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Mit sogenannten Genome-Editing-Werkzeugen wie der Genschere CRISPR-Cas lässt sich die Erbsubstanz DNA so präzise wie nie bearbeiten. Mit dem molekularen Werkzeug lassen sich gezielt einzelne Abschnitte oder sogar einzelne Bausteine der DNA - die Nukleotide - austauschen oder verändern. Denkbare Anwendungen für diese Werkzeuge gibt es sowohl in der Medizin als auch in der Landwirtschaft: Es könnten viel schneller als bisher hitzebeständige, schädlingsresistente oder ertragsreichere Nutzpflanzen gezüchtet werden. In den USA sind einige Genom-editierte Pflanzen bereits für den Anbau zugelassen. In Europa herrscht zu diesem Thema noch keine Klarheit: Derzeit berät der Europäische Gerichtshof (EuGH) über die rechtliche Einordnung dieser Genome-Editing-Methoden. Vor allem muss entschieden werden, ob Pflanzen, die mit diesen Züchtungsmethoden entstehen, unter das Gentechnikrecht fallen und somit auch als solche reguliert werden müssen. Eine Entscheidung des EuGH zur rechtlichen Einstufung neuer gentechnischer Verfahren wird am 25. Juli 2018 erwartet. Auf dieser Grundlage werden EU-Kommission und die Mitgliedstaaten darüber entscheiden, ob und wie sie so erzeugte Pflanzen und Produkte künftig regulieren.

Ist das Produkt oder der Produktionsweg entscheidend?

Durch gezieltes Einsetzten von Genome-Editing-Werkzeugen wie CRISPR-Cas werden dieselben genetischen Veränderungen hervorgerufen, wie durch traditionelle Züchtungsverfahren oder spontane Mutationen in der Natur – nur schneller und gezielter. Zudem hinterlassen die Genomchirurgie-Werkzeuge auch keine Spuren, nachdem sie an der DNA zu Gange waren. Die Kernfrage ist also: Entscheidet das Produkt oder der Produktionsweg darüber, ob eine Pflanze als gentechnisch veränderter Organismus (GVO), zählt oder nicht.

Interessenskonflikte vorprogrammiert

Im Vorfeld des EuGH-Entscheids treten nun auch die unterschiedlichen Ansichten der Interessengruppen zutage: Kürzlich haben sich die Umwelt- und Verbraucherbände und die Deutsche Industrievereinigung Biotechnologie (DIB) zu Wort gemeldet:

In einer Resolution fordern 21 Organisationen aus den Bereichen Landwirtschaft, Umwelt- und Verbraucherschutz von den Abgeordneten im Bundestag und im Europäischen Parlament, dass alle Verfahren, die unter Begriffen wie Genome Editing, zielgerichtete Mutagenese oder neuere Mutagenese-Verfahren laufen, als Gentechnik reguliert werden, und dass demnach auch alle Produkte, die auf diesem Wege entstehen, als GVOs bezeichnet werden. Sie argumentieren, dass selbst die neuesten und präzisesten Methoden immer die zugrunde liegende DNA verändern und ungewollte Nebenwirkungen auslösen können: „Selbst wenn ein gentechnischer Eingriff möglicherweise gezielter erfolgt, bedeutet das nicht, dass er sicherer ist. Die Auswirkungen der DNA-Veränderungen lassen sich – angesichts der Komplexität des Genoms und seiner Wechselwirkungen mit anderen Elementen der Zelle und mit der Umwelt – nicht voraussagen“, so die Organisationen. Zudem seien die Langzeitwirkung dieser neuen Methoden noch nicht abzusehen.

DIB fürchtet beeinträchtigte Wettbewerbsfähigkeit

Die DIB steht diesen Aussagen skeptisch gegenüber, wie ihr Geschäftsführer Ricardo Gent zusammenfasst: „Eine Bewertung von Genome Editing sollte auf naturwissenschaftlichen Einzelfallentscheidungen beruhen und nicht pauschal getroffen werden. Eine pauschale Einordnung als Gentechnik ist wissenschaftlich nicht gerechtfertigt und würde die Wettbewerbsfähigkeit europäischer Innovationsstandorte beeinträchtigen.“ Laut DIB bestehe zudem kein wissenschaftlicher Grund, dass sich Pflanzen nur aufgrund der verwendeten Methode anders verhalten als gleichartige, konventionell über mehrere Generationen gezüchtete Pflanzen. Basierend auf diesen Argumenten kamen die Expertenarbeitsgruppe der EU-Mitgliedstaaten sowie die Zentrale Kommission für Biologische Sicherheit zu dem Ergebnis, dass einige Methoden zu einem GVO, führen und andere nicht. Eine pauschale und naturwissenschaftlich unbegründete Ablehnung würde ihrer Meinung nach sowohl der medizinischen als auch der industriellen Biotechnologie schaden.

jmr

Using so-called genome-editing tools such as CRISPR-Cas, the genetic material DNA can be processed as precisely as never before. The molecular tool can be used to selectively exchange or change specific sections or even individual building blocks of the DNA - the nucleotides. There are possible applications for these tools both in medicine and in agriculture: it would be much easier and faster to breed heat-resistant, pest-resistant or higher-yielding crops. In the US, some genome-edited plants are already approved for cultivation. In Europe, however, no decision has been reached thus far: Currently, the European Court of Justice (ECJ) is debating the legal classification of these genome-editing methods. Above all, the court needs to decide decided whether plants that use these breeding methods are covered by the genetic engineering law and thus have to be regulated as such. A ruling on the legal classification of these new genetic engineering techniques is expected on July 25, 2018. Based on this decision, the EU Commission and the member states will have to decide whether and how they will regulate such plants and products in the future.

