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Manche Autoren vermögen es, so spannend zu schreiben, dass ihre Geschichten in der Fantasie ihrer Leser lebendig werden. Tatsächlich sind die meisten Bücher sogar im Wortsinn lebendig, denn auf ihren Seiten befinden sich Mikroorganismen. Forscher der Universitätsbibliothek Leipzig, der TU Braunschweig und der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) wollen diese Mikroben nun als „genuinen Bestandteil des Kulturguts“ betrachten und untersuchen.

Aus der Zeit zwischen 1250 und 1500 n. Chr.

„Wir gehen davon aus, dass die geläufigen Wissensordnungen für das Buch und die Bibliothek um eine materielle Komponente ergänzt werden müssen“, erklärt der Leipziger Projektleiter Ulrich Johannes Schneider. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) wollen die Partner des Verbundprojekts mikrobiologische Analysen spätmittelalterlicher Bände aus der Zeit zwischen 1250 und 1500 n. Chr. vornehmen.

Bibliothekarische Sammlungen als Lebendsammlungen

Bislang haben Konservatoren Mikroorganismen als schädlich für Artefakte betrachtet und sich bemüht, Bakterien oder Pilze zu beseitigen. Das Verbundprojekt stellt diesen Ansatz in Frage und möchte stattdessen die mikrobiellen Forschungsergebnisse mit den historischen Studien über die Schriftwerke kombinieren. Auch bibliothekarische Sammlungen sollten demnach als „Lebendsammlungen“ begriffen werden.

Buchhistorische Aspekte neu bewerten

Die Forscher erhoffen sich, dass sie auf diese Weise neue Erkenntnisse über das Buch als Objekt im Zusammenhang zu den von ihm überlieferten Inhalten gewinnen können. Denkbar sei sogar, dass dieser Ansatz dazu führe, buchhistorische Aspekte der spätmittelalterlichen Geschichte neu zu bewerten, so die Vermutung der Projektpartner.

Some authors are able to craft stories that come to life in the imagination of their readers. In fact, most books are literally alive, because their pages contain microorganisms. Researchers from the Leipzig University Library, the TU Braunschweig and the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures (DSMZ) now want to look at and study these microbes as "genuine components of the culture material".

From medieval times

"We assume that the common knowledge systems for books and libraries will have to be supplemented by a material component," explains Ulrich Johannes Schneider, project manager from Leipzig. Funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the partners in the joint project want to carry out microbiological analyses of late medieval volumes from the period between 1250 and 1500 A.D..

Library collections as living collections

So far, conservators have considered microorganisms to be harmful to artifacts and have tried to eliminate bacteria or fungi. The joint project questions this approach and aims instead to combine microbial research results with historical studies of the written works. Library collections should therefore also be understood as "living collections".

The researchers hope that in this way they will be able to gain new insights into the book as an object in connection with the transmitted content. It is even conceivable that this approach might lead to a reassessment of book-historical aspects of late medieval history, suggest the project partners.

Obst oder Gemüse sollten lange haltbar sein. Entscheidend ist dafür die richtige Lagerung, andernfalls gehen wertvolle Inhaltsstoffe wie Eiweiße, Kohlehydrate oder Vitamine verloren. Schon normale Temperaturen können frische Kost in ungenießbare Ware verwandeln. Ein Grund für den schnellen Qualitätsverlust: Obst und Gemüse bestehen aus lebenden Zellen, die auch nach der Ernte weiter „atmen“. Diese sogenannte metabolische Aktivität stellt hohe Anforderungen an die Lagerung und den Transport frischer Kost.

Atmungsrate in Echtzeit messen

Forscher vom Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) in Potsdam haben nun ein neues Sensorsystem entwickelt, das im Lager sowie in einzelnen Verpackungen Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxidproduktion kontrollieren kann. Wie das Team um Pramod V. Mahajan im Fachblatt „Computers and Electronics in Agriculture” berichtet, erfasst die modulare Respirationsmesskugel präzise und schnell die sogenannte Atmungsrate in Echtzeit. Sie ist ein Indikator für die Geschwindigkeit der Abbauprozesse bei Obst und Gemüse.

Mit einem Durchmesser von 88 mm und einem Gewicht von knapp 200 g ist die Sensorkugel den Forschern zufolge in etwa so groß wie ein Apfel. Sie besteht aus zwei Sensoren, die den O₂-Verbrauch und die CO₂-Abgabe der Lebensmittel in frei wählbaren Intervallen messen und daraus die Atmungsrate errechnen können. Gleichzeitig werden Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit erfasst. Die Luftmessung wird durch zwei gegenüberliegende transparente Öffnungen ermöglicht. Die mit der Kugel gemessenen Daten können wiederum drahtlos übertragen, aber auch bis zu 100 Tage – je nach Messintervall – in dem System gespeichert werden.

Lagerbedingungen schnell und präzise steuern

Erste Tests bei der Lagerung von Erdbeeren waren erfolgreich: Selbst geringe Änderungen der Gaszusammensetzung in der Lageratmosphäre wurden mithilfe der Kugel schnell und zuverlässig gemessen. Das Potenzial des neuen Sensorsystems geht den Forschern zufolge jedoch weit über den Einsatz in Lager- und Transportbehältern hinaus. „Dank seines kompakten, mobilen und modularen Designs kann die Sensorkugel insbesondere auch bei der Entwicklung optimierter Verpackungen sehr hilfreich sein. Wir können damit die Sauerstoff- und Kohlendioxid-Permeabilität fertiger Verpackungssysteme ermitteln, beispielsweise von Trays mit Deckelfolie. Auch die Anzahl und Größe von Mikroperforationen in der Verpackung, die notwendig sind, um entsprechend der spezifischen Anforderungen der unterschiedlichen Obst- und Gemüsearten den Gasaustausch im Sinne einer längeren Haltbarkeit zu verbessern, lassen sich mit Hilfe des Sensorsystems einfacher bestimmen“, sagt Pramod V. Mahajan vom ATB.

Nach den erfolgreichen Tests suchen die ATB-Forscher nun nach Partnern in der Wirtschaft, um das Sensorsystem zur Marktreife zu führen.

Viele Pflanzen gehen gewöhnlich ein, wenn sie zu wenig Wasser bekommen. Friederike Kögler hat einen Weg gefunden, das zu verhindern. Sie fand heraus, dass sich Gewächse wie Sportler trainieren lassen. In ihren Versuchen brachte sie Maispflanzen mittels gezieltem Wasserstress dazu, mit wenig Wasser auszukommen und trotzdem zu wachsen. Im September vergangenen Jahres wurde die Doktorandin für diese Erkenntnis mit dem Ernst-Knapp-Zukunftspreis ausgezeichnet.

Many plants die when they don't get enough water. Friederike Kögler has found a way to prevent this. She found out that plants can be trained like athletes. In her experiments she used targeted water stress to make corn plants get by with little water and still grow. In September last year, the doctoral student was awarded the Ernst Knapp Future Prize for this finding.

Das sind die Ergebnisse der Untersuchungen eines Forschungsteams der Technischen Universität München (TUM) und der Senckenberg Naturforschungsgesellschaft.

Die Forscher wollten wissen, wie sich die die Intensität der landwirtschaftlichen Nutzung konkret auf die Tagfalter-Fauna auswirkt. Zu diesem Zweck wurde auf 21 Wiesenflächen östlich von München das Vorkommen von Tagfalterarten erfasst. 17 dieser Areale liegen inmitten von landwirtschaftlich genutzten Flächen, vier in naturnah bewirtschafteten Naturschutzgebieten.

Insgesamt 24 Tagfalterarten und 864 Individuen konnten die Insektenforscher auf allen Flächen zählen. Das Tagfalter-Vorkommen auf den landwirtschaftlich genutzten Feldern (2,7 Arten pro Besuch) fiel jedoch deutlich geringer aus als auf den geschützten Gebieten – hier waren es durchschnittlich 6,6 Arten pro Besuch.

Etwa 33.500 Insektenarten sind in Deutschland heimisch, ihre Menge nimmt jedoch stetig ab. Von den 189 aktuell in Deutschland vorkommenden Tagfalterarten stehen 99 Arten auf der Roten Liste, fünf Arten sind bereits ausgestorben, weitere 12 Arten vom Aussterben bedroht.

Die im Fachjournal „Insect Conservation and Diversity“ erschienene Studie unterstreicht die Notwendigkeit einer umweltverträglicheren Landwirtschaft.

Längst sind Hülsenfrüchte wie Soja, Bohnen oder Lupine nicht nur eine proteinreiche Nahrungsquelle. Ihre Fähigkeit, mithilfe von Bakterien über die Wurzeln Stickstoff aus der Luft zu binden, macht sie auch zu natürlichen Düngegehilfen und Bodenverbesserern. Trotz ihrer Talente sind Leguminosen mit gerade 2% auf Europas Feldern eher eine Seltenheit. Das könnte sich ändern. Forscher des Julius-Kühn-Instituts wollen gemeinsam mit Partnern in den kommenden Jahren die Vorteile der Lupine nutzen, um den Anbau von Energiepflanzen effizienter zu gestalten.

Kombianbau soll Stickstoffabgabe reduzieren

Im neu gestarteten Projekt „LuMi-opt“ wird daher der kombinierte Anbau zweier Lupinenarten mit Mais und Hafer erprobt. So soll die in Südamerika beheimatete Anden-Lupine (Lupinus mutabilis) bundesweit an vier Standorten gemeinsam mit Mais ausgesät werden. Ziel des Kombianbaus ist es, die hohe Stickstoffgabe beim Energiemais zu reduzieren und damit Dünger einzusparen. Aber nicht nur das: „Hinzu kommt die Förderung der Bodengare, also der Qualität des Bodens. Die Lupine durchwurzelt den Boden sehr tief und reichert den Humus an“, erklärt Projektkoordinator Steffen Roux vom Julius-Kühn-Institut im mecklenburgischen Groß-Lüsewitz.

Andernorts wird hingegen die Weiße Lupine (Lupinus albus L.) zusammen mit Hafer angebaut. Welches die beste Kombination ist, wird sich im Laufe des Projektes zeigen. Darüber hinaus wollen die Forscher wissen, ob die neuen Erntegemische auch zur Silierung taugen, und wie hoch die Gasausbeute von Methan bei der Vergärung ist.

Nahrungsquelle für Insekten

Neben den positiven Effekten für Energiepflanzen hoffen die Forscher, mit dem Lupinenanbau auch viele Insekten wie Hummeln und Wildbienen anzulocken. „Da ist richtig was los im Bestand“, sagt Roux und verweist auf bereits durchgeführte Anbauversuche mit der Anden-Lupine in Groß-Lüsewitz.

Das Verbundprojekt „LuMi-opt“ wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft über drei Jahre mit insgesamt 796.000 Euro gefördert.

Die ökologische Landwirtschaft verzichtet auf Mineraldünger und chemische Pflanzenschutzmittel und strebt ein Wirtschaften im Einklang mit der Natur an. Agrarforscher vergleichen den Ökolandbau mit konventionellen Anbaumethoden, um daraus für eine nachhaltige Landwirtschaft der Zukunft zu lernen. Dass die ökologische Landwirtschaft einen Beitrag zum Klimaschutz leisten kann, legt nun ein Langzeitexperiment von Agrarwissenschaftlern der Universität Gießen und des Schweizer Kompetenzzentrums für landwirtschaftliche Forschung Agroscope nahe. Ein Münchner Team hat wiederum ebenfalls mit Agroscope-Forschern untersucht, wie stabil die Erträge aus dem Ökolandbau über mehrere Jahre hinweg sind.

Ökolandbau minimiert Treibhausgasemission

Die Landwirtschaft trägt mit rund 11% zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. Eine große Bedeutung hat dabei das vom Boden abgegebene Lachgas. In einem weltweit einmaligen Langzeit-Feldversuch hat ein Team um den Gießener Agrarwissenschaftler Andreas Gattinger zusammen mit den Agroscope-Forschern die Emission von Lachgas von ökologisch und konventionell bewirtschafteten Flächen bestimmt. Im sogenannten DOK-Langzeitversuch in der Schweiz werden seit 1978 der biologisch-dynamische, organisch-biologische und konventionelle Anbau von Ackerkulturen wie Weizen, Kartoffeln, Mais, Soja oder Kleegras am selben Standort verglichen. Nach 34 Jahren Laufzeit wurden nun in der Kulturfolge Kleegras-Mais-Grünbrache die Lachgasemissionen in fünf Anbausystemen bestimmt.

Ökoböden geben weniger Lachgas ab

Das Ergebnis: Langfristig ökologisch bewirtschaftete Ackerböden emittierten weniger Treibhausgas als konventionell bearbeitete Böden. Die ökologisch bewirtschafteten Flächen wiesen pro Hektar rund 40% niedrigere Lachgasemissionen auf als die konventionell bewirtschaften Flächen. Auch auf den Ertrag bezogen zeigen die biologischen Anbaumethoden eine geringere Lachgasemission. Lediglich beim Anbau vom Mais zeigen sich keine Unterschiede in der Bewirtschaftung. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachjournal „Scientific Reports“ veröffentlicht und zeigen auf, mit welchem Düngeverfahren Treibhausgasemissionen der Landwirtschaft gemindert werden können.

„Unsere Analyse belegt, dass nicht allein der Düngerverzicht, sondern eine gezielte Bewirtschaftung mit vielfältiger Fruchtfolge und Wirtschaftsdünger zur Aufrechterhaltung wichtiger Bodenfunktionen zur Emissionsminderung im Pflanzenbau führt“, so Gattinger. „Der ökologische Landbau leistet einen Beitrag zur Minderung des Klimawandels“.

Relative Ertragsstabilität im Ökolandbau geringer

Der Ökolandbau schneidet beim Umwelt- und Ressourcenschutz deutlich besser ab als die konventionelle Landbewirtschaftung, doch spielt bei der Nahrungsmittelproduktion auch die Stabilität der Erträge eine zentrale Rolle. In einer Meta-Analyse untersuchten Forscher um Samuel Knapp vom Lehrstuhl für Pflanzenernährung der TU München im Fachjournal „Nature Communications“, wie sich ökologische und konventionelle Landwirtschaft in Bezug auf jährliche Ertragsschwankungen unterscheiden. Insgesamt haben die Forscher 165 direkte Vergleiche aus 39 publizierten Studien untersucht. Demnach bringt die ökologische Bewirtschaftung im Mittel 16% geringere Erträge als konventionelle Landwirtschaft. Allerdings waren die Schwankungen der Erträge bei beiden Verfahren über die Jahre sehr ähnlich. „Das hört sich zwar beruhigend an, hat jedoch einen Haken“, sagt Knapp: „Weil die absoluten Ertragsschwankungen ähnlich sind, wirken sich die Schwankungen bei den geringeren Erträgen der Biolandwirtschaft stärker aus. Die sogenannte relative Ertragsstabilität ist im Biolandbau somit geringer“.

Die Unterschiede der Stabilität zwischen den beiden Anbausystemen lassen sich unter anderem auf eine höhere Düngung mit Stickstoff und Phosphor im konventionellen Anbau zurückführen. Biologisch arbeitende Betriebe können durch den Einsatz von Gründüngung und zeitliche Optimierung der Düngung ihre Erträge stabilisieren.

Vor- und Nachteile der ökologischen Landwirtschaft erfassen

Erst vor kurzem hatten Forscher des Thünen-Instituts das Potenzial des Ökolandbaus auf breiter Ebene untersucht. Im Fokus standen die Bereiche Wasserschutz, Bodenfruchtbarkeit, biologische Vielfalt, Klimaschutz und -anpassung, Ressourceneffizienz und Tierwohl. Die aktuellen Vergleichsstudien zur Treibhausgasemission und Ertragsstabilität reihen sich in diese Analysen ein und helfen, ein umfassendes Bild der Stärken und Schwächen von ökologischer und konventioneller Landwirtschaft zu gewinnen.

Kratzer im Autolack sind oft ärgerlich. Denn selbst harmlose Schrammen mindern den Preis des Wagens schlagartig. Bei Luxuswagen ist der Wertverlust noch höher. Saarbrücker Forscher vom Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) haben gemeinsam mit der Universität des Saarlandes eine Lösung parat: Sie entwickelten einen neuartigen Reparaturlack, der kleine Makel im Nu behebt – und das selbstständig.

Struktur der Maismoleküle bedingt Selbstheilungeffekt

Das Besondere: Der Lack besteht aus Maisstärke. Der Selbstheilungseffekt ist auf die besondere Anordnung der Moleküle zurückzuführen. Bei Wärme dehnen sich die ringförmigen Moleküle im Material aus, sodass kleine Kratzer ausglichen werden und verschwinden. „Das entstehende Netzwerk ist beweglich und elastisch wie ein Strumpf“, versichert Carsten Becker-Willinger, Leiter des Programmbereichs Nanomere am INM.

Stabil und wetterbeständig

Für die netzartige Struktur der Lacke verwendeten die Wissenschaftler ringförmige Abkömmlinge der Maisstärke, sogenannte Cyclodextrine. Diese wurden wie Perlen auf langkettige Kunststoffmoleküle aufgefädelt. Sie sind streckenweise frei beweglich, werden aber durch sperrige Stoppermoleküle auf der Kette gehalten. Über eine chemische Reaktion sind diese Perlenketten den Forschern zufolge untereinander vernetzt. Für die mechanische Stabilität und Witterungsbeständigkeit des Maiskitts sorgen Inhaltsstoffe wie Heteropolysiloxane und anorganische Nanopartikel. „Im Rahmen zahlreicher Applikationsversuche für unterschiedliche Mischungsverhältnisse in Kombination mit künstlichen Bewitterungstests untersuchten wir vorlackierte Oberflächen, auf die wir den neuen Lack als Decklack auftrugen“, berichtet Becker-Willinger.

Kratzer weg in einer Minute

Mithilfe der Zusatzstoffe konnten die Forscher gleichzeitig die Reparaturzeit von mehreren Stunden auf nur wenige Minuten reduzieren. Mikrokratzer am Auto verschwinden bei Temperaturen von 100 Grad Celsius sogar schon in einer Minute. Bis der selbstheilende Autolack auf Maisbasis im Handel ist, wird es jedoch noch etwas dauern. Zurzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, die Produktion des Lackes aus dem Labormaßstab in den Technikumsmaßstab zu überführen.

Forscher stellen Lack auf Hannover Messe vor

Auf der kommenden Hannover Messe Anfang April werden die Saarbrücker Forscher die Lackinnovation vorstellen. Die Technologie wurde seit 2016 im Rahmen des Forschungsprojektes „Selbstheilende Fahrzeuglacke auf Basis von Cyclodextrin-Polyrotaxanen“ in der Fördermaßnahme VIP+ mit insgesamt 1,1 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Many car owners hate scratches in the paint of their cars. After all, even harmless scratches abruptly reduce the value of the car, especially when it is a luxury car. Together with Saarland University, researchers from the Leibniz Institute for New Materials (INM) in Saarbrücken have a solution: they have developed a new type of coating that removes small imperfections in no time at all - all by itself.

And not only that: The varnish consists of maize starch. The self-healing effect is due to the special arrangement of the molecules. When exposed to heat, the ring-shaped molecules in the material expand, so that small scratches are compensated and disappear. "The resulting network is flexible and elastic like a stocking," explains Carsten Becker-Willinger, Head of the Nanomers Program at INM.

Stable and weather-resistant

The scientists used ring-shaped derivatives of corn starch, so-called cyclodextrins, for the net-like structure of the coatings. These were threaded onto long-chain plastic molecules like pearls. The cyclodextrins on the polymer thread can move almost freely on certain sections on the linear polymer, but are prevented from unthreading by bulky stopper molecules. According to the researchers, these pearl chains are cross-linked via a chemical reaction. Ingredients such as heteropolysiloxanes and inorganic nanoparticles ensure the mechanical stability and weather resistance of the corn starch-based coating. "As part of numerous application tests for different mixing ratios in combination with artificial weathering tests, we investigated pre-painted surfaces on which we applied the new coating as a topcoat," reports Becker-Willinger.

Scratches gone in a minute

Using the additives, the researchers were able to simultaneously reduce the repair time from several hours to just a few minutes. At temperatures of 100 degrees Celsius, micro-scratches on the car will disappear in as little as a minute. However, it will be some time before the self-healing corn-based car paint is available on the market. The scientists are currently working on transferring the production of the paint from the laboratory to the pilot plant scale.

Researchers present paint at Hanover Fair

The Saarbrücken researchers will be presenting this innovative coating at the upcoming Hanover Fair at the beginning of April. Since 2016, the technology has been funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with a total of 1.1 million euros as part of the research project "Self-healing vehicle paints based on cyclodextrin polyrotaxanes" as part of the VIP+ funding measure.

bb/um

Holz dient den Menschen seit Zehntausenden von Jahren als Rohstoff. Im Zuge des Klimawandels hat seine Bedeutung noch einmal zugenommen: als Energiequelle und als Rohstoff für die chemische Industrie. Vor allem die Lignocellulose im Holz wird geschätzt. Entsprechend ist die Forstwirtschaft bemüht, effizienter zu arbeiten. Ein Werkzeug dafür sind die sogenannten Holzvollernter, baggerähnliche Fahrzeuge, mit denen Holzfäller schnell Bäume fällen, von Seitenästen befreien, den Stamm zuschneiden und ablegen können.

Potenzial von Mensch und Maschine besser nutzen

Hier sehen Forscher des Leibniz-Instituts für Arbeitsforschung an der TU Dortmund jedoch noch Potenzial. Einen Holzvollernter zu bedienen, ist sehr komplex, seine Kontrollen ähneln denen eines Flugzeugcockpits. Damit Holzfäller die teuren Maschinen optimal nutzen können, soll ihnen künftig eine Software Rückmeldungen geben, auf nachteilige Arbeitsweisen hinweisen und Verbesserungsvorschläge bringen. So soll das Potenzial der Maschinen nicht nur besser ausgeschöpft, sondern die Arbeiten können auch sorgfältiger durchgeführt werden, um unnütze Abfälle zu vermeiden.

Einsatz in Ausbildung und Forstpraxis

Zunächst wollen die Forscher dazu die Arbeitsabläufe in Holzvollerntern erfassen und bewerten. Dazu dokumentieren sie beispielsweise die Handhabung des Joysticks sowie die Kran- und Maschinenbewegung. Auf dieser Grundlage soll dann ein optimales Bedienkonzept entstehen. Es soll zum Training und zur Ausbildung in virtuellen Simulatoren dienen, aber auch in der Praxis in das Benutzerinterface integriert werden. So kann die Software Abweichungen erkennen, die Holzfäller darauf aufmerksam machen und Verbesserungen vorschlagen.

EU-Projekt für bessere mechanisierte Holzernte

Das Dortmunder Forschungsvorhaben ist Teil des EU-Kooperationsprojekts AVATAR, in dem Partner aus Wissenschaft und Industrie daran forschen, die Betriebseffizienz und die Arbeitszufriedenheit in der mechanisierten Holzernte zu erhöhen.

„Anammox, ein auf der ganzen Welt und für unser Klima sehr wichtiger mikrobieller Prozess, funktioniert anders, als wir vermutet haben.“ Mit diesen Worten bringt Boran Kartal vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen eine überraschende Entdeckung der Mikrobiologen auf den Punkt: Gemeinsam mit Kollegen haben die Bremer erstmals ein anaerobes Ammonium oxidierendes (Anammox) Bakterium entdeckt, das Stickstoffmonoxid (NO) direkt für sein Wachstum verwendet. Sollten derartige Bakterien weit verbreitet sein, könnte dies das Verständnis vom globalen Stickstoffkreislauf verändern und für Klimamodelle relevant sein.

Einfluss auf Klima und Ozonschicht

Stickstoffmonoxid ist für viele Organismen schädlich, es greift die Ozonschicht an, und es ist ein Vorläufer des Lachgases (N₂O), das ein starkes Treibhausgas ist. Gleichzeitig ist NO ein sehr reaktionsfreudiges und energiereiches Gas, das es seit der Frühzeit der Erde gibt. Deshalb haben sich Mikrobiologen gewundert, dass bislang keine Mikrobe entdeckt worden war, die dieses Molekül für ihr Wachstum verwendet. Lediglich Mikroorganismen, die NO in Lachgas umwandeln, sind bekannt.

Kuenenia stuttgartiensis bildet molekularen Stickstoff

Im Fachjournal „Nature Communications“ berichten die Max-Planck-Forscher nun gemeinsam mit Kollegen der niederländischen Universität Radboud vom Anammox-Bakterium Kuenenia stuttgartiensis, das tatsächlich Stickstoffmonoxid zum Leben braucht. Ist für den Mikroorganismus kein Nitrit verfügbar, koppelt er die Oxidation von Ammonium an die Reduktion von Stickstoffmonoxid und produziert so molekularen Stickstoff (N₂). Im Gegensatz zum Lachgas ist dieser für Gesundheit, Klima und Ozonschicht unbedenklich. Weil durch diese Reaktion weniger NO verfügbar ist, das zu Lachgas umgewandelt werden könnte, verringern diese Bakterien die Zahl der Moleküle, die das Klima erwärmen.

Suche nach Organismen mit gleicher Fähigkeit

„Unsere Studie hilft dabei, zu verstehen, wie Anammox-Bakterien die Freisetzung von N₂O und NO steuern können, und zwar sowohl in natürlichen wie auch in menschgemachten Ökosystemen, wie zum Beispiel Kläranlagen, in denen diese Mikroorganismen wesentlich zur Freisetzung von N₂ in die Atmosphäre beitragen“, erläutert Kartal die Relevanz der Entdeckung. Da Anammox-Bakterien überall auf der Erde zu finden seien, „könnten im Prinzip auch die auf Stickoxid wachsenden Anammox-Mikroben überall sein“. Danach wollen der Mikrobiologe und seine Gruppe nun suchen.

“Anammox, a globally important microbial process of the nitrogen cycle relevant for the earth’s climate, does not work the way we assumed it did.” With these words, Boran Kartal from the Max Planck Institute for Marine Microbiology in Bremen sums up a surprising discovery by the microbiologists: Together with colleagues, the Bremen researchers have for the first time discovered an anaerobic ammonium-oxidizing (short: "Anammox") bacterium that uses nitric oxide ("NO") to grow. If such bacteria were widespread, it could change our understanding of the global nitrogen cycle and be relevant for climate models.

Impact on climate and ozone layer

Nitric oxide is harmful to many organisms, it attacks the ozone layer, and it is a precursor of nitrous oxide (N2O), a significant greenhouse gas. At the same time, NO is a very reactive and energy-rich gas that has existed since the early days of the Earth. Microbiologists have therefore been surprised that no microbe has been discovered that uses this molecule for its growth. Only microorganisms that convert NO into nitrous oxide are known.

Kuenenia stuttgartiensis forms molecular nitrogen

In the specialist journal "Nature Communications", the Max Planck researchers and scientists from the Dutch University of Radboud now report on the anammox bacterium Kuenenia stuttgartiensis, which actually needs nitric oxide to live. If no nitrite is available for the microorganism, it couples the oxidation of ammonium to the reduction of nitrogen monoxide and thus produces molecular nitrogen (N2). In contrast to nitrous oxide, N2 is harmless to health, the climate and the ozone layer. Because this reaction results in less NO being available to be converted into nitrous oxide, these bacteria reduce the number of molecules that warm the climate.

Search for organisms with the same ability

"Our work is interesting in understanding how anammox bacteria can regulate N2O and NO emissions from natural and man-made ecosystems, such as wastewater treatment plants, where these microorganisms contribute significantly to N2-release to the atmosphere," Kartal explains the relevance of the discovery. Since anammox bacteria can be found all over the world, "in this sense, the anammox microbes growing on nitric oxide could also be basically everywhere". The search for them is next on the agendy of the microbiologist and his group.

bl/um

Die Hannover Messe ist der Blick in die Hightech-Zukunft der Industrie: von Industrieautomation bis Industrie 4.0, Schlüsseltechnologien wie Künstliche Intelligenz und Robotik. Diesmal findet die Hannover Messe vom 1. bis 5. April statt.

In Halle 2 haben traditionell die neuesten Trends aus den Innovationsschmieden der akademischen Forschung und der Industrie ihren Platz. Seit mehreren Jahren ist dort auch das „Schaufenster Bioökonomie“ präsent. Dieses Jahr stellt der Gemeinschaftsstand 21 aktuelle Forschungsprojekte vor, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert werden. Organisiert wird das Schaufenster Bioökonomie von der BIOPRO Baden-Württemberg GmbH (BioPro), dem Projektträger Jülich (PtJ) und der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR).

Gemeinschaftstand zeigt breites Anwendungsspektrum

Das Schaufenster Bioökonomie in Halle 2, Stand A45, bietet den Messebesuchern einen vielfältigen Einblick in aktuelle Forschungsergebnisse, mit denen die deutsche Wirtschaft fit für den Einsatz von biobasierten Rohstoffen und Technologien gemacht wird. Um die Vielfalt des Themenspektrums sichtbar zu machen, haben BioPro, FNR und PtJ die Bereiche Baustoffe, Biowerkstoffe, Innovationsnetzwerke, Mobilität und Verfahrenstechnik herausgegriffen, in denen aktuell besonders spannende Forschungs- und Entwicklungsansätze in der Bioökonomie erprobt werden. Zu jedem Bereich präsentieren sich mehrere Forschungseinrichtungen und Unternehmen mit Informationstafeln sowie Exponaten.

Innovative Ideen für die Bioökonomie

Die vom BMBF-geförderten Projekte im Schaufenster stammen zum Großteil aus dem Ideenwettbewerb „Neue Produkte für die Bioökonomie“. So präsentiert sich in Hannover unter anderen das Digitalisierungsprojekt „Honey Cloud“: es geht hier um smarte Sensoren und KI-basierte Informationstechnik, mit der Imker das Innenleben ihrer Bienenstöcke überwachen können. Der „Bambulator“ ist ein Rollator aus Bambusholz oder anderen Holzsorten, der für Senioren und Reha-Patienten gefertigt wird. Hinter dem Projekt „Greenhub“ steht ein kompaktes Aquaponik-System, mit dem man Fische und Pflanzen in einem Zweikreislaufsystem kultivieren kann. In einem weiteren Projekt geht es um die biotechnologische Herstellung des für die Kosmetikbranche interessanten Fructosepolymers Levan.

Auch bioökonomie.de ist vor Ort

Der „Cluster Bioeconomy“ stellt sich mit zwei Projekten vor. Darunter ist der Innovationsraum „Bioeconomy to Market – BioToM“, in dem es um ein Umfeld zur Entwicklung und Markteinführung neuer Produkte, Verfahren oder Dienstleistungen in der Bioökonomie geht. Forscher aus der Fördermaßnahme „BonaRes“ verdeutlichen anhand einer interaktiven Bodensäule, was unsere Böden als Ökosysteme alles leisten. Und auch das Team von bioökonomie.de ist wieder in Hannover mit dabei: Besuchen Sie uns und lassen Sie sich über das umfassende Informationsangebot zur Bioökonomie in Deutschland und der Welt informieren.

Die FNR stellt im Schaufenster Bioökonomie zehn derzeit vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderte Forschungsvorhaben vor. Hier kann man zum Beispiel besichtigen, wie nachwachsende Rohstoffe zu Autotüren oder Auto-Kindersitzen werden oder die Grundlage für neue innovative Produktionsverfahren wie den 3D-Druck bilden.

Mildere Reaktionsbedingungen, günstige Substrate und weniger unerwünschte Nebenprodukte: Es gibt viele Gründe, weshalb die chemische Industrie zunehmend traditionelle chemische Synthesewege durch biotechnologische Produktionsverfahren ersetzen will, bei denen Enzyme als Katalysatoren fungieren. Möglich wird das, weil eine Vielzahl der chemischen Verbindungen, die industriell benötigt werden, auch natürlicherweise in lebenden Zellen vorkommen. Doch welches Enzym ist für die jeweilige Anwendung das richtige?

Entwicklungsdauer von sieben auf ein Jahr verringern

Diese Frage war der Ausgangspunkt für das Forschungsprojekt MetaCat („A metagenomic collection of novel and highly efficient biocatalysts for industrial biotechnology“), an dem mehrere Partner aus Hochschule und Industrie beteiligt waren. „In der Literatur sind viele Enzyme beschrieben, die aber in der Praxis nicht verfügbar sind“, erläutert Wolfgang Streit, Biotechnologe an der Universität Hamburg und Koordinator des Projekts. Möchte ein Unternehmen eine bestimmte Verbindung enzymatisch herstellen, muss es erst ein Enzym identifizieren, das diese Fähigkeit besitzt. Außerdem sollte das Enzym ein gut verfügbares und möglichst günstiges Substrat verwenden und unter industriellen Rahmenbedingungen wie erhöhter Temperatur oder in der Gegenwart von Lösungsmittel stabil und produktiv sein.

Nicht zuletzt muss es gelingen, das Enzym selbst mit den etablierten Methoden in ausreichender Menge herzustellen. „Wenn Sie versuchen, 100 Enzyme zu exprimieren, kann das leicht bei 80 scheitern“, weiß Streit. Die Entwicklungszeit für ein Enzym betrage daher normalerweise fünf bis sieben Jahre. „Unser Ziel war es, diese Zeit auf weniger als ein Jahr zu reduzieren.“

Ein Katalog von Plattformenzymen

Um das zu erreichen, wollten die Wissenschaftler promiske Enzyme identifizieren, also solche, die mit einer Vielzahl von Substraten funktionieren. Es sollte ein Katalog von „Plattformenzymen“ für industriell wichtige Reaktionsschritte entstehen, die dann nur noch im Bedarfsfall für die jeweilige Anwendung angepasst werden müssten. „Natürlich erzielt ein solches Enzym nicht mit jedem Substrat die gleiche Produktionsrate“, schränkt Streit ein. Der entsprechende Stoffwechselweg müsse dann optimiert werden. „Aber da ist man mittels evolutiver Ansätze dann schneller am Ziel als mit einer ganz neuen Suche und das sogar stereospezifisch.“

Zunächst konzentrierten sich die Projektpartner vor allem auf zwei Arten von Enzymen, für die sich die Industriepartner Bayer AG, Novozymes A/S und Evoxx besonders interessierten: Lipasen und Esterasen. Durchsucht haben sie Metagenom-Sammlungen, also die genetischen Informationen aller Mikroorganismen ganzer Boden- oder Gewässerproben. So fanden unzählige Arten Berücksichtigung, die bislang nicht im Labor vermehrt und charakterisiert werden können. „Wir haben versucht, eine breite Biodiversität abzubilden“, erläutert Streit. Wichtig sei außerdem gewesen, ob die Enzyme bei mindestens 60 bis 80° C, also typischen Produktionsbedingungen in der Industrie, aktiv sind und ob sie lösungsmitteltolerant sind. Letzteres ist von Bedeutung, da viele Substrate nicht wasserlöslich sind und daher Lösungsmittel erfordern.

Es ist eine Entdeckung, die eine Menge Energie und Zeit sparen könnte und eine kleine Revolution der chemischen Industrie bedeutet: Forschern der Universitäten Würzburg und Frankfurt am Main ist es erstmals gelungen, Distickstoffmoleküle (N₂), die 78% der Atmosphäre bilden, unter relativ milden Reaktionsbedingungen direkt zu verketten. Damit vermeiden sie den Zwischenschritt des energieintensiven Haber-Bosch-Verfahrens, der bislang als unumgänglich galt.

Monostickstoffmoleküle bislang unvermeidlich

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein mehr als hundert Jahre altes Syntheseprinzip der Chemie: Bei 400 bis 500 Grad Celsius und einem Druck zwischen 150 und 350 Bar wird Distickstoff gespalten und Ammoniak (NH₃) erzeugt. Erst so wird Stickstoff für weitere chemische Nutzungen verfügbar, denn N₂-Moleküle sind sehr stabil und reaktionsträge. Aus Monostickstoffmolekülen wie Ammoniak können Chemiker dann Ketten von Stickstoffatomen synthetisieren, die beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie benötigt werden.

Auch Biotechnologie ohne direkten Syntheseweg

Zwar gibt es mit einigen Mikroorganismen durchaus Lebensformen, die mit ihren Enzymen Distickstoff direkt aus der Luft verwerten können. Biotechnologen haben sich dieses Prinzip abgeschaut und Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren entwickelt, die deutlich weniger Energie zur Ammoniakherstellung verbrauchen. Doch auch aus der Biologie ist kein Mechanismus bekannt, der zwei Distickstoffmoleküle direkt miteinander verkettet.

Jetzt: direkte Synthese bei milden Bedingungen

Im Fachjournal „Science“ berichten Chemiker der Universitäten Würzburg und Frankfurt am Main nun von einer vollkommen neuen chemischen Reaktion. Bei milden Bedingungen von minus 30 Grad Celsius und 4Bar Stickstoffdruck konnten sie kettenförmige Stickstoffmoleküle direkt aus Distickstoff synthetisieren. Der für diese Reaktion bisher erforderliche Metallkatalysator wurde ebenfalls nicht benötigt.

Neue Möglichkeiten für die Chemie

„Mithilfe aufwendiger Computersimulationen gelang es uns, die unerwartet komplizierten Bindungsverhältnisse in diesen wunderschönen Molekülen zu verstehen. Damit können wir zukünftig Prognosen zur Stabilität solcher Stickstoffketten aufstellen und unsere experimentellen Partner bei der Weiterentwicklung ihrer Entdeckung unterstützen“, sagt der Würzburger Chemieprofessor Holger Braunschweig. „Damit wird der Weg frei für eine Chemie, mit der völlig neue, kettenförmige Stickstoffmoleküle synthetisiert werden können“, erläutert er. Denn nicht zuletzt könnten auf diesem Weg auch bestimmte Isotope von Stickstoff problemlos verkettet werden.

Die Arbeit der Chemiker wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Postdoc-Stipendien des „Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada“ und der Alexander-von-Humboldt-Stiftung unterstützt. In einem nächsten Schritt möchten die Chemiker nun die Stickstoffketten in organische Verbindungen für Pharmazie und Medizin einbauen.

Schenken macht Freunde – das ist nicht nur ein Sprichwort, sondern auch bewiesen. Wissenschaftler fanden heraus, dass uneigennütziges Geben Glückshormone im Hirn aktiviert. Inwiefern die Absicht, anderen Gutes zu tun, auch beim Einkauf eine Rolle spielt, haben Forscher der Abteilung für Marketing für Lebensmittel und Agrarprodukte der Universität Göttingen untersucht.

Warm-Glow-Effekt untersucht

Auch wenn der Umsatz an Bio-Lebensmitteln seit Jahren steigt, liegen die Verkaufszahlen hinter den Erwartungen. Die Göttinger Forscher wollten daher wissen, inwiefern eigennützige Faktoren wie der sogenannte „Warm Glow of Giving“ – die Absicht Gutes zu tun – , auch die Kaufentscheidung der Verbraucher beeinflusst.

Rund 450 Testpersonen aus Deutschland und Großbritannien nahmen an der Studie teil. Ihnen wurde beim virtuellen Einkauf Schokolade angeboten, die mit Siegeln wie Bio, Fairtrade und CO₂-neutral gekennzeichnet waren und somit klar auf eine nachhaltige und faire Herstellung hinweisen. Die Produkte unterschieden sich aber nicht nur hinsichtlich der Siegel, sondern auch im Preis, dem Herkunftsland des Kakaos und dem Herstellungsland allgemein. Anschließend mussten die Verbraucher Fragen zu ihren Einkaufsabsichten, Wertvorstellungen und zum Gefühl beim Kauf beantworten.

Preis bestimmt Produktwahl

Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Journal of Cleaner Production“ berichten, ist der Preis in beiden Ländern noch immer das wichtigste Entscheidungskriterium. Siegel und Herkunftsland stehen an zweiter und dritter Stelle. Zwar ist der Reiz Gutes zu tun, offenbar groß, wie die Forscher feststellen. Doch die „Absicht“ wird nicht allzu oft umgesetzt. Der Warm-Glow-Effekt zeigte sich demnach lediglich bei der Fairtrade-Schokolade. Den Forschern zufolge könnte das an dem starken Gemeinwohlgedanken des Labels liegen.

Bekanntheitsgrad der Label entscheidend

Aber auch der Bekanntheitsgrad der Siegel war bei der Produktauswahl entscheidend. „Wenn die Verbraucher nicht wissen, wofür ein Siegel steht, kann sich das gute Gefühl beim Einkauf nicht einstellen und somit nicht zum Beweggrund für den Einkauf werden“, so Achim Spiller, Leiter der Abteilung für Marketing für Lebensmittel und Agrarprodukte.

Label-Flut kontraproduktiv

Die Studie ergab, dass mit CO₂-neutral gekennzeichnete Schokolade zwar für ein gutes Gefühl beim Verbraucher sorgte, ihn aber nicht zum Kauf veranlasste. Das Siegel war lediglich bei 20% der Teilnehmer bekannt, wohingegen 90% Fairtrade kannten. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass im Marketing für ethische Produkte der gesellschaftliche Nutzen durchaus offensiv kommuniziert werden sollte“, so das Fazit der Wissenschaftler. „Für das Marketing ist auch wichtig, dass Label nur dann am Markt wirksam werden können, wenn sie bekannt sind. Die heutige Flut vielfach unbekannter Label ist kontraproduktiv.“

Many people like giving to others - and not without reason. Scientists found that unselfish giving activates happiness hormones in the brain. Researchers from the Department of Marketing for Food and Agricultural Products at the University of Göttingen have investigated the extent to which the intention to do good for others also plays a role in purchasing.

Warm Glow effect investigated

Even though sales of organic food have been rising for years, sales figures have lagged behind expectations. The Göttingen researchers therefore wanted to know to what extent factors which affect consumers’ own benefit - such as the so-called "Warm Glow of Giving", the good feeling of doing something good - also influence their purchasing decisions.

Around 450 test subjects from Germany and Great Britain took part in the study. They were offered chocolate for virtual shopping that was labelled with seals such as Bio, Fairtrade and CO2-neutral and thus clearly indicated sustainable and fair production. However, the products differed not only in terms of the labels, but also in price, the country of origin of the cocoa and the country of production in general. Consumers then had to answer questions about their purchasing intentions, values and feelings.

Price determines product choice

As the researchers report in the Journal of Cleaner Production, the price is still the most important decision criterion in both countries. Seal and country of origin are in second and third place. Although the incentive to do good is great, as the researchers have found out, the "intention" is not implemented all that often. The warm glow effect was therefore only apparent with Fairtrade chocolate. According to the researchers, this could be due to the label's strong public interest.

However, the degree of familiarity of the labels was also a decisive factor in product selection. "If consumers don't know what a label stands for, they can't feel good about it when they shop and so it can't become a deciding factor in their shopping choices," says Achim Spiller, head of the working group “Marketing for Food and Agricultural Products”.

Label flood has opposite effect

The study showed that chocolate labelled as CO2-neutral provided a good feeling for the consumer, but did not cause him to buy it. Only 20% of the participants knew about the label, whereas 90% knew about Fairtrade. "Our results show that in the marketing of ethical products, the social benefit should be communicated through a direct approach," the scientists concluded. "It is also important for marketing that labels can only have an effect on the market if they are known. Today's flood of frequently unknown labels is counterproductive".

bb/um

Es soll eine Win-Win-Win-Situation für die Erzgebirgsregion werden: Das Projekt „rECOmine – Ressourcenorientierte Umwelttechnologien für das 21. Jahrhundert“ will Methoden entwickeln, die Rohstoffe liefern, der Umwelt helfen und die Region wirtschaftlich voranbringen. „Reststoffe aus dem Bergbau haben zwei Seiten: Sie gehen zu Lasten der Umwelt, enthalten aber noch fein verteilte, niedrig konzentrierte Rohstoffe“, erläutert Projektkoordinator Jens Gutzmer vom Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF). „Teilweise werden diese schon wiederaufbereitet. Aber nur in seltenen Fällen ist dies auch mit einer Sanierung verbunden. Hier setzen wir an.“

Mehr als 60 Partner

Mehr als 60 Partner, nicht nur aus Industrie und Forschung, sind dem Projektverbund bereits beigetreten. Gemeinsam wollen sie innerhalb der nächsten fünf Jahre Technologien entwickeln, in deren Mittelpunkt Bergbau- und Aufbereitungsrückhalden, Schlacken und Aschen aus der Hüttenindustrie sowie Gruben- und Haldenwässer stehen. Diese sollen nachhaltig saniert und darin verbliebene Reststoffe wirtschaftlich verwertet werden, beispielsweise in Form der Aufarbeitung unsanierter Bergbauhalden oder der Abtrennung von Wertmetallen aus Grubenwässern.

Pilotversuche an realen Standorten

„Dazu wollen wir die Expertise in der Umwelt- und Ressourcenbranche in der Region mit dem vorhandenen Know-how in den Bereichen Automatisierung und Digitalisierung zusammenbringen“, erklärt Gutzmer. Industriebetriebe und Eigentümer von geeigneten Reststoffen stellen ihre Standorte für Pilotversuche mit realen Halden, Schlacken und Wässern zur Verfügung. „Das bietet nicht nur unseren Wissenschaftlern einmalige Arbeitsmöglichkeiten in neuen, spannenden Forschungsfeldern, sondern fördert gleichzeitig die praxisnahe Ausbildung unserer Studierenden zu zukunftsrelevanten Themen“, freut sich Urs Peuker, Prorektor für Strukturentwicklung an der TU Bergakademie Freiberg.

Weltweites Anwendungspotenzial

Die Projektpartner erhoffen sich außerdem eine Stärkung der wirtschaftlichen Struktur des Erzgebirges und verweisen auf weltweit Zehntausende aktiver und historischer Bergbau- und Hüttenstandorte, die von den neuen Technologien profitieren könnten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt im Rahmen des Programms „WIR! – Wandel durch Innovationen in der Region“ mit bis zu 15 Mio. Euro.