieren. Ein Füllstoff wie Ruß lässt sich beispielsweise durch die Asche von Reisschalen ersetzen, wie sie als Reststoffe in der Lebensmittelherstellung anfallen, oder auch durch Ruß aus alten Reifen, die damit an ihrem Lebensende eine Weiternutzung erfahren. Anstelle traditioneller Weichmacher lassen sich Butter oder pflanzliche Öle einsetzen.

Kostenloses Onlineseminar

Neben dem Beitrag zum Klimaschutz sieht das Fraunhofer LBF in nachhaltigen Elastomeren auch Wettbewerbsvorteile. So ließen sie sich in der heutigen Zeit besser vermarkten und böten zugleich einen Schutz vor regulatorischen Eingriffen, bei denen bisherige Rezepturen möglicherweise aufgrund ökologisch problematischer Inhaltsstoffe verboten würden. Weitere Beispiele und Hintergründe wollen die Fraunhofer-Forschenden allen Interessierten bei einem kostenlosen Onlineseminar am 25. November 2021 präsentieren. Die Anmeldung ist möglich unter www.lbf.fraunhofer.de/green-elastomer.

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Elastomers make up a large proportion of plastics. Although some of them are based on natural rubber, there is still potential for optimizing the raw materials in terms of sustainability. The Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF now wants to exploit this potential by developing new formulations. In addition to biobased raw materials, residual materials are also to be used. Both replace materials that were previously produced from petroleum.

Novel bio-based additives

"One of our main areas of expertise is in manufacturing elastomers from bio raw materials," says Ali Golriz, who heads elastomer technology at Fraunhofer LBF. He says the team "specializes in sustainable formulation and smart process control along all steps of the value chain." The focus is just as much on rubbers as on fillers and crosslinkers. But novel bio-based additives for elastomers and thermoplastics are also being developed at the LBF in Darmstadt. An important consideration for the researchers is that the chemical properties and cost-effectiveness of the new elastomers are at least equivalent to those of their petroleum-based counterparts.

Replacing ingredients step by step

The usual procedure in the search for alternative formulations is to first analyze the components of today's formulations and then optimize sustainability for as many ingredients as possible. For example, a filler such as carbon black can be replaced with the ash from leftover rice husks from food production, or even carbon black from old tires, which can thus be put to further use at the end of their life cycle. Butter or vegetable oils can be used instead of traditional plasticizers.

Free online seminar

In addition to contributing to climate protection, Fraunhofer LBF also sees competitive advantages in sustainable elastomers. For example, they can be marketed more easily nowadays and offer protection against regulatory intervention that might ban formulations due to ecologically problematic ingredients. The Fraunhofer researchers want to present further examples and background information to all interested parties at a free online seminar on November 25, 2021. Registration is possible at www.lbf.fraunhofer.de/green-elastomer (will be held in German).

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Ob Biokunststoffe, Biotreibstoffe oder kompostierbare Verpackungen: Viele nachhaltige und umweltfreundliche Produkte zeugen vom Potenzial der Bioökonomie – einer Wirtschaftsform, die auf nachwachsende und umweltfreundliche statt fossile Rohstoffe wie Erdöl setzt. Doch die Bioökonomie geht weit über biobasierte und biologisch abbaubare Produkte hinaus und hat in der Vergangenheit – gerade hinsichtlich der Nutzung landwirtschaftlicher Rohstoffe – auch vielfach Kritik einstecken müssen. Die so genannte Tank-Teller-Debatte hat vor Augen geführt, dass auch Risiken und Nebenfolgen bioökonomischer Innovationen vor deren Einführung systematisch erforscht werden müssen und zudem eine breite gesellschaftliche Diskussion erfordern.

Hier setzt das Forschungsprojekt „Bioökonomische Nutzungspfade – Diskurs und Kommunikation – BioDisKo“ an. Ein Team um den Projektkoordinator Jan-Hendrik Kamlage vom Kulturwissenschaftlichen Institut der Universität Duisburg Essen (KWI) hat darin Formate und Methoden zur Information, Kommunikation und Partizipation im Bereich der Bioökonomie entwickelt, erprobt und bewertet. Anliegen war es, Bürgerinnen und Bürger sowie Stakeholder in die bioökonomische Debatte mit einzubeziehen und so eine wissensbasierte, transparente und ambitionierte Kommunikation und Meinungsbildung zu relevanten bioökonomischen Themen wie der Biomassenutzung anzustoßen. „Es ging nicht darum, durch die Formate Inhalte zu platzieren. Zumindest im Bereich der Partizipation ging es eher darum, offene Dialogräume zu schaffen, in denen man sich über die Folgen der Bioökonomie oder Teilbereiche wie den Biomasseanbau informiert austauscht“, erläutert Jan-Hendrik Kamlage.

Beteiligungsformate für eine wissensbasierte Kommunikation

Das Projekt BioDisKo wurde im Rahmen der Fördermaßnahme „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ von 2018 bis 2021 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 1,5 Mio. Euro gefördert. Neben dem KWI waren daran beteiligt das Institut für Zukunftsfragen und Technologiebewertung (IZT), das Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT sowie das Forschungszentrum Jülich GmbH – FZJ.

Mit dem „Bürger*innenrat“ und dem „Zukunftsrat“ wurden zwei Beteiligungsformate entwickelt und erprobt. „Wir vom KWI haben die Beteiligungsprozesse gemacht, um zu erfahren, was eine akzeptable und gemeinwohlorientierte Gestaltung der Bioökonomie aus Sicht der Bürgerinnen und Bürger bedeutet“, erklärt Kamlage. Darüber hinaus wurde eine Stakeholder-Interaktionsanalyse vom Fraunhofer UMSICHT mit Unternehmen durchgeführt, um Hemmnisse und Barrieren für Unternehmen beim zukünftigen Betrieb von Biogasanlagen aufzudecken. Auch das Wissen und die Meinungen der Verbraucherinnen und Verbraucher zur Bioökonomie wurde in einer Umfrage des IZT zusammengetragen sowie die Relevanz bioökonomischer Themen in Tages- und Wochenzeitungen in einer Medienanalyse erforscht.

Martina Brockmeier hat in den vergangenen Jahren dazu beigetragen, die Universität Hohenheim zu einem akademischen Bioökonomie-Hotspot zu entwickeln. Die Agrarökonomin ist überzeugt, dass die Bioökonomie entscheidend zum Erreichen der globalen Nachhaltigkeitsziele beitragen kann. Ab Mitte 2022 wird sie ihr Amt als Präsidentin der Leibniz-Gemeinschaft antreten. Im Interview erläutert sie, wie sie auch die Bioökonomie-Forschung in den Leibniz-Instiuten weiter stärken möchte.

From mid-2022, Martina Brockmeier will take office as President of the Leibniz Association. In recent years, she has helped to develop the University of Hohenheim into an academic bioeconomy hotspot. The agricultural economist is convinced that the bioeconomy can make a decisive contribution to achieving the global sustainability goals. In this interview, she explains how she would also like to further strengthen bioeconomy research at the Leibniz institutes.

Mit dem Förderkonzept „Innovationsräume Bioökonomie“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung 2016 ein Instrument geschaffen, um den Strukturwandel von einer erdölbasierten hin zu einer nachhaltigen, biobasierten Wirtschaft zu beschleunigen. Branchenübergreifende Bündnisse zwischen Wissenschaft und Wirtschaft sollen bioökonomische Innovationen schneller in die Praxis bringen. Ein großes Potenzial birgt hier die Textilbranche. Der Innovationsraum BioTexFuture fokussiert daher Projekte zur Herstellung biobasierter Textilien auf Basis nachhaltiger Rohstoffkreisläufe.

Im Oktober ist eine neue Förderrunde gestartet. Erneut können sich Projekte mit ihren Ideen zu einer nachhaltigen Textilindustrie beim Innovationsraum BioTexFuture bewerben. Gefördert werden Forschungsvorhaben zum Textil-Finishing, zum Produkt- und Prozessmanagement, zum Recyclingmanagement sowie zur Entwicklung von Substraten und Materialien.

Von der Idee in die Praxis

Die Ausschreibung adressiert zwei Arten von Projekten: Seed-Fund-Projekte und Accelerator-Projekte. Im Rahmen der Seed-Fund-Projekte werden innovative Ideen unterstützt, für die noch der Machbarkeitsnachweis erbracht werden muss. Sechs bis zwölf Monate dürfen für ein solches Projekt veranschlagt werden und maximal 100.000 Euro. Das Format dient dazu, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bei der Erforschung ihrer Ideen in einem interdisziplinären Team Unterstützung anzubieten. Projekte, die bereits über einen Konzeptnachweis verfügen und die Umsetzung ihrer Idee beschleunigen wollen, werden hingegen über das Accelerator-Projekt gefördert. Hier werden Projekte mit einer Laufzeit von bis zu zwei Jahren gefördert. Entsprechende Projektanträge für beide Formate können bis zum 15. Januar 2022 beim Projektmanagement-Büro eingereicht werden. Der Innovationsraum BioTexFuture wird industrieseitig vom Sportartikelhersteller Adidas sowie forschungsseitig von der RWTH Aachen geleitet.

Mit ALGAETEX, BIOCOAT und BIOBASE werden über BioTexFuture bereits seit längerem drei Konzepte gefördert. Im Projekt ALGEAETEX sollen beispielsweise Polymere für die Garnherstellung aus Mikroalgen gewonnen und Textilien für die Sportartikelindustrie entwickelt werden. Das Projekt BIOCOAT will ein Verfahren etablieren, das es ermöglicht, biobasierte Textilien mit einer ebenfalls biobasierten Beschichtung zu versehen, um den Stoff mit Eigenschaften wie wasserabweisend, antimikrobiell oder schneller trocknend auszustatten. Das Projekt BIOBASE hat sich hingegen zum Ziel gesetzt, in den Bereichen Automobil, Sportbekleidung, Innenausstattung und technische Textilien jeweils ein erdölbasiertes Produkt durch eines aus Biopolymeren zu ersetzen.

Deutschland will bis 2045 klimaneutral werden. Bereits 2030 sollen die Treibhausgasemissionen um 65 % gegenüber 1990 sinken. So steht es im neuen Klimaschutzgesetz, das im August dieses Jahres in Kraft trat. Um die Klimaziele – insbesondere das 1,5-Grad-Ziel – zu erreichen, empfiehlt der Bioökonomierat der künftigen Bundesregierung „die Bioökonomie als wesentliche Querschnittsaufgabe“ im Koalitionsvertrag zu verankern.

Ressortübergreifende Bioökonomiepolitik

„Will eine zukünftige Bundesregierung effizient und zielorientiert das 1,5 Grad-Ziel verfolgen, so muss sie der gegenwärtigen Fragmentierung politischer Maßnahmen gezielt entgegenwirken und eine abgestimmte, ressortübergreifende Bioökonomiepolitik bereits heute ins Zentrum ihrer Arbeit stellen“, so die Co-Vorsitzende des Bioökonomierats, Daniela Thrän. Mit der Bioökonomie halte Deutschland „einen wichtigen Schlüssel in Händen, den es benötigt, um den gesamtgesellschaftlichen „Transformationsprozess erfolgreich zu gestalten“, schreibt das Gremium in seinem kürzlich veröffentlichten Impulspapier.

Darin skizziert der Bioökonomierat die drängendsten Aufgaben, die SPD, Bündnis 90/Die Grünen und FDP aktiv angehen müssen und gibt Handlungsempfehlungen, um die Klimaziele zu erreichen. Mit einem klaren Bekenntnis zur Stärkung der Bioökonomie und einer angemessenen Verankerung als Querschnittsaufgabe im Koalitionsvertrag würde gegenüber allen relevanten Branchen und Interessengruppen ein klares und starkes Zeichen für ein entscheidendes Zukunftsfeld gesetzt, schreibt der Bioökonomierat.

Einbeziehung der Gesellschaft nötig

Dringender Handlungsbedarf besteht demnach in den Bereichen Klimaschutz, Nachhaltigkeit, technologische Souveränität und Wettbewerbsfähigkeit. „Mit den Technologien, die auf die Ziele der Bioökonomie einzahlen, können wir in den kommenden Jahren den Weg hin zu einer nachhaltigen Gesellschaft und Wirtschaft ebnen, ökologische und ökonomische Sichtweisen zusammenbringen und die Arbeitsplätze von morgen schaffen“, sagt Ratsmitglied und CEO der Firma bio.IMPACT & SymbioPharm GmbH, Jürgen Eck.

In seinem Impulspapier hebt das Beratergremium hervor, dass „der Erfolg des politischen Handelns“ jedoch auch „von der Einbeziehung und Akzeptanz der Gesellschaft“ abhängt.

Stabile politische Rahmenbedingungen schaffen

Damit der Transformationsprozess gelingt, müssten Ordnungs- und Prozesspolitik, Land- und Flächennutzungsstrategien sowie Wertschöpfungsnetzwerke unter Berücksichtigung der gesellschaftlichen Belange eng aufeinander abgestimmt und ganzheitlich gedacht werden. „Als Bioökonomierat empfehlen wir der neuen Bundesregierung daher, ihre Bestrebungen hin zu einer kohärenten Politik zu intensivieren, für stabile politische und gemeinschaftliche Rahmenbedingungen zu sorgen und die Forschungs- und Innovationsförderung in Richtung einer biobasierten und nachhaltigen Wirtschaft weiter auszubauen“, so Iris Lewandowski in ihrer Funktion als Co-Vorsitzende des Rates.

Der Bioökonomierat berät seit vielen Jahren die Bundesregierung zu Fragen der Bioökonomie. Er wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) berufen. Das 20-köpfige Fachgremium setzt sich aus Persönlichkeiten aus Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft zusammen. Im Dezember 2020 hatte der dritte Bioökonomierat seine Arbeit aufgenommen.

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Die Landwirtschaft muss umwelt- und klimafreundlich werden. Peter Breunig ist überzeugt: Bioökonomische Innovationen können dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen deutlich zu reduzieren. Der Agrarökonom engagiert sich seit Jahren im öffentlichen Diskurs um eine klimaneutrale Landwirtschaft. Im Interview erläutert er, welche Bedeutung neue Technologien in Pflanzen- und Tierzucht, der Anbau von Zwischenfrüchten sowie die Renaturierung der Moore für die Zukunft der Landwirtschaft haben – und wie die Landwirtschaft sogar vom Klimaschutz profitieren kann.

Wachsen, wo wichtige Nährstoffe knapp sind – vor dieser Herausforderung steht auch das Seegras, das in flachen Küstenregionen gemäßigter und tropischer Meere regelrechte Wiesen bildet. Die meiste Zeit des Jahres gibt es dort jedoch keinen Stickstoff in einer Form, die die Wasserpflanze verwerten kann. Lediglich elementarer Stickstoff ist im Meer reichlich vorhanden, doch den kann Seegras nicht aufnehmen. Bislang gingen wurde deshalb davon ausgegangen, dass Bakterien in der Umgebung diesen Stickstoff in andere Formen umwandeln und so für die Nährstoffversorgung der benachbarten Pflanze sorgen. Jetzt konnte ein Forschungsteam jedoch zeigen, dass die Beziehung zwischen Mikrobe und Seegras noch viel enger ist als angenommen.

Symbiose in den Seegraswurzeln

„Die Bakterien leben in den Wurzeln der Seegräser“, berichtet Wiebke Mohr vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Das sei das erste Mal, dass so eine im wahrsten Sinn des Wortes innige Symbiose bei Seegräsern gezeigt werde. „Bisher war sie nur von Landpflanzen bekannt, insbesondere bei landwirtschaftlich wichtigen Arten, wie den Hülsenfrüchtlern, Weizen oder auch Zuckerrohr.“ Auch diese können den in der Luft reichlich vorhandenen elementaren Stickstoff nicht verwerten. Sie gehen daher mit Bakterien eine Symbiose ein und liefern diesen im Tausch gegen Stickstoff andere Nährstoffe.

Jahreszeiten beeinflussen die Symbionten

Im Meer scheint diese Symbiose an die Jahreszeiten gekoppelt zu sein: Im Winter und im Frühjahr gibt es für Seegras genügend verwertbaren Stickstoff im Meer und in den Sedimenten. „Die Symbionten sind dann zwar vereinzelt in den Wurzeln der Pflanzen vorhanden, aber wahrscheinlich nicht sehr aktiv“, schildert Mohr. Im Sommer allerdings konkurriert das Seegras mit immer mehr Algen um die knappen Nährstoffe – und die Bakterien breiten sich im Seegras aus. Das wächst dann trotz des scheinbaren Nährstoffmangels besonders stark.

Die symbiontischen Bakterien waren der Wissenschaft bislang unbekannt. Mohr und ihr Team haben sie nach dem Neptungras Posidonia, in dem die Mikroben leben, Celerinatantimonas neptuna getauft. Ähnliche Bakterien leben auch in Meeresalgen wie dem Seetang. „Als die Seegräser vor etwa 100 Millionen Jahren vom Land ins Meer gezogen sind, haben sie wohl die Bakterien von den großen Algen übernommen“, vermutet Mohr und nimmt weiter an: „Sie haben das an Land höchst erfolgreiche System sozusagen kopiert und sich dann, um im nährstoffarmen Meerwasser überleben zu können, einen marinen Symbionten erworben.“

Wichtig für Ökosysteme und Klima

Die Entdeckung dieser Symbiose ist nicht nur für das Verständnis der Meeresökosysteme relevant, die Heimat für Meeresschildkröten, Seepferdchen und Seekühe sind und Küsten vor der Abtragung durch Sturmfluten schützen. Zusätzlich spielen diese Pflanzen eine Rolle für den Kohlenstoffkreislauf und das Klima: Seegraswiesen bedecken bis zu 600.000 Quadratkilometer und binden durch ihr Wachstum jährlich Millionen Tonnen CO₂, den sie für lange Zeit speichern und so der Atmosphäre entziehen.

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Growing even though nutrients are scarce - in shallow coastal regions of temperate and tropical seas, seagrass faces precisely this challenge. For most of the year, there is no nitrogen in a form that the aquatic plant can utilize. Only elemental nitrogen is abundant in the sea, but seagrass cannot absorb it. Until now, it was therefore assumed that bacteria in the environment convert this nitrogen and thus provide nutrients for the neighboring plant. Now, however, a research team has been able to show that the relationship between microbes and seagrass is even closer than assumed.

Symbiosis in the seagrass roots

"The bacteria live in the roots of the seagrass," explains Wiebke Mohr from the Max Planck Institute for Marine Microbiology in Bremen. This is the first time such an intimate symbiosis has been shown in seagrass, she said. "Until now, this was only known from land plants, especially in agriculturally important species such as legumes, wheat or sugar cane." These, too, cannot utilize elemental nitrogen, which is abundant in the air. They therefore enter into a symbiotic relationship with bacteria and supply them with other nutrients in exchange for nitrogen.

Seasons influence the symbionts

In the sea, this symbiosis seems to be linked to the seasons: In winter and spring, there is enough usable nitrogen in the sea and sediments. "The symbionts are then present sporadically in the roots of the plants, but probably not very active," Mohr describes. In summer, however, the seagrass competes with more and more algae for the scarce nutrients - and the bacteria spread in the seagrass. This then grows particularly strongly despite the apparent lack of nutrients.

The symbiontic bacteria were previously unknown to science. Mohr and her team have named them Celerinatantimonas neptuna after the Posidonia neptune grass in which the microbes live. Similar bacteria also live in marine algae such as kelp. "When the seaweeds moved from the land to the sea about 100 million years ago, they probably adopted the bacteria from the large algae," Mohr assumes, "They sort of copied the system that was highly successful on land and then, in order to survive in the nutrient-poor seawater, acquired a marine symbiont."

Important for ecosystems and climate

The discovery of this symbiosis is not only relevant for understanding marine ecosystems, which are home to sea turtles, seahorses and manatees and protect coasts from erosion by storm surges. These plants play a role in the carbon cycle and climate: seagrass meadows cover up to 600,000 square kilometers and, as they grow, sequester millions of tons of CO2 each year, which they store for long periods of time, removing it from the atmosphere.

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Immer mehr Verbraucher verlangen nach Produkten, die umweltfreundlich sind und nachhaltig produziert werden. Das gilt in besonderem Maße auch für Textilien und Mode. Noch machen Chemiefasern den Löwenanteil aller Textilfasern weltweit aus. Doch ein Umdenken ist im Gange. Im Labor, im Designstudio und im Textilunternehmen – immer mehr Akteure haben sich zum Ziel gesetzt, biobasierte Rohmaterialien zu nutzen. Nachhaltige Design-Labels bieten erste Produkte an und kommen auf Veranstaltungen wie der Green Fashion Fair in Berlin zusammen – zuletzt Anfang September im Rahmen der Berlin Fashion Week.  „Wir haben im Rahmen dieser Veranstaltung das erste Sustainable Fashion Event für Konsument:innen auf die Beine gestellt“, berichtet Claudia Albert von der Eventagentur Moij Momente. „Meiner Co-Founderin Agnes Friedrich und mir geht es darum, die Vielfältigkeit der nachhaltigen Modeszene zu präsentieren, ihre Pioniere und innovativen Newcomer. Bei der Premiere waren 30 Brands dabei. Nächstes Jahr rechnen wir mit noch mehr Ausstellern und Designern, die mitmachen.“

Algen als innovative neue Rohstoffquellen in der Textilindustrie

Aber auch in der Wissenschaftscommunity wächst das Interesse am Thema. Algen und andere natürliche Ressourcen als nachhaltige Rohstoffquelle für Mode erschließen – das ist eines der Ziele, dem sich der Innovationsraum BIOTEXFUTURE widmet. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über fünf Jahre geförderte Konsortium wird gemeinsam von der RWTH Aachen und dem Sportartikelhersteller adidas geleitet.

Eines der hier geförderten Projekte ist Algaetex, an dem auch Wissenschaftler des Fraunhofer IGB und der Universität Bayreuth beteiligt sind. „Gemeinsam wollen sie einen technisch machbaren Weg aufzeigen, wie aus Algen bzw. den von ihnen produzierten Fettsäuren Materialien für textile Anwendungen hergestellt werden können: sogenannte thermoplastische Biopolymere“, sagt Marco Schmitt, an der RWTH Aachen am Lehrstuhl für Soziologie mit dem Schwerpunkt Technik- und Organisationssoziologie tätig. Ein anderes Projekt – GOLD genannt – dreht sich um die Goldschlägerhaut und wie sich dieses Material biomimetisch nachbauen lässt, ohne Tiere dafür einsetzen zu müssen. Das Team um Claudio Flores von der Mimetype Technologies GmbH will dafür die molekularbiologischen Details des Rinderdarms entschüsseln und dieses Wissen auf die Herstellung von elastischen Materialien anwenden.  

Schmitt und seine RWTH-Kollegen am Lehrstuhl für Soziologie wiederum  wollen Materialinnovationen im Projekt TransitionLab aus der Perspektive der Konsumenten und notwendiger Innovationen in den gesellschaftlichen Praktiken begleiten: Was wünschen sich die Verbraucher:innen? Welche Erwartungen setzen sie beispielsweise in Mode aus Algen oder anderen Ressourcen? Welche Probleme könnten aus ihrer Sicht damit gelöst werden, welche nicht? Was können sie zu einer nachhaltigeren Textilwirtschaft beitragen?

BürgerWissenschaftsDialog am 11. November im Naturkundemuseum

Im Rahmen der Ausstellung NaturFutur, die seit Anfang November noch bis zum 5. Dezember im Naturkundemuseum Berlin umgesetzt wird, wollen die Forscher zum gemeinsamen Gespräch mit Experten und Bürger:innen zusammenkommen. In Rahmen der Themenwoche Material|Mode|Konsum organisiert BIOTEXFUTURE am 11. November gemeinsam mit bioökonomie.de in der Reihe „Bioökonomie im Gespräch“ die Veranstaltung „Mode aus Algen – Wege zu einer nachhaltigen Textilwirtschaft“ von 18:00 bis 19:30 Uhr. Als weitere Experten vor Ort dabei sind Johannes Kopton, Algenexperte und Biotech-Enthusiast vom Verein Ökoprogressive Agrarwende (ÖkoProg), Claudia Albert, Gründerin der Green Fashion Fair in Berlin und Claudio Flores (Mimotype Technologies GmbH) vom Projekt GOLD im Innovationsraum BIOTEXFUTURE.

Nicht weniger als ein vollständig neues Verfahren zur Genom-Editierung – das hatte sich das Forschungsprojekt getLight (Novel light-inducible genome editing technology for crops) zum Ziel gesetzt. Damit wäre beispielsweise in der Pflanzenzüchtung die schnelle und präzise Entwicklung verbesserter Sorten möglich, ohne dass teure Lizenzgebühren für etablierte Verfahren wie CRISPR-Cas anfielen. Für den Machbarkeitsnachweis hat die Projektdauer von Juni 2018 bis Mai 2020 zwar nicht gereicht, doch wichtige erste Schritte konnten die Forschenden vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME auf dem Weg zu ihrem ehrgeizigen Ziel zurücklegen.

Lizenzkosten für CRISPR-Cas umgehen

„Für die Forschung ist CRISPR-Cas toll, weil man damit schnell Ergebnisse erzielen und publizieren kann“, erläutert Projektleiter Stefan Schillberg. „Am Fraunhofer-Institut sind wir aber an der Anwendung interessiert, und weil bei CRISPR andere die Patente haben, müssten unsere Industriepartner immer dafür bezahlen.“ Dadurch seien die Kosten in der Pflanzenzüchtung schnell so hoch, dass sie keiner mehr tragen wolle. „Mein Traum war es, stattdessen ein eigenes Verfahren hinzubekommen“, verrät der Biotechnologe. Den Ansatz dazu sollten sogenannte Quantum Cluster bilden. Die nötige Finanzierung über rund 500.000 Euro kam vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Als Quantum Cluster bezeichnen die Forschenden eine Verbindung aus einem kurzen DNA-Strang, der in der Zelle an die Zielsequenz koppeln kann, mit einer weiteren DNA-Struktur, beispielsweise einem sogenannten Loop, die Metallionen wie geladene Silberteilchen binden kann. Wird ein solcher Quantum Cluster mit Licht angeregt, fluoresziert er – je nach Wellenlänge, die auf ihn fällt, mit einer anderen Wellenlänge. Bislang werden solche Konstrukte in Nachweisverfahren genutzt, wo die Fluoreszenz entsprechend Aufschluss über den Aufenthaltsort des Quantum Clusters gibt.

The research project getLIGHT (Novel light-inducible genome editing technology for crops) aimed to develop nothing less than a completely new genome editing method. In plant breeding, for example, this would enable the rapid and precise development of improved varieties without incurring expensive licensing fees for established methods such as CRISPR-Cas. Although the project period from June 2018 to May 2020 was not long enough to prove feasibility, the researchers from the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME were able to take important first steps towards their ambitious goal.

Bypassing licensing costs for CRISPR-Cas

"For research, CRISPR-Cas is great because you can quickly obtain results and publish them," explains project leader Stefan Schillberg. "But at the Fraunhofer Institute, we are interested in applications, and because others have the patents in CRISPR, our industrial partners would always have to pay for it." As a result, the costs in plant breeding would quickly become so high that no one would want to cover them.  "My dream was to come up with my own process instead," the biotechnologist reveals. So-called quantum clusters were to form the approach to this. The necessary funding of around 500,000 euros came from the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF).

The researchers call a quantum cluster a connection between a short DNA strand, which can couple to the target sequence in the cell, and another DNA structure, for example a so-called loop, which can bind metal ions such as charged silver particles. When such a quantum cluster is excited with light, it fluoresces - with a different wavelength depending on the wavelength that falls on it. So far, such constructs have been used in detection methods, where the fluorescence provides information about the location of the quantum cluster.