Product or production process - which is the deciding factor?

Targeted use of genome-editing tools such as CRISPR-Cas will produce the same genetic changes as traditional breeding techniques or spontaneous mutations in nature - albeit faster and more precise. In addition, the genome surgery tools leave no trace after their use. Thus, the key question remains: does the product or the production path decide whether a plant will be labeled as a genetically modified organism (GMO)?

Built-in conflicts of interest

In the run-up to the decision of the ECJ, the different views of the interest groups are becoming clear: Recently, the Environmental and Consumer Associations as well as the German Industry Association for Biotechnology voiced their opinions:

In a resolution, 21 agricultural, environmental and consumer protection organizations are calling on the politicians in the German Bundestag and in the European Parliament to regulate all procedures that use genome editing, site-directed mutagenesis or more advanced mutagenesis for genetic engineering, and that all products manufactured this way be called and regulated as GMOs. They argue that even the most advanced and accurate methods could always alter the underlying DNA and trigger unwanted side effects: "Even if a genetic modification may be more targeted, that does not mean that it is safer. The implications of DNA alteration can not be predicted given the complexity of the genome and its interactions with other elements of the cell and with the environment," say the organizations. Moreover, the long-term effects of these new methods are not yet foreseeable.

Blanket labelling will harm future innovations

The German Industry Association for Biotechnology, however, is skeptical of these statements, as their CEO Ricardo Gent summarizes: "A rating of Genome Editing should be based on scientific case by case decisions and not in general. Such a general classification of genetic engineering is scientifically unjustified and would affect the competitiveness of European innovation sites." According to the Association, there is no scientific reason why plants should behave differently than similar, conventionally and over several generations grown plants, simply because of the production method. Based on these arguments, the expert working group of the EU Member States and the Central Commission for Biosafety also came to the conclusion that some methods lead to a GMO, while others do not. In their opinion, a blanket and unsubstantiated rejection of these new techniques would harm both medical and industrial biotechnology.

jmr

Alternative Lebensformen gab es schon immer. Ob Klöster, Ökodörfer oder andere sozialökologische Gemeinschaften: Allen gemein ist das Leben in der Gemeinschaft und der Wunsch nach weitgehender Unabhängigkeit von gesellschaftlichen Zwängen. Die freigewählte Isoliertheit machte durchaus erfinderisch und brachte oft Lösungen hervor, die umweltfreundlich und nachhaltig sind. Inwiefern Nachhaltigkeitsinitiativen wie Ökodörfer oder landwirtschaftliche Produktionsgemeinschaften den Weg in eine neue Wirtschafts- und Lebensform ebnen können, das wollen Wissenschaftler der Universität Oldenburg in den kommenden drei Jahren erforschen.

Affekte und Emotionen der Gemeinschaften im Blick

Das Projekt „TransGem“ wird im Rahmen des Förderprogramms „Wissenschaft für nachhaltige Entwicklung“ des Landes Niedersachsen und der VolkswagenStiftung mit mehr als 1 Mio. Euro gefördert. Im Fokus steht sowohl das Zusammenleben dieser alternativen Gemeinschaften als auch deren Effekte auf die Gesellschaft. „In unserem Arbeitspaket an der Universität Osnabrück geht es um eine psychologische Perspektive auf die Bedingungen und die Effekte der Teilnahme in Nachhaltigkeitsgemeinschaften. Dabei spielen Affekte und Emotionen eine besondere Rolle“, erklärt Regina Kempen.

Drei in Niedersachsen beheimatete Gemeinschaften wollen die Forscher dafür ins Visier nehmen: die Lebens- und Arbeitsgemeinschaft gASTWERKe, den Verein Solidarische Landwirtschaft Oldendorf sowie eine Reihe von Initiativen, die in der Dorfgemeinschaft Oberndorf vernetzt sind. Naturnähe, Selbstversorgung, Energieautarkie, Müllvermeidung sowie ökologisches Bauen und ein respektvoller Umgang miteinander und der Umwelt prägen das Zusammenleben dieser Gemeinschaften. „Uns interessiert vor allem, inwiefern diese Gemeinschaften eine transformative Kraft entwickeln und welche gesellschaftlichen und politischen Konsequenzen damit verbunden sind“, sagt der Oldenburger Forscher Thorsten Raabe.

Spannungsfelder und Außenwirkung hinterfragen

Dabei interessiert die Forscher vor allem, welche Rolle gesellschaftliche Diskurse wie etwa zum Klimawandel für die Nachhaltigkeitsinitiativen spielen, und ob diese nur in ihrem inneren Kreis oder auch in der Gesellschaft Veränderungen anstoßen.   Auch das mögliche Spannungsfeld zwischen dem Einzelnen und der Gruppe steht im Visier. Hinterfragt werden die Anforderungen, die der Einzelne erfüllen muss, um Teil der Gruppe werden zu können aber auch was Mitglieder verbindet oder trennt. Über diese Fragen wollen die Forscher erfahren, wie und in welchem Umfang solche Gemeinschaften Kreativität und Gestaltungskraft auf der Suche nach einer nachhaltigen Zukunft entwickeln. „Möglicherweise führt die gemeinsame Praxis dazu, dass die Initiativen sich selbst als eine Handlungseinheit begreifen und auch von außen so wahrgenommen werden – als ein Kollektivsubjekt, das eine gemeinsame Intention und ein geteiltes Verantwortungsbewusstsein entwickelt“, sagt Raabe.

Milch und Milchprodukte wie Käse oder Joghurt gehören zu den Lieblingsnahrungsmitteln der Deutschen und verzeichnen schon seit Jahren ein stetig steigendes Umsatzwachstum. Besonders sogenannte funktionelle Milchprodukte wie verdauungsfördernde Joghurtdrinks oder cholesterinsenkende Brotaufstriche haben in den letzten Jahren den Markt erobert. Doch was steckt wirklich in diesen Produkten, was genau sind die gesundheitsfördernden Bestandteile der Milch und wie kann man diese gezielt nutzen? Und nicht zuletzt: wie und warum entscheidet sich der Verbraucher dafür, ein Produkt zu kaufen?

Kompetenznetz rund um die Milch

Diesen und vielen weiteren Fragen rund um das Thema Milch – von der Produktion bis hin zum Verbrauch – ist das Kompetenznetzwerk „Agrar- und Ernährungsforschung (AgroClustER): FoCus – Food Chain Plus“ unter der Leitung der Verbundprojektsprecherin Karin Schwarz an der Christian-Albrechts-Universität (CAU) zu Kiel nachgegangen. Das Mammutprojekt mit vier Verbundprojekten und insgesamt 25 Teilprojekten wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) von 2010 bis 2016 mit 8,7 Mio. Euro gefördert.

„Unser Ziel war es, die Wertschöpfungskette der Milch beziehungsweise der Milchprodukte an einem Standort komplett abzubilden und somit das Thema Milch in all seinen Aspekten zu beleuchten – angefangen beim Futter für die Kühe bis hin zu gesundheitlich relevanten Fraktionen in der Milch, deren tatsächliche Wirkung und schließlich bis hin zur Kaufentscheidung der Konsumenten“, erläutert Schwarz.

Der Standort Kiel ist geradezu prädestiniert für ein solch umfassendes Projekt. Nicht nur die CAU selbst konnte mit der Kompetenz ihrer Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen und Medizinischen Fakultät vor Ort aufwarten, auch zwei vor Ort angesiedelte Max-Rubner-Institute, zum einen für Qualität und Sicherheit bei Milch und Fisch und zum anderen für Mikrobiologie und Biotechnologie, waren involviert. Zusätzlich brachte auch das Leibniz-Institut für die Biologie von Nutztieren in Dummerstorf seine Expertise zum Thema Milchvieh ein. Als Industriepartner hat die Firma Müllermilch das Projekt unterstützt.

Einzigartige Kohorte mit 2.000 Probanden

Für ihre Studien stand eine bemerkenswert hohe Zahl an Probanden zur Verfügung: „Wir konnten eine Kohorte von etwa 2.000 Probanden aufbauen – eine solche hohe Probandenzahl als Basis für Interventionsstudien ist nahezu einzigartig“, so Schwarz. Die sogenannte Kieler Interventions-Kohorte (KIK) soll auch weiterhin befragt und untersucht werden, um etwaige Langzeiteffekte auf Gesundheit und Verbraucherverhalten bestimmen zu können. Für das langfristige Management und weitere Untersuchungen anhand der Kohorte wurde extra eine neue Professur für klinische Ernährungsmedizin mit Matthias Laudes an der CAU eingerichtet.

„In einem unserer Teilprojekt war es unser Ziel, die nützlichen Inhaltsstoffe der Milch, wie Proteine, Peptide oder Oligosaccharide, zu isolieren und neuen Funktionen zuzuführen“, so Schwarz. Ihr Team untersuchte unter anderem Milchproteine als mögliche Wirkstoffträger: „Knoblauch und Knoblauchpillen gelten als gesundheitsfördernd, vor allem der Inhaltsstoff Allicin. Doch der Nachteil solcher Kapseln ist der häufig penetrante Knoblauchgeschmack“, so Schwarz. Und tatsächlich: Den Forschern ist es gelungen eine neue, geschmacksneutrale Formulierung für Getränke herzustellen, bei der ein Milchprotein – ein Beta-Lactoglobulin – als Transporter für den Knoblauchwirkstoff Allicin fungiert. „Dieses Teilprojekt resultierte am Ende sogar in einer Patentanmeldung“, berichtet Schwarz.

Komplexe Projektplanung

Ein solch komplexer Rundum-Blick auf das Thema Milch, der sowohl die optimale Futterzusammensetzung für die Milchproduktion als auch gesundheitliche Auswirkungen bestimmter Inhaltsstoffe der Milch auf den Konsumenten abzudecken versucht, war eine enorme Koordinationsaufgabe, berichtet Schwarz. Die zahlreichen FoCus-Teilprojekte mussten immer wieder aufeinander abgestimmt werden, damit die Vernetzung zwischen den einzelnen Forschergruppen und 25 Teilprojekten gelang.

Milk and dairy products such as cheese or yoghurt are some of the food-favorites in Germany and their sales have been steadily increasing for years. Especially so-called functional dairy products such as digestive yoghurt drinks or cholesterol-lowering spreads have conquered the market in recent years. But what do these products really contain, what exactly are the health-promoting components of milk and how can they be used specifically? And last but not least: how and why does the consumer decide to buy a product?

Competence network investigating milk

These and many more questions on the subject of milk - from production to consumption - asked the competence network "Agricultural and Nutrition Research (AgroCluster): FoCus - Food Chain Plus" under the leadership of the joint project spokeswoman Karin Schwarz at the Christian Albrechts University (CAU) Kiel. The enormous task with four joint projects and a total of 25 sub-projects was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) from 2010 to 2016 with €8.7 million. "Our goal was to fully illustrate the value chain of milk or dairy products at one location and thus to illuminate the topic of milk in all its aspects - from feed for the cows to health-relevant fractions in the milk, their actual effect and finally, to the purchasing decision of the consumers," explains Schwarz.

The Kiel location is tailor-made for such a comprehensive project. Not only due to the CAU itself and their expertise of agricultural and nutritional science and medical faculty on site, but also two on-site Max Rubner institutes, one for quality and safety in milk and fish and the other for microbiology and biotechnology, were involved. Moreover, the Leibniz Institute for the Biology of farm animals in Dummerstorf also added its expertise on dairy cattle. The company Müllermilch supported the project as an industry partner.

Unique cohort with 2,000 subjects

For the study, a remarkably high number of subjects was available: "We were able to build a cohort of about 2,000 subjects - such a high number of subjects as a basis for intervention studies is pretty unique," said Schwarz. The so-called Kiel Intervention Cohort (KIK) will continue to be interviewed and examined in order to be able to determine possible long-term effects on health and consumer behavior. For the long-term management and further investigations on the basis of the cohort, a new professorship for clinical nutritional medicine with Matthias Laudes at the CAU was established.

"In one of our subprojects, our goal was to isolate and reuse the beneficial ingredients of milk, such as proteins, peptides or oligosaccharides," said Schwarz. Among other things, her team investigated milk proteins as potential drug carriers: "Garlic and garlic pills are considered to be beneficial to health, especially the ingredient allicin. But the disadvantage of such capsules is the often penetrating garlic taste," said Schwarz. And indeed, the researchers have succeeded in producing a new, taste-neutral formulation in which a milk protein - a beta-lactoglobulin - acts as a transporter for the garlic active ingredient allicin. "This subproject even resulted in a patent application," Schwarz reports proudly.

Complex project planning

Such a complex view of the subject of milk, which attempts to cover the optimal feed composition for milk production as well as the health effects of certain ingredients of milk on the consumer, was not an easy task to coordinate, says Schwarz. The numerous FoCus subprojects had to be synchronised time and again so that the networking between the individual research groups and 25 subprojects could be achieved.

Haut und Verdauungstrakt des Menschen sind besiedelt von Millionen Mikroben. Die meisten davon sind sogar notwendig für einen gesunden Organismus. Ähnlich ist es auch bei Tieren, Pflanzen, Pilzen und selbst den Mikroorganismen: Sie alle leben in sogenannten Artengemeinschaften. Beispielsweise helfen bestimmte Pilze, Pflanzen mehr Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen.

Artenkommunikation entschlüsseln

Wie aber funktioniert die Kommunikation zwischen diesen verschiedenen Organismen? Das untersucht der Sonderforschungsbereich (SFB) „Chemische Mediatoren in komplexen Biosystemen“ – kurz ChemBioSys – der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Am 1. Juli begann nun die zweite Förderperiode des Forschungsverbundes, womit die seit 2014 bestehende Kooperation bis 2022 fortgesetzt werden kann. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt das Vorhaben in den kommenden vier Jahren mit rund 9,5 Mio. Euro.

Komplexe Beziehungsnetzwerke untersuchen

„Die bisherige Forschung hat vor allem den Austausch zwischen einzelnen Organismen bzw. zwischen zwei Arten von Organismen analysiert“, erläutert SFB-Sprecher Christian Hertweck. „In unserem SFB untersuchen wir jedoch die komplexen Beziehungsnetzwerke in ihrer Gesamtheit und schauen uns an, wie Gemeinschaftsstrukturen entstehen und ihre Vielfalt erhalten bleibt“. Mit seinem Forschungsansatz ist der SFB ChemBioSys zudem auch eine zentrale Säule des Forschungsclusters „Balance of the Microverse" der Universität Jena.

Natürliche Botenstoffe im Visier

Insgesamt werden in 21 Einzelprojekten die komplexen Kommunikationswege und Wechselbeziehungen verschiedener Organismen und ihrer Umwelt untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hierbei auf natürlichen Botenstoffen. An dem SFB ChemBioSys sind Arbeitsgruppen der Universität Jena, des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (HKI), des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Potsdam beteiligt.

Biosysteme mit Botenstoffen kontrollieren

Zwar ist die aktuelle Forschung des SFB noch stark Grundlagen-lastig, doch haben die darin vernetzten Forschergruppen auch praktische Anwendungen im Blick, wie Hertweck unterstreicht: „Wenn es uns eines Tages gelingt, über die chemischen Mediatoren zielgerichtet Biosysteme kontrollieren zu können, hätte dies Auswirkungen auf Ökologie, Landwirtschaft, Biotechnologie und Medizin.“

jmr

Die Nachfrage nach Palmöl steigt seit Jahren. Nicht nur die Lebensmittelindustrie setzt darauf, auch im Biodiesel steckt das Pflanzenöl. Rund 60 Millionen Tonnen Palmöl und Palmkernöl werden jährlich produziert. Umweltschützer warnen seit Jahren, dass die wachsende Nachfrage zunehmend Mensch und Umwelt belastet. In Ländern wie Malaysia und Indonesien, die mit 75% den Großteil des globalen Palmöl-Bedarfs abdecken, sorgt die Rodung des Regenwaldes zur Erschließung neuer Anbauflächen zum Aussterben vieler Tierarten.

Noch gibt es keine überzeugende Alternative zum Palmöl, wie eine Studie der Umweltorganisation WWF zeigt. Die negativen Auswirkungen für die Umwelt können aber durchaus gedrosselt werden, wie Forscher der Georg-August-Universität Göttingen nun darlegen. Im Rahmen einer Studie hatte das Team die Umweltauswirkungen des Ölpalmenanbaus in Indonesien genauer untersucht und dabei neben einer Kosten-Nutzen-Analyse auch umweltfreundliche Lösungsansätze formuliert. Die Ergebnisse der Untersuchung stellen die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Communications“ vor.

Starke Kohlenstoffemissionen durch Landrodung

Basis der Untersuchung bildeten Daten über Boden und Vegetation in Zentral-Sumatra. Die Auswirkungen der dortigen Ölpalmmonokultur wurden mit denen des intensiven und großflächigen Kautschukanbaus im Land verglichen. Das Ergebnis: Durch die Umwandlung von Regenwaldflächen in Ölpalmplantagen kommt es zu enormen Kohlenstoffemissionen. 174 Tonnen Kohlenstoff werden allein bei der Rodung von einem Hektar Land freigesetzt. Davon gelangt der größte Teil als Kohlendioxid in die Umwelt. Daneben wir durch die Umwandlung auch dem Boden der darin gespeicherte Kohlenstoff entzogen und geht somit den Pflanzen verloren.

Der Vergleich mit dem Kautschukanbau zeigt: Während beim intensiven Anbau 159 Tonnen Kohlenstoff freigesetzt werden, ist der Verlust beim extensiven Kautschuckanbau mit 116 Tonnen deutlich geringer. Der Studie zufolge ist der Unterschied der Kohlenstoffemission insbesondere auf die kürzeren Rotationszeiten von Ölpalmplantagen zurückzuführen. Hinsichtlich der jährlich produzierten Biomasse ist der Anbau der vielseitigen Ölpflanze im Vergleich zum Kautschuk jedoch effektiver, wie die Forscher feststellen.

Nachhaltige Lösungsansätze für Palmölanbau

In ihrer Studie präsentieren die Göttinger Wissenschaftler auch Maßnahmen, um die Folgen für die Umwelt kurzfristig zu reduzieren. So empfehlen sie, Wälder nur dann in Ölpalmplantagen umzuwandeln, wenn das geschlagene Holz nicht verbrannt, sondern weiter genutzt werden kann wie etwa zum Bauen. Zudem sollte eine dicke Schicht aus Pflanzenabfällen auf dem Boden belassen werden, um als natürlicher Dünger zu fungieren und den Oberflächenabfluss zu reduzieren. „Rückstände von Palmwedeln können als Mulchmaterial und organischer Dünger verwendet werden, um den internen Nährstoffkreislauf zu erhöhen und sowohl Oberflächenabfluss als auch Bodenerosion zu verhindern. Außerdem zeigen die jüngsten Ergebnisse unseres Projekts, dass das Pflanzen zusätzlicher Baumarten auf Ölpalmplantagen dazu beiträgt, die negativen Umweltauswirkungen von Ölpalmmonokulturen zu mildern, ohne die Ölpalmerträge oder das Einkommen der Plantagenbauern zu reduzieren”, sagt Stefan Scheu, Projektsprecher und Co-Autor der Studie. Neben Palmwedeln könnten auch Abfälle aus Palmölmühlen auf den Plantagen als zusätzlicher organischer Dünger dienen.

Inseln sind Ökosysteme auf kleinstem Raum, wo Veränderungen in Tier- und Pflanzenwelt sehr früh sichtbar werden. Fragen zur Dynamik eines Ökosystems lassen sich hier bestens erforschen. Die Theorie der sogenannten Inselbiogeographie ist in der Wissenschaft seit Jahrzehnten etabliert. Damit ist es möglich zu analysieren, welche Bedeutung das dynamische Gleichgewicht zwischen Einwandern und Aussterben von Arten für die Gesamtheit der Arten einer Insel hat. Das bewährte Konzept hat jedoch einen Nachteil: „Allerdings ermöglicht die Theorie nicht vorherzusagen, welche Arten solche Inselhabitate besiedeln und wie sie interagieren“, sagt Helmut Hillebrand vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres der Universität Oldenburg.

Veränderungen von Ökosystemen vorhersagen

Damit fehlt es der Inselbiogeographie an einem wesentlichen Detail, um Prognosen zu erstellen, die abbilden, wie sich Umweltänderungen auf solche Inselhabitate auswirken. An diesem Punkt setzt die Arbeit des neue Forschungsverbundes „DynaCom -Spatial community ecology in highly dynamic landscapes: from island biogeography to metaecosystems“ an. Im Rahmen des Verbundprojektes will das Team vorhandene mathematische Modelle und Datensätze zu Inselökosystemen auf ihre Aussagekraft überprüfen, um künftig bessere Prognosen zu möglichen Veränderungen liefern zu können.

Rolle von Organismen für Nahrungsnetze und Biodiversität

Unter der Leitung des Oldenburger Biodiversitätsexperten, Helmut Hillebrand, wird ein Konsortium ergründen, welche Eigenschaften von Organismen bestimmen, dass sich diese in einem Ökosystem etablieren können und welche Rolle sie in einem Nahrungsnetz spielen. „Wir wollen umfassend verstehen, welche Rolle jeweils die Ausbreitung von Organismen und die Wechselbeziehungen dabei spielen, wenn sich Nahrungsnetzstrukturen und Biodiversität in dynamischen Landschaften etablieren“, sagt Hillebrand.

Dabei richten die Wissenschaftler ihren Blick nicht auf einzelne Arten, sondern typische Eigenschaften oder Funktionen verschiedener Arten, beispielsweise wie sie sich ausbreiten - fliegend, schwimmend oder passiv - oder wie die Nahrungsaufnahme erfolgt. Den Forschern zufolge lassen sich dadurch Ergebnisse leichter verallgemeinern und auf andere Nahrungsnetze und Ökosysteme übertragen.

Forscher nehmen niedersächsisches Wattenmeer ins Visier

Untersuchungsort ist das Wattenmeer, wo die Oldenburger Forscher seit 2014 die Veränderung der Tier- und Pflanzenwelt beobachten. „Da im Wattenmeer terrestrische und marine Lebewesen aufeinander treffen, können wir so die räumliche und zeitliche Dynamik beider Teile des Nahrungsnetzes analysieren und unsere theoretischen Vorstellungen überprüfen“, erklärt Hillemann. Den DynaCom-Forschern stehen insgesamt zwölf künstliche Inseln im niedersächsischen Wattenmeer bei Spiekeroog zur Verfügung, um zu analysieren, wie schnell Organismen sich auf den künstlichen Inseln ansiedeln oder wie Sturmfluten die Lebensgemeinschaften beeinflussen.

DFG fördert Forschung zu Dynamik von Inselökosystemen

Das DynaCom-Vorhaben wird in den kommenden drei Jahren mit 3 Mio. Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. An dem Projekt sind neben der Universität Oldenburg, Forscher des Senckenberg Instituts in Wilhelmshaven, der Universitäten Frankfurt, Göttingen und Münster sowie des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig und der Nationalparkverwaltung Niedersächsisches Wattenmeer in Wilhelmshaven beteiligt.

In vielen Großstädten leidet die Luftqualität unter den Abgasen von Autos, Bussen und Lastwagen. Diese stoßen nicht nur das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) aus, sondern auch diverse Stickoxidverbindungen (NOx) sowie Feinstaub. Wissenschaftler der Universität zu Köln und dem Forschungszentrum Jülich konnten nun erstmals zeigen, dass begrünte Fassaden in Städten die Luftqualität, Sauerstoffproduktion, Artenvielfalt und sogar die Fassadentemperaturen deutlich verbessern.

Im Sommer kühlend, im Winter wärmeisolierend

Unter der Leitung von Hans Georg Edelmann vom Institut für Biologiedidaktik der Kölner Universität, haben Forscher Tagestemperatur-Verläufe von Efeu-begrünten Fassaden mit klassischen, verputzten Hausfassaden verglichen und die fassadennahe Luftfeuchtigkeit über mehrere Wochen verfolgt. Das Ergebnis: Sowohl Efeu als auch andere Kletterpflanzen wie Wilder Wein wirken im Sommer kühlend und im Winter wärmeisolierend. Während die Temperaturen an unbegrünten Hauswänden am Tag um bis zu 35°C schwankten, lagen die Unterschiede an den bewachsenen Wänden bei maximal 13°C. „Begrünte Fassaden stellen eine sehr sinnvolle Maßnahme zur Anpassung an den Klimawandel dar – nicht nur im Hinblick auf die Stadttemperatur, sondern auch hinsichtlich der Feinstaubproblematik“, so Edelmann.

Efeu absorbiert und filtert Luftverschmutzung

Zusätzlich zu den Temperaturunterschieden untersuchten die Kölner und Jülicher Forscher die Absorption von Stickoxiden und Feinstaub an Blättern. Das Ergebnis: Der Efeu absorbierte tasächlich die gesundheitsschädlichen Stickoxide und einen Teil des Kohlendioxids und filtrierte den Feinstaub. Somit ermöglichen begrünte Fassaden nicht nur stabilere und angenehmere Temperaturen in den Städten, sondern verbessern auch deutlich die Luftqualität. „Fassadenbepflanzung verbessert sowohl das Stadt- als auch das Raumklima, mindert Überhitzung und Smog, sie produziert Sauerstoff und trägt zur Erhaltung und Erhöhung der Artenvielfalt in der Stadt als Lebensraum für Fauna und Flora bei“, fasst Edelmann zusammen.

Efeu und Wilder Wein am besten geeignet

Allerdings sind begrünte und mit Kletterpflanzen bewachsene Fassaden in Deutschland bisher noch eher selten. Laut Edelmann werden sie noch von zu vielen Menschen als Indikator für Vernachlässigung und beschädigte Fassaden angesehen. Um dem zunehmenden Aufheizen der Städte sowie der schlechten Luft durch Abgase entgegenzuwirken, seien begrünte Hauswände jedoch eine verhältnismäßig einfache und zugleich sehr effektive Maßnahme. Am besten eigneten sich hierfür Fassadenkletterpflanzen wie der Efeu oder der Wilde Wein: Beide sind sehr anpassungsfähig und trockenheitsverträglich und gedeihen auch an verhältnismäßig anspruchslosen Standorten.

jmr

Outdoor-Kleidung, die vor Wind und Regen schützt oder Fassadenfarbe, die Schmutz abweist: Funktionalisierte Materialen wie diese, sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken und sind Beispiele für eine erfolgreiche Forschung. Doch die Anforderungen an Materialen steigen ebenso wie die an deren nachhaltige Herstellung. Effiziente Werkzeuge liefert hierfür die Bioindustrie. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam und der BTU Cottbus-Senftenberg wollen mit Biobausteinen wie Peptiden, Enzymen und Zuckermolekülen den Kunststoffen neue Eigenschaften einverleiben und so deren Einsatzspektrum erweitern.

Kunststoffe mit Biobausteinen koppeln

Das Projekt namens „BioPol - Biofunktionalisierung/Biologisierung von Polymermaterialien“ ist im Juli gestartet und wird vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg in den kommenden fünf Jahren mit 2,5 Mio. Euro unterstützt. „Der Einbau von Zuckermolekülen in Werkstoffe kann beispielsweise bewirken, dass Bakterien nicht mehr an der Oberfläche anhaften können. Simples Abwischen mit Wasser würde das Material wieder keimfrei machen“, sagt Projektleiter Johannes Ganster vom Potsdamer Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP.

Neue Eigenschaften für verschiedene Anwendungen

Ziel des BioPol-Team ist es, Polymermaterialien mit neuen Eigenschaften für verschiedenste Anwendungen zu entwickeln. Neben den fachlichen Kompetenzen bietet das Verarbeitungstechnikum für Biopolymere auf dem BASF-Gelände in Schwarzheide, das vom Fraunhofer IAP seit 2013 in direkter Nachbarschaft zum Campus Senftenberg betrieben wird, beste Voraussetzungen für die Realisierung.

Bessere Haltbarkeit durch biologisierte Oberflächen

Die Arbeit der Forscher zielt aber nicht nur auf die Entwicklung neuer biologisierter Oberflächen ab, sondern zudem auf eine längere Haltbarkeit der Materialen. „Neben antimikrobiellen Proteinen wollen wir auch Biomoleküle, die die Haftung erhöhen oder wasser- beziehungsweise ölabweisend sind, mit Polymermaterialien vereinen. Auch mit enzymatisch aktiven Oberflächen oder Enzymen, die die Bioabbaubarkeit von Materialien ermöglichen oder verbessern, entstehen für die Industrie hochinteressante Produkte“, erläutert Projektmitarbeiter Ruben Rosencrantz.

Ob Heuschnupfen, Erdbeer- oder Katzenhaarallergie: Immer mehr Menschen leiden unter Allergien. Nach einer Studie des Robert-Koch-Instituts sind in Deutschland etwa 30% der Erwachsenen und 20% der Kinder und Jugendlichen davon betroffen. Häufig leiden die Betroffenen sogar unter mehreren Allergien. Während chronischer Schnupfen mit Medikamenten recht gut behandelt werden kann, können sich Menschen, die auf Lebensmittel empfindlich reagieren, nur durch Verzicht schützen. Davon betroffen sind etwa drei bis vier Prozent der Erwachsenen und fünf Prozent der Kinder.

Spezifische Allergene von Erdbeer- und Tomatensorten

Ein Team der Technischen Universität München hat nun das Allergiepotenzial verschiedener Erdbeer- und Tomatensorten genauer untersucht. Die Naturstoffforscher wollten wissen, welche Sorten weniger Allergene beinhalten, aber auch inwieweit Anbau- oder Zubereitungsmethoden dabei eine Rolle spielen. Wie die Wissenschaftler in den Fachjournalen „PlosOne“ und „Nutrients“ berichten, ist das Allergiepotenzial von der jeweiligen Sorte abhängig.

Allergene der Erdbeeren ähneln Birkenpollenallergen

Frühere Studien zeigten bereits, dass es mehrere Proteine sowohl in Erdbeeren als auch in Tomaten gibt, die allergische Reaktionen auslösen können. Dazu zählen Proteine, die dem Hauptallergen aus Birkenpollen ähneln, und deshalb zu einer Birkenpollen-assoziierten Nahrungsmittelallergie führen können. Demnach reagieren 30% jener Menschen, die unter einer Birkenpollenallergie leiden, auch auf Erdbeeren empfindlich. Symtome wie gereizte Schleimhäute, Schnupfen oder gar Bauchschmerzen zeigen sich aber insbesondere, wenn Erdbeeren oder Tomaten frisch und nicht gekocht gegessen werden.

Sorte bestimmt Allergiepotenzial

Ein Team um Wilfried Schwab vom Lehrstuhl für die Biotechnologie der Naturstoffe an der TUM hat im Rahmen von zwei Studien nun wichtige allergieauslösende Proteine in den verschiedenen Erdbeer- und Tomatensorten quantifiziert. Dabei konzentrierten sie sich bei Tomaten auf das Protein Sola l 4.02 und bei Erdbeeren auf das Fra a 1-Protein. Um den genetischen Faktor auf die Expression des allergieauslösenden Proteins in den Früchten zu analysieren, wurden 23 in Farbe, Form und Größe verschiedene Tomatensorten und 20 Erdbeersorten, die sich in Größe und Form unterschieden, untersucht. Berücksichtigt wurde auch, welchen Einfluss ein biologischer oder konventioneller Anbau und Verarbeitungsmethoden wie Sonnen-, Ofen- oder Gefriertrocknung der Früchte auf das Allergiepotenzial haben.

Marker für Züchtung allergenfreier Sorten

Der Studie zufolge schwankte der Gehalt des Allergens bei Tomaten als auch Erdbeeren sehr stark zwischen den Sorten. Auch zeigte sich, dass Früchte, die während der Trocknung großer Hitze ausgesetzt waren, tatsächlich ein niedrigeres Allergiepotenzial hatten. Die Anbaubedingungen hatten hingegen nur einen geringen Einfluss auf die Bildung der Allergene in den untersuchten Sorten.

Ein erster Schritt auf dem Weg zur Züchtung von allergenfreien Tomaten- und Erdbeersorten ist gemacht. Mit den beiden Proteinen Sola l 4.02 und Fra a 1 liefern die Münchner Forscher dafür zwei vielversprechende Marker.

Be it hay fever, strawberry or cat hair allergy: more and more people are suffering from allergies. According to a study by the Robert Koch Institute, around 30% of adults and 20% of children and adolescents in Germany are allergic. Frequently, those affected even suffer from several allergies. While chronic colds can be treated quite well with medication, people who react sensitively to food can only protect themselves by doing without. About three to four percent of adults and five percent of children are affected.

Specific allergens of strawberry and tomato varieties

A team from the Technical University of Munich has now investigated the allergy potential of different strawberry and tomato varieties in more detail. The natural product researchers wanted to know which varieties contain fewer allergens, but also to what extent cultivation or preparation methods play a role. As the scientists report in the specialist journals "PlosOne" and "Nutrients", the allergy potential depends on the variety.

Strawberry allergens resemble birch pollen allergens

Previous studies have shown that there are several proteins in both strawberries and tomatoes that can trigger allergic reactions. These include proteins that are similar to the main birch pollen allergen and can therefore lead to birch pollen-associated food allergy. This means that 30% of people who suffer from birch pollen allergy also react sensitively to strawberries. Symptoms such as irritated mucous membranes, colds or even stomach pains are particularly noticeable when strawberries or tomatoes are eaten fresh and uncooked.

Variety determines allergy potential

A team led by Wilfried Schwab from the Chair of Natural Product Biotechnology at the TUM has now quantified important allergenic proteins in the various strawberry and tomato varieties in two studies. They concentrated on the protein Sola l 4.02 in tomatoes and the Fra a 1 protein in strawberries. In order to analyse the genetic factor for the expression of the allergenic protein in the fruits, 23 tomato varieties of different colour, shape and size and 20 strawberry varieties of different size and shape were examined. The influence of organic or conventional cultivation and processing methods such as drying the fruit in the sun, oven or freeze dryer on the allergy potential was also taken into account.

Markers for breeding allergen-free varieties

According to the study, the allergen content of tomatoes and strawberries varied greatly between varieties. It was also found that fruits that were exposed to high heat during drying had a lower allergy potential. The growing conditions, on the other hand, had only a minor influence on the formation of allergens in the varieties studied.

A first step has been taken towards the cultivation of allergen-free tomato and strawberry varieties. With the two proteins Sola l 4.02 and Fra a 1, the Munich researchers are providing two promising markers for this.

Das Leben auf unserem Planeten hat seinen Ursprung in den Meeren. Nicht nur Tiere, sondern auch Pflanzen waren zunächst im Wasser zu Hause, bevor sie das Land eroberten. Doch wie war dieser Schritt überhaupt möglich? Ein internationales Forscherkonsortium mit Beteiligung von Marburger und Würzburger Pflanzenforschern fand nun heraus, dass die im Süßwasser lebende Armleuchteralge Chara braunii bereits mehrere genetische Voraussetzungen besitzt, um auch an Land zu überleben.

Chara besitzt Merkmale der Landpflanzen

An Land waren die Pflanzen plötzlich mit ganz anderen Umweltbedingungen konfrontiert: Nährstoffe und Wasser mussten aus dem Boden statt der unmittelbaren Umgebung aufgenommen werden. „Es gibt mehrere Algengruppen, die das Land besiedelt haben, aber nur eine davon hat sich zur Großgruppe der Landpflanzen weiterentwickelt“, sagt Seniorautor Stefan Rensing von der Philipps-Universität Marburg. Um herauszufinden, warum manche Algengruppen dies geschafft haben, analysierten die Pflanzenforscher das Genom der Armleuchteralge. „In den Genen der Alge Chara sind schon zahlreiche evolutionäre Innovationen angelegt, die bislang ausschließlich den Landpflanzen zugeschrieben wurden“, erklärt Rainer Hedrich, Professor für Molekulare Pflanzenphysiologie und Biophysik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Genom der Süßwasseralge kodiert Trockenheitshormon

Wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Cell“ berichten, besitzt Chara beispielsweise bereits die genetischen Grundlagen für das Stresshormon Abscisinsäure. Bei Landpflanzen wird das sogenannte Phytohormon bei Trockenheit aktiviert, damit diese Wasser sparen. Bei Wasserpflanzen wäre diese Regulation eigentlich überflüssig. Zwar sind die ersten Syntheseschritte für das Hormon bei der Süßwasseralge bereits vorhanden, die passenden Hormonrezeptoren fehlen jedoch noch.

Armleuchteralge bereits mit doppelter Zellwand

Die Armleuchteralge weist noch ein weiteres auffälliges Merkmal auf, das für im Wasser lebende Pflanzen eigentlich nicht notwendig wäre und zum Schutz vor Austrocknung dient: „Ähnlich wie Landpflanzen führen die Armleuchteralgen eine Zellteilung durch, bei der spezielle Proteine eine Zellplatte zusammensetzen. Diese entwickelt sich anschließend zur neuen Querwand“, so die Forschenden. Der Marburger Pflanzenforscher Rensing fasst zusammen: „Unsere Daten zeigen: Eine Reihe von Genen, die in der wissenschaftlichen Literatur bisher als Landpflanzen-typisch galten, finden sich schon bei den Armleuchteralgen.“

Einzigartige Signalweiterleitung

Doch die Süßwasseralge weist auch Besonderheiten auf, die vermutlich unabhängig von den ähnlichen Eigenschaften bei Landpflanzen entstanden: Chara ähnelt in ihrem Aussehen bereits einer Landpflanze und besitzt sogar wurzelähnliche Strukturen. Mit diesen kann sie sich zwar am Boden verankern, sie dienen jedoch nicht zur Nährstoffaufnahme. Außerdem besitzt die Süßwasseralge einen sprossähnlichen Wuchs mit knotigen Verdickungen, an denen sogar blattartige Gebilde sitzen. Die Abstände zwischen den Knoten können bis zu 20 Zentimeter lang sein. Das Besondere: Die Zellen in diesem Bereich geben elektrische Signale ab und leiten sie in der Alge weiter. Sie wird deshalb seit über 60 Jahren als Modellorganismus verwendet, um die elektrische Erregbarkeit von Pflanzenzellen zu erforschen. Überraschend war, dass die genetischen Grundlagen für die Kanäle, die bei Landpflanzen typischerweise die Reizweiterleitung ermöglichen, im Genom von Chara nicht vorhanden waren. Die Alge scheint also eine ganz eigene Lösung für die Signalweiterleitung gefunden zu haben. Der Würzburger Pflanzenphysiologe Hedrich will deshalb in Zukunft untersuchen, wