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The bioeconomy can make a decisive contribution to the implementation of the global sustainability goals of the United Nations. However, a bio-based economy is not sustainable per se and in some cases there may even be conflicting goals. Measures and processes must be constantly monitored and scrutinized to ensure that the path to a bioeconomy is sustainable and to prevent or counteract undesirable developments.

For monitoring the German bioeconomy, the collaborative project "Systemic Monitoring and Modeling of the Bioeconomy", or SYMOBIO for short, funded by the Federal Ministry of Research and others, was launched in 2016. Here, researchers have developed tools over the years to measure and evaluate pathways to a sustainable, bio-based economy. The most important material flows in agriculture and forestry have been analyzed in terms of their ecological footprint, associated national and global impacts have been identified, and approaches to solving problems have been named.

A hub for bioeconomy monitoring

The collaborative project SYMOBIO 2.0, which started in January 2022, will now specify and expand the results of the predecessor project and create a central platform that bundles all information on bioeconomy monitoring. The consortium is coordinated by the Center for Environmental Systems Research (CESR) at the University of Kassel.

"SYMOBIO is intended to become the hub for monitoring the German bioeconomy," says project manager Stefan Bringezu. "We prepare the data and core indicators in a clear way, evaluate them and provide links to further information." To create a coherent picture of the bioeconomy, the research team uses methods such as footprint analyses, remote sensing, stakeholder surveys, case studies, model simulations and patent analyses.

Clear communication of politically relevant results

The SYMOBIO researchers are not only looking at Germany, but are also taking a global perspective. An important concern is to clearly communicate those results that are politically relevant, as Bringezu emphasizes. "We need to go beyond the level of a mere research overview and make statements that inform the performance of the bioeconomy and the requirements in terms of sustainability."

Create links to other monitoring systems

The development of agriculture has a special place in the bioeconomy monitoring. However, the project partners see the monitoring as a "learning system". Therefore, there will also be interfaces to other monitoring systems, such as the general monitoring of raw materials and the monitoring of the energy transition, and users will be included. In addition to CESR, ten other German research institutes are involved in the SYMOBIO 2.0 project, which will run until 2024:

Der European Circular Bioeconomy Fund (ECBF) hat zum Zeichnungsschluss seine angepeilte Zielmarke von 250 Mio. Euro deutlich übertroffen. Kurz vor Weihnachten hatte man noch bei rund 200 Mio. Euro eine Zwischenpause eingelegt. Nun konnte das internationale Team des ECBF das Vertrauen einer Reihe weiterer Investoren gewinnen.

Fonds mit 25 Gesellschaftern aus acht Ländern

Im Zuge der beiden vorangegangenen Zwischenschritte traten unter anderem die Landwirtschaftliche Rentenbank, Allianz France, Invest NL, GCV, Firmenich, Stellar Impact (ein von Telos Impact verwaltetes Vehikel), Dr. Hans-Riegel Holding sowie Bellevue Investments dem Aktionärskreis bei. Unternehmen wie Neste, Nestlé, BÜFA, NRW.BANK, Volkswohl Bund, Corbion, Dr. Hettich Beteiligungen, Koehler Group sowie das Wortmann Family Office und drei weitere Investoren haben sich bereits in den vorangegangenen Runden beteiligt und sich damit der Mission des Fonds angeschlossen. Insgesamt umfasst der Investorenkreis nun 25 Gesellschafter aus acht Ländern.

Michael Brandkamp, Mitbegründer und geschäftsführender Gesellschafter des ECBF, kommentiert: „Wir sind stolz und dankbar, dass wir das Vertrauen von Investoren aus vielen verschiedenen Ländern erhalten haben, um diesen wichtigen Wachstumssektor voranzubringen. Unser ursprüngliches Ziel von 250 Mio. Euro zu übertreffen, ist für uns eine große Verpflichtung: Mit dem notwendigen Fachwissen, dem starken Engagement des ECBF-Teams und den richtigen Partnern können wir unsere Vision einer biobasierten Wirtschaft Wirklichkeit werden lassen. Viele europäische Gründer haben ein enormes Potential, um auf der Welle der Bio-Revolution mitzureiten, und wir werden alles tun, um sie zu unterstützen. Nur so können wir eine nachhaltige Wirtschaft – und damit eine sichere Zukunft für alle – maßgeblich voranbringen.“

Bisher sechs Unternehmen im Portfolio

Bislang befinden sich die folgenden europäischen Unternehmen der zirkulären Bioökonomie im Portfolio des ECBF: Die Prolupin GmbH aus Mecklenburg-Vorpommern, Peel Pioneers B.V., Aphea.Bio B.V., Nuritas Ltd., Elicit Plant SAS und kürzlich hinzugekommen Protix B.V.

gkä/pg

The European Circular Bioeconomy Fund (ECBF) clearly exceeded its target of 250 million euros at the closing of the subscription period. Shortly before Christmas, the fund had paused at around 200 million euros. Now, the international ECBF team has gained the support of a number of additional investors.

Fund with 25 shareholders from eight countries

In the two previous steps, among others, Landwirtschaftliche Rentenbank, Allianz France, Invest NL, GCV, Firmenich, Stellar Impact (a vehicle managed by Telos Impact), Dr. Hans-Riegel Holding and Bellevue Investments joined the shareholder group. Companies such as Neste, Nestlé, BÜFA, NRW.BANK, Volkswohl Bund, Corbion, Dr. Hettich Beteiligungen, Koehler Group as well as Wortmann Family Office and three other investors have already participated in the previous rounds and thus joined the mission of the fund. In total, the investor base now comprises 25 shareholders from eight countries.

Michael Brandkamp, co-founder and managing partner of ECBF, comments: "We are proud and grateful to have received the trust of investors from many different countries to advance this important growth sector. Exceeding our initial target of €250 million is a big commitment for us: with the necessary expertise, the strong commitment of the ECBF team and the right partners, we can make our vision of a bio-based economy a reality. Many European founders have enormous potential to join the bio-revolution, and we will do everything we can to support them. Only in this way can we significantly advance a sustainable economy - and thus a secure future for all."

Six companies in the portfolio so to date

So far, the following European circular bioeconomy companies are in the ECBF portfolio: Prolupin GmbH from Mecklenburg-Vorpommern, Peel Pioneers B.V., Aphea.Bio B.V., Nuritas Ltd, Elicit Plant SAS and recent addition Protix B.V..

gkä/pg

Die Landwirtschaft ist für einen Großteil der klimaschädlichen Treibhausgase verantwortlich. Vor allem die Tierhaltung und der Einsatz von Düngemitteln gelten als Treiber. Aber auch durch die Abholzung von Wäldern und die Umwandlung von Naturflächen in Ackerland zum Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln werden Emissionen freigesetzt. Genom-editierte Pflanzen könnten die Treibhausgase jedoch deutlich reduzieren und damit die Landwirtschaft nachhaltiger machen. Das geht aus einer aktuellen Studie der Universität Bonn und des Breakthrough-Instituts in den USA hervor, die in der Fachzeitschrift „Trends in Plant Science“ erschienen ist.

Emissionen in der Landwirtschaft reduzieren

„Die Nutzung besserer Technologien zur Steigerung der Erträge auf den bereits genutzten Flächen könnte weiteren Landnutzungswandel eindämmen und somit die Emissionen reduzieren“, sagt Studienautor Matin Qaim, Direktor des Zentrums für Entwicklungsforschung (ZEF) der Universität Bonn. Im Rahmen der Studie betrachteten die Forschenden ausschließlich bereits existierende gentechnisch veränderte Organismen. Auf Grundlage globaler landwirtschaftlicher Daten schätzten sie den Ertragseffekt ab und modellierten, wie sich die Verwendung von gentechnisch veränderten Pflanzen in der EU auf die Produktion, Landnutzung und Treibhausgas-Emissionen auswirken würde.

Positiver Klimaeffekt durch geringeren Landnutzungswandel

Das Ergebnis: Würden etwa in der EU gentechnisch veränderte Zuckerrüben, Raps, Mais, Baumwolle und Sojabohnen wachsen, könnten der Studie zufolge die CO₂-Emissionen um 33 Millionen Tonnen sinken, was einen Anteil von rund 7,5 % der gesamten jährlichen Emissionen der EU-Landwirtschaft ausmacht. „Der größte Teil dieser positiven Klimaeffekte ergibt sich durch verringerten Landnutzungswandel“, sagt Erstautorin Emma Kovak vom Breakthrough-Institut. Die Autorin verweist hier auf die Importe von Mais und Soja aus Brasilien, wo Regenwälder neuen Anbauflächen weichen müssen. „Höhere Erträge in der EU könnten zumindest einen Teil dieser Importe reduzieren und damit einen Beitrag zum Schutz des Amazonas-Regenwalds leisten“, so Kovak.

Mangelnde Akzeptanz und politische Hürden

Die Studie zeigt damit klar, welchen positiven Effekt der Einsatz gentechnisch veränderter Organismen für Klima und Umwelt hätte. In vielen Ländern werden seit Jahren gentechnisch veränderte Pflanzen wie etwa Mais und Soja eingesetzt. In Europa hingegen haben sie bis heute nicht Fuß gefasst. „Die Hauptgründe sind mangelnde öffentliche Akzeptanz und politische Hürden“, sagt Qaim. Umfragen zufolge befürchten viele Menschen negative Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt. Experten wie der Agrarökonom Matin Qaim haben wiederholt darauf verwiesen, dass die modernen Methoden der Genom-Editierung nicht mit herkömmlicher Gentechnik gleichzusetzen sind.

Mithilfe moderner Methoden des Genome Editings wie der Genschere CRISPR-Cas kann das Erbgut von Pflanzen bereits heute präzise verändert werden. Ein minimaler genetischer Eingriff reicht aus, um Nutzpflanzen wie Weizen, Reis oder Mais so zu verändern, dass sie widerstandsfähiger gegen Pilzbefall oder Trockenheit sind. Das Gentechnik-Recht der EU verhindert diesen Einsatz jedoch. Im Sommer 2018 hatte der Europäische Gerichtshof entschieden, dass sämtliche durch Mutagenese gewonnene Organismen gentechnisch veränderte Organismen (GVO) sind und grundsätzlich unter die strenge Regulierung der europäischen Freisetzungsrichtlinie (2001/18/EG) für gentechnisch veränderte Organismen fallen. Darunter fallen auch die gezielte Mutagenese durch die Genomschere CRISPR-Cas und andere Werkzeuge des sogenannten Genome Editings, mit denen sich das Erbgut von Organismen viel gezielter als bisher verändern und bearbeiten lässt.

bb

Die „Grüne Chemie“ – also eine umweltfreundliche, nachhaltige und biobasierte Chemie – ist durch zwölf Grundsätze definiert. Aufgestellt haben sie 1998 Paul Anastas und John C. Warner. Während viele ihrer Prinzipien heute weitreichend Berücksichtigung finden, wenn die Branche neue Stoffe entwickelt, kommt ein Prinzip nach Einschätzung eines Forschungsteams unter Leitung der Goethe-Universität Frankfurt bislang zu kurz: die Verringerung der Umwelt-Toxizität. Um das zu ändern, haben die Fachleute im Projekt „GreenToxiConomy“ ein Verfahren erprobt, um bereits bei der Entwicklung neuer biobasierter Stoffe deren Umweltschädlichkeit abschätzen zu können. So könnten die Hersteller frühzeitig die Entwicklung korrigieren.

Biotenside und Pflanzenschutzmittel

Erdacht und erprobt hat das Team seinen Ansatz anhand von biotechnologisch hergestellten Biotensiden und Mikrogel-basierten Pflanzenschutzmitteln. „Wir wollten untersuchen, ob die biobasierten Tenside noch umweltfreundlicher als herkömmliche chemische Tenside sind“, erläutert Sarah Johann, Umwelttoxikologin an der Universität Frankfurt. „Und wir wollten ausschließen, dass von den Mikrogelbehältern als solche irgendeine Toxizität ausgeht.“ Für die Untersuchung der neuartigen Substanzen und Technologien habe das Team daher einen breiten Konzentrationsbereich ausgewählt, um mögliche potenzielle Gefährdungen für Mensch und Umwelt gut abschätzen zu können.

Vergleich mit anderen Chemikalien

Zum einen verglichen die Forschenden mithilfe von Computerprogrammen die Struktur der neuen biobasierten Verbindungen mit anderen Chemikalien, deren Toxizität bekannt war. Auf dieser Grundlage entstanden Vorhersagen über potenzielle Risiken. In praktischen Experimenten mit wasser- und landlebenden Organismen überprüften die Fachleute diese Vorhersagen. Dabei wählte das Team die Organismen so, dass diese jeweils größere Organismengruppen repräsentierten.

Positive Resultate für Testverbindungen

Für die untersuchten Verbindungen fiel die Analyse positiv aus. Sowohl die Biotenside als auch die Mikrogele sind nicht nur nachhaltig in der Herstellung, sondern dürften auch keine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen. Dennoch schränkt Johann ein: „Wir können unsere Aussagen allerdings nur in gewissen Grenzen treffen, denn die Übertragung von Laborergebnissen auf die Realität im Freiland oder in anderweitigen Anwendungen ist kompliziert.“ Auch wenn dieser Ansatz nur ein erster Schritt in Richtung ökotoxikologisch abgesicherte Bioökonomie sei, so stehe für Henner Hollert, Leiter der Abteilung Evolutionsökologie und Umwelttoxikologie der Universität Frankfurt, nach dieser Studie fest: „Geht es um künftige biobasierte Produktentwicklung und Produktdesign, müssen wir die Folgen für Mensch und Umwelt frühzeitig klären. Da kann unser Ansatz wertvolle Dienste leisten.“

bl

"Green chemistry" - i.e., environmentally friendly, sustainable and biobased chemistry - is defined by twelve principles. Paul Anastas and John C. Warner established them in 1998. While many of their principles are now widely taken into account when the industry develops new substances, a research team led by the Goethe University in Frankfurt believes that one principle has so far been neglected: the reduction of environmental toxicity. To change this, the experts in the "GreenToxiConomy" project have tested a method for assessing the environmental toxicity of new biobased substances as they are being developed. This would enable manufacturers to correct the development at an early stage.

Biosurfactants and pesticides

The team devised and tested its approach using biotechnologically produced biosurfactants and microgel-based crop protection agents. "We wanted to investigate whether the biobased surfactants were even more environmentally friendly than conventional chemical surfactants," explains Sarah Johann, an environmental toxicologist at the University of Frankfurt. "And we wanted to rule out any toxicity coming from the microgel containers as such." For the investigation of the novel substances and technologies, the team therefore selected a wide range of concentrations in order to be able to make a good assessment of possible potential hazards for humans and the environment, she says.

Comparison with other chemicals

The researchers used computer programs to compare the structure of the new biobased compounds with other chemicals whose toxicity was known. On this basis, predictions were made about potential risks. The experts tested these predictions in practical experiments with aquatic and terrestrial organisms. The team selected the organisms in such a way that they represented larger groups of organisms.

Positive results for test connections

The analysis was positive for the compounds investigated. Both the biosurfactants and the microgels are not only sustainable in their production, but are also unlikely to pose any risk to humans or the environment. Nevertheless, Johann cautions, "We can only make our statements within certain limits, however, because transferring laboratory results to reality in the field or in other applications is complicated." Even if this approach is only a first step toward an ecotoxicologically sound bioeconomy, Henner Hollert, head of the Department of Evolutionary Ecology and Environmental Toxicology at the University of Frankfurt, is certain after this study: "When it comes to future biobased product development and design, we need to clarify the consequences for humans and the environment at an early stage. That's where our approach can provide valuable services."

bl

Das Meeresbakterium Vibrio natriegens ist schneller als alle anderen: Kein bekannter Organismus, der für den Menschen unschädlich ist, vermehrt sich schneller. Das macht ihn zu einem potenziell hochinteressanten Werkzeug für die Biotechnologie. Ein Forschungsteam der TU München ist dieser Frage nachgegangen und hat die Mikrobe genutzt, um Bernsteinsäure herzustellen. Ihre Forschung wird im Journal „Microbial Biotechnology“ vorgestellt.

Omnipräsent und doch hoch begehrt

Bernsteinsäure zählt zu den zwölf wichtigsten Stoffen, die künftig biobasiert und biotechnologisch statt petrochemisch hergestellt werden könnten. Die chemische Verbindung ist nicht nur für Pharmazie und Kosmetik interessant, sondern auch ein Baustein für biologisch abbaubare Kunststoffe. Sie kommt im namensgebenden Bernstein, aber auch in Braunkohle vor. In Form ihres Salzes allerdings existiert sie in allen lebenden Organismen. Das sogenannte Succinat entsteht, wenn der Zucker Glukose im Stoffwechsel abgebaut wird.

Rasend schneller Produktionsprozess

Genau diesen Umstand haben sich die Forschenden bei Vibrio natriegens zu Nutze gemacht. Zunächst haben sie dessen Stoffwechselprozesse entschlüsselt und dann mit modernen gentechnischen Methoden so optimiert, dass der Mikroorganismus Glukose besonders effizient in Bernsteinsäure umsetzt – und zwar rasant: „Wir haben Plastikröhrchen mit einer Salzlösung gefüllt, in der Vibrio natriegens sich wohlfühlt, Glukose hinzugegeben und das Ganze luftdicht verschlossen“, beschreibt Felix Thoma von der TU München den Versuchsaufbau. „In Abwesenheit von Sauerstoff haben die Bakterien dann den Zucker und das im Medium gelöste CO₂ zu Bernsteinsäure umgesetzt. Dieser Vorgang war nach etwa zwei bis drei Stunden abgeschlossen.“

Prozess in nur zwei Jahren etabliert

In einem zweiten Schritt hat das Team den gleichen Prozess in einem Bioreaktor durchgeführt. Dort konnten sie den pH-Wert ausgleichen, der sich sonst durch die entstehende Säure verschiebt und irgendwann den Mikroorganismus hemmt. Außerdem konnten sie kontinuierlich Zucker nachfüttern und den Produktionsprozess so in Gang halten. „Nur zwei Jahre Entwicklungsarbeit mit dem Meeresbakterium haben zu vergleichbaren Leistungsmerkmalen geführt, wie sie andere Systeme nach 15 bis 20 Jahren aufweisen“, resümiert Thoma. Damit sei das Meeresbakterium ein neuer potenter Akteur in der industriellen Biotechnologie.

Abfallströme als Rohstoff nutzen

Bis zum kommerziellen Einsatz sind jedoch noch einige Herausforderungen zu meistern. So wollen die Fachleute die Prozessführung weiter optimieren und vor allem weiterentwickeln: In der Praxis soll sich das Bakterium nicht von wertvollem Zucker ernähren. Stattdessen setzt das Team auf Kohlenhydrate aus nachwachsenden Rohstoffen und Abfällströmen, die nicht mit der Lebensmittelindustrie konkurrieren.

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The marine bacterium Vibrio natriegens is faster than any other: No known organism that is harmless to humans multiplies faster. This makes it a potentially highly interesting tool for biotechnology. A research team from TU Munich has investigated this question and used the microbe to produce succinic acid. Their research is presented in the journal „Microbial Biotechnology“.

Omnipresent and yet highly sought after

Succinic acid is one of the twelve most important substances that could be produced biobased and biotechnologically instead of petrochemically in the future. The chemical compound is not only interesting for pharmaceuticals and cosmetics, but also serves as a building block for biodegradable plastics. It is found in the name-giving amber, but also in lignite. In the form of its salt, however, it exists in all living organisms. The so-called succinate is formed when the sugar glucose is broken down in metabolism.

Rapid production process

This is exactly what the researchers did with Vibrio natriegens: First, they decoded its metabolic processes and then optimized them using modern genetic engineering methods so that the microorganism converts glucose into succinic acid particularly efficiently - and rapidly: "We filled plastic tubes with a salt solution in which Vibrio natriegens feels comfortable, added glucose and sealed the whole thing airtight," says Felix Thoma of the Technical University of Munich, describing the experimental setup. "In the absence of oxygen, the bacteria then converted the sugar and the CO2 dissolved in the medium into succinic acid. This process was completed after about two to three hours."

Process established in just two years

In a second step, the team carried out the same process in a bioreactor. There, they were able to balance the pH value, which otherwise shifts due to the acid that is produced and eventually inhibits the microorganism. They were also able to continuously feed sugar to keep the production process going. "Only two years of development work with the marine bacterium have resulted in comparable performance characteristics to other systems after 15 to 20 years," Thoma sums up. This makes the marine bacterium a new potent player in industrial biotechnology, he says.

Using waste streams as raw materials

There are still a few challenges to be overcome before commercial use. For example, the experts want to further optimize the process control: In practice, the bacterium should not feed on valuable sugar. Instead, the team is focusing on carbohydrates from renewable raw materials and waste streams that do not compete with the food industry.

bl

Viele Fischarten werden heute in Aquakulturanlagen gezüchtet, um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden. Doch auch der Ausbau der Aquakultur stößt an Grenzen und verlangt nach Innovationen, die nachhaltig und umweltgerecht sind. Dieser Herausforderung wird sich die Gesellschaft für marine Aquakultur (GMA) in Büsum ab sofort gemeinsam mit der Fraunhofer-Einrichtung IMTE in Lübeck stellen. Für den wissenschaftlichen Leiter der GMA und nun Direktor der neuen Fraunhofer-IMTE-Außenstelle, Carsten Schulz, sind aquatische Technologien zentrale Bausteine einer gesunden Ernährung und nachhaltigen Wertschöpfung.

Many species of fish are now farmed in aquaculture facilities to meet growing demand. However, even the expansion of aquaculture is reaching its limits and calls for innovations that are sustainable and environmentally sound. The Society for Marine Aquaculture (GMA) in Büsum will take up this challenge together with the Fraunhofer IMTE facility in Lübeck. For the scientific director of the GMA and now director of the new Fraunhofer IMTE branch, Carsten Schulz, aquatic technologies are central building blocks of healthy nutrition and sustainable value creation.

Für den Einsatz in Biogasanlagen galt der Rohstoff Holz bislang als nicht gut geeignet. Grund dafür ist der hohe Anteil schwer abbaubarer Faserverbindungen. Diese Hürde haben Forschende im Projekt PaplGas nun genommen. Unter der Leitung des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) haben sie eine innovative Verfahrenskette zur Nutzung von Pappelholz für Biogasanlagen entwickelt. Am Projekt beteiligt sind Vattenfall Energy Solutions GmbH (ESG) und der Substrathersteller Klasmann-Deilmann GmbH (KD).

Hohe Methanausbeute überzeugt

Pappeln zählen zu den schnellwachsenden Hölzern, die in Kurzumtriebsplantagen wachsen. Im Projekt kamen Hackschnitzel aus Pappeln zum Einsatz, aus denen mit einem Extruder Fasern gewonnen und in einer Biogasanlage vergoren wurden. Im Anschluss haben die Fachleute die Gärreste in eine Fest- und eine Flüssigphase getrennt. Untersuchungen im Labor ergaben, dass die Pappelfasern beachtliche Methanerträge liefern. Die Gasausbeute der frischen Biomasse war zur Überraschung der Forschenden vergleichbar mit der aus frischer Maissilage.

Kompostierte Gärreste geeignet als Torfersatz

Zudem zeigte sich, dass die festen Gärreste nach der Kompostierung durchaus Torf in Kultursubstraten und Blumenerden ersetzen könnten. Im Projekt wurde auch ermittelt, inwiefern die neuartige Anlage zur kombinierten Biogas- und Torfersatzgewinnung wirtschaftlich ist. Das Ergebnis einer ersten Modellrechnung ergab: Der Betrieb der Anlage könnte kostendeckend sein. Dabei unterstellten die Forschenden, dass das gesamte Biogas zu Methan aufbereitet und zu gegenwärtigen Preisen von 6 bis 8 Cent pro kWhHS in das Erdgasnetz eingespeist wird und zugleich über die Vermarktung der Gärrest-Festphase als Torfersatzstoff Einnahmen erzielt werden. Die Prüfung der festen Gärreste auf deren Eignung als Torfersatzstoff ergab, dass kompostierte Gärreste aus der Vergärung von Holzfasern und Hornmehl etwa 40% Torf ersetzen könnten.

Folgeprojekt gestartet

In dem von 2019 bis 2021 laufenden Projekt PaplGas zeichnete sich aber auch ab, dass eine zunehmende Holzfasermenge eine Herausforderung für die Rührwerke der Fermenter darstellt. In dem bis Ende 2023 laufenden Folgeprojekt PaplGas2 wollen die Forschenden nun insbesondere die Holzvergärung optimieren und bis zum halbtechnischen Maßstab weiterentwickeln. Das Vorhaben wird erneut vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert. In das Folgeprojekt PaplGas2 ist das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ neu eingestiegen.

bb

Until now, wood has not been considered well suited for use in biogas plants. The reason for this is the high proportion of fibrous compounds that are difficult to degrade. Researchers in the PaplGas project have now overcome this hurdle. Under the leadership of the German Biomass Research Center (DBFZ), they have developed an innovative process chain for using poplar wood for biogas plants. Vattenfall Energy Solutions GmbH (ESG) and the substrate manufacturer Klasmann-Deilmann GmbH (KD) are involved in the project.

High methane yield convinces

Poplars are among the fast-growing woods that are cultivated in short-rotation plantations. The project used wood chips from poplars, from which fibers were extracted with an extruder and fermented in a biogas plant. The experts then separated the fermentation residues into a solid and a liquid phase. Tests in the laboratory showed that the poplar fibers yielded considerable amounts of methane. To the surprise of the researchers, the gas yield of the fresh biomass was comparable to that from fresh corn silage.

Composted digestate suitable as peat substitute

The project also showed that, after composting, solid fermentation residues could well replace peat in growing media and potting soils. The project also determined the extent to which the novel plant for combined biogas and peat substitution production is economically viable. The result of an initial model calculation was that operating the plant could cover its costs. The researchers assumed that all the biogas would be upgraded to methane and fed into the natural gas grid at current prices of 6 to 8 cents per kWh, while at the same time generating revenue by marketing the digestate solid phase as a peat substitute. Testing of the solid digestate for its suitability as a peat substitute showed that composted digestate from the fermentation of wood fiber and horn meal could replace about 40% peat.

Follow-up project started

In the PaplGas project, which ran from 2019 to 2021, it also became apparent that an increasing amount of wood fiber posed a challenge for the agitators in the fermenters. In the follow-up project PaplGas2, which will run until the end of 2023, the researchers now want to optimize wood fermentation in particular and develop it to semi-technical scale. The project is again being funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL). The Helmholtz Center for Environmental Research - UFZ is a new participant in the follow-up project PaplGas2.

bb

Spinnenseide besteht aus einem einzigen Seidenprotein – ein Eiweißmolekül, das die Spinnen in speziellen Drüsen herstellen. Dem Martinsrieder Biotech-Unternehmen AMSilk ist es vor vielen Jahren gelungen, Bakterien so umzufunktionieren, dass sie das Spinnenseidenprotein produzieren. Die von AMSilk biotechnisch hergestellten Seidenproteine werden mittlerweile für viele Anwendungen genutzt, darunter auch in der Medizin. Die Wirksamkeit von Implantatbeschichtungen aus AMSilks Seidenproteinen hat ein Team um Thomas Scheibel von der Universität Bayreuth genauer untersucht. Die Studie hat das Team im Fachjournal "MRS Communications" veröffentlicht.

Stark gegen Biofilm und Mikroben

Getestet wurde die Mikrobenabweisung von AMSilks Spinnenseidenbeschichtungen auf einer Reihe von Silikonimplantatmaterialien gegen die Bakterienstämme B. diminuta, R. pickettii, S. aureus und P. acnes. Das Ergebnis: Die Seidenbeschichtungen konnten die Anhaftung solcher Bakterien im Vergleich zu unbeschichteten Silikonoberflächen um bis zu 99,7 % reduzieren. Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigten, dass auch die Bildung des Biofilms signifikant zurückgegangen ist.

Studie untermauert medizinischen Nutzen

„Wir sind sehr ermutigt von den Studienergebnissen, die den herausragenden Nutzen und die Sicherheit unserer Seidentechnologie untermauern“, so Tilmann Petersen, Head of Business Development Medtech & Corporate Planning bei AMSilk. Der Studie zufolge sind künstliche Seidenproteine aufgrund ihrer Biokompatibilität sowie biologischen Abbaubarkeit für medizinische Anwendungen bestens geeignet, da sie infektionsbedingte Entzündungen verhindern und Komplikationen bei Implantatanwendungen nach der Operation reduzieren können.

„AMSilk-Seidenproteine können als Beschichtung auf medizinische Geräte wie Implantate oder chirurgische Netze aufgetragen oder in Gel- oder Sprayform für die Wundversorgung und medizinische Hautpflege sowie für viele andere Anwendungen verwendet werden. Die Vorteile reichen von besserer Geräteleistung, vollständiger Biokompatibilität und reduzierter Biofilmbildung bis hin zu einer einfacheren Handhabung für Chirurgen und einem reduzierten Infektionsrisiko für den Patienten“, betont Petersen.

Potenzial für neue biokompatible Oberflächen

Vor allem auf dem Gebiet der künftigen Infektionsbekämpfung sieht Thomas Scheibel großes Potenzial für künstliche Seidenproteine. „Wir brauchen in naher Zukunft neue Wege in der Infektionsbekämpfung, die weit über den reinen Einsatz von Antibiotika hinausgehen müssen. Insofern sind Beschichtungen aus AMSilk-Seidenproteinen ein wichtiger Schritt hin zu einer neuen Generation bewuchshemmender und gleichzeitig biokompatibler Oberflächen“, so Scheibel.

bb

Pseudomonas-Bakterien sind weit verbreitet: Die Mikroorganismen siedeln auf der menschlichen Haut oder im Darm, im Boden, im Wasser, aber auch in oder auf Pflanzen und Tieren. Und sie können sowohl gesundheitsfördernd sein, als auch Krankheiten verursachen. Mit Blick auf die Gesundheit von Pflanzen sind Forschende des Max-Planck-Instituts für Biologie in Tübingen der Frage nachgegangen, wie sich die guten Pseudomonas-Stämme vor ihrer schädlichen Verwandtschaft schützen.

In Harmonie mit Krankheitserregern leben

„Das Ergebnis einer früheren Studie unserer Abteilung warf die Frage auf, wie Pflanzen Krankheitserreger beherbergen und dennoch gesund bleiben können", erklärt Studienleiter Or Shalev. „In der Landwirtschaft werden viele Methoden wie der Einsatz von Pestiziden oder der Beschnitt von Pflanzen genutzt, um Krankheitserreger loszuwerden, daher ist es überraschend zu beobachten, dass viele Wildpflanzen in Harmonie mit ihren Erregern leben können", so Shalev weiter.
 
Diese ungewöhnliche Harmonie der gegensätzlichen Pseudomonas-Stämme hat ein Team um Shaves und Detlef Weigel anhand der Modellpflanze Arabidopsis thaliana genauer untersucht. Im Fokus stand die Frage, welche Vorteile die Pflanze hat, wenn sowohl pathogene als auch sogenannte kommensale Pseudomonas-Stämme auf den Blättern koexistieren. Kommensalen sind Mikroben, die auf Organismen leben und entweder positive oder neutrale Auswirkungen auf den Wirt haben.

Die Rolle der Kommensalen

Die Forschenden infizierten dafür eine Gruppe von Pflanzen nur mit Kommensalen, eine andere nur mit schädlichen Erregern und eine dritte Gruppe mit einer Mischung aus gutartigen und krankheitserregenden Pseudomonas-Stämmen. Die Modellpflanze wurde dafür unter möglichst naturgetreuen Bedingungen in die Erde gebracht, die Übertragung der Bakterien durch Wind und Regen simuliert. Ein Schwerpunkt der Untersuchung war, welchen Effekt die Kommensalen auf ihre schädlichen Verwandten haben und wie sie dadurch ihre pflanzenschützende Wirkung entfalten. Mithilfe des sogenannten Genome-Barcoding war das Team in der Lage, genetisch eng verwandte Vertreter der Bakterien voneinander zu unterscheiden.

Das Ergebnis: die Besiedelung durch kommensale Pseudomonas-Stämme löste bei der Pflanze eine Immunantwort aus, die das Wachstum der schädlichen Bakterien unterdrückte. „Dies ist ein ungewöhnliches Ergebnis, da alle infizierten Bakterien aus derselben Gattung stammten und diese Immunreaktion nur speziell eine pathogene Linie adressierte. Darüber hinaus umfasste das Kommensalen-Konsortium eine Vielzahl von Kommensalenarten, von denen jedoch keine durch die Pflanze gehemmt wurde. Dies ist ein weiterer Beleg dafür, wie spezifisch die von der Pflanze vermittelte Immunantwort war", betont Shalev.

Schlüssel für Innovationen in der Landwirtschaft

Diese Abwehr der Erreger wurde nicht in allen Pflanzen festgestellt. Wie das Team im Fachjournal Nature Ecology & Evolution berichtet, hängt der Schutz vor pathogenen Pseudomonaden sehr stark von den genetischen Eigenschaften der Pflanze und auch von denen der auf ihr siedelnden Bakterien ab. „Ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Arbeit war die Feststellung und Beschreibung einer vorhandenen kollektiven Schutzwirkung. Wir haben nicht einzelne Individuen als Akteure ausgemacht, sondern eine Synergie des Kollektivs", erklärt Shalev. Noch sind weitere Forschungen nötig, um den Mechanismus des Zusammenlebens der guten und schädlichen Erregerstämme genau zu verstehen. Das Wissen darüber könnte jedoch der Schlüssel für Innovationen sein, um den Einsatz synthetischer Pestizide in der Landwirtschaft zu reduzieren.

bb

Pseudomonas bacteria are widespread: The microorganisms colonize human skin or intestines, soil, water, and also in or on plants and animals. And they can be both beneficial to health and cause disease. With a view to the health of plants, researchers at the Max Planck Institute for Biology in Tübingen have investigated the question of how the benign Pseudomonas strains protect themselves from their harmful relatives.

Living in harmony with pathogens

"The result of a previous study by our department raised the question of how plants can harbor pathogens and still remain healthy," explains study leader Or Shalev. "In agriculture, many methods such as using pesticides or pruning plants are used to get rid of pathogens, so it is surprising to observe that many wild plants can live in harmony with their pathogens," Shalev continues.
 

A team led by Shaves and Detlef Weigel investigated this unusual harmony of opposing Pseudomonas strains in more detail using the model plant Arabidopsis thaliana. The focus was on the question of what advantages the plant has when both pathogenic and so-called commensal Pseudomonas strains coexist on the leaves. Commensals are microbes that live on organisms and have either positive or neutral effects on the host.

The role of commensals

For this purpose, the researchers infected one group of plants only with commensals, another only with harmful pathogens and a third group with a mixture of benign and pathogenic Pseudomonas strains. The model plants were placed in the ground under conditions as close to natural as possible, and the transmission of the bacteria was simulated by wind and rain. One focus of the study was the effect of the commensals on their harmful relatives and how they thereby exert their plant-protective effect. With the aid of genome barcoding, the team was able to distinguish between genetically closely related representatives of the bacteria.

The result: colonization by commensal strains of Pseudomonas triggered an immune response in the plant that suppressed the growth of the harmful bacteria. "This is an unusual result because all infected bacteria were from the same genus and this immune response only specifically addressed one pathogenic lineage. In addition, the commensal consortium included a variety of commensal species, but none of them were inhibited by the plant. This is further evidence of how specific the plant's immune response was," Shalev points out.

Key for innovations in agriculture

This pathogen defense was not found in all plants. As the team reports in the journal Nature Ecology & Evolution, protection against pathogenic pseudomonads depends very much on the genetic characteristics of the plant and also on those of the bacteria that colonize it. "Another important aspect of our work was to identify and describe an existing collective protective effect. We did not identify individuals as actors, but a synergy of the collective," Shalev explains. More research is still needed to understand precisely the mechanism of coexistence between the good and harmful strains of pathogens. However, knowledge of this could be the key to innovations to reduce the use of synthetic pesticides in agriculture.

bb

Sollte die gegenwärtige Zunahme der Weltbevölkerung, der Industrialisierung, der Umweltverschmutzung, der Nahrungsmittelproduktion und der Ausbeutung von natürlichen Rohstoffen unverändert anhalten, so würden die absoluten Wachstumsgrenzen auf der Erde im Laufe der nächsten hundert Jahre erreicht.

Das war die zentrale Aussage des Berichtes „Grenzen des Wachstums“ aus dem Jahre 1972. Er basierte auf einem – damals sensationellen – Computermodell, in dem Wissenschaftler das Zusammenspiel verschiedener Faktoren betrachteten: Dies waren Bevölkerungswachstum, Industrialisierung, Umweltverschmutzung, Nahrungsmittelproduktion und Ausbeutung der Ressourcen. Damals wuchs die Bevölkerung stärker als je zuvor, sie verdoppelte sich innerhalb von 35 Jahren.

Vor einem halben Jahrhundert stellte das Ehepaar Meadows vom US-amerikanischen Jay Wright Forresters Institut für Systemdynamik die Systemanalyse verschiedener Szenarien auf einer Konferenz am 2. März in Washington vor. Ihr Bericht „Grenzen des Wachstums“ war von der deutschen Volkswagenstiftung mit einer Million Mark finanziert und vom Club of Rome beauftragt worden, einer internationalen Denkfabrik mit dem Ziel, die Zukunft der Menschheit zu sichern.

In der Erstausgabe des Berichtes schrieb der damalige Generalsekretär der Vereinten Nationen, Sithu U Thant, der Welt stehe „noch etwa ein Jahrzehnt zur Verfügung, um ihre alten Streitigkeiten zu vergessen und eine weltweite Zusammenarbeit zu beginnen, um […] den menschlichen Lebensraum zu verbessern, die Bevölkerungsexplosion niedrig zu halten und den notwendigen Impuls zur Entwicklung zu geben.“

Unterschätzte Innovationen

Die düsteren Aussagen der „Bombe im Taschenbuchformat“ wie damals die „Zeit“ titelte, wurden in diesem Ausmaß nicht Realität. Zwei Faktoren konnten den düsteren Zukunftshorizont aufhellen. Christian Berg, eines der Mitglieder des deutschen Club of Rome, Honorar-Professor für Nachhaltigkeit an der TU Clausthal, schreibt dies zum einen der sogenannten Elastizität des Marktes zu. Eine hohe Nachfrage durch viele Konsumenten lässt die Preise steigen.

Doch teuer kaufen will keiner, die Nachfrage sinkt und die Suche nach günstigeren Alternativen löst einen Innovationsschub aus. Allgemein habe der 50 Jahre alte Bericht „den technischen Fortschritt unterschätzt“. So sei Recycling die technische Antwort auf knappe Ressourcen oder Umweltbelastung. Abfälle wie etwa Grünschnitt, Holzspäne oder sogar CO₂ können heute als neue Rohstoffe dienen. Ebenso beinhaltet der technische Fortschritt etwa eine erhöhte Energieeffizienz, biotechnologische Verfahren oder eine verbesserte Pflanzenzucht, die Pflanzen hervorbringt, die besser an den Klimawandel angepasst sind.

Heute steht „qualitatives Wachstum“ im Fokus. Dieses verbessert die Lebensqualität der Menschen, schont die Umwelt und strebt eine gerechte Verteilung der Einkommen an. Zudem richtet sich in der Gegenwart der Blick auf den Klimawandel, den die Autoren der Grenzen des Wachstums vor 50 Jahren noch nicht auf dem Schirm hatten.

Qualitatives Wachstum gefragt

So warnt der heutige Präsident des Club of Rome Deutschland, der bekannte Klimaforscher Mojib Latif, eindringlich vor den Folgen des Klimawandels. Gleichzeitig setzt sich er sich für globale Gerechtigkeit ein. „Beides gehört untrennbar zusammen: Wer das Klima schützen will, muss auch dafür sorgen, dass Lasten und Chancen weltweit fairer verteilt werden“, betont Latif. Dabei spielt es eine zentrale Rolle, Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch zu entkoppeln.

Dieses Ziel verfolgt auch die Bundesregierung mit ihrer Nationalen Bioökonomiestrategie. In der im Januar 2020 verabschiedeten Strategie heißt es: „Die Menschheit ist an einem Punkt angekommen, an dem eine weitere Übernutzung von Ressourcen die Biosphäre erheblich zu schädigen droht. Um die Lebensgrundlagen für Menschen, Tiere und Pflanzen zu erhalten, muss der Ressourcenverbrauch auf ein ökologisch verträgliches Maß reduziert werden. Gleichzeitig gilt es, einer wachsenden Weltbevölkerung wirtschaftlichen Wohlstand und das Recht auf Entwicklung zu ermöglichen.“

Die Bundesregierung handelt damit auch im Sinne der aktuellen Empfehlungen des Club of Rome. Berg, Vizepräsident des Club of Rome Deutschland, betont, dass ein ganzheitlicher, langfristiger und globaler Ansatz notwendig sei. „Wir müssen die Probleme umfassend wie möglich analysieren und das Silodenken überwinden“. Diese umfassende Sichtweise ist das Ziel der Bioökonomie, die nicht nur für nachhaltige Innovationen und technischen Fortschritt biologisches Wissen mit technologischen Lösungen vereint. Sie verbindet insbesondere auch Ökonomie und Ökologie für ein nachhaltiges Wirtschaften.

Text: Ulrike Roll (Projektträger Jülich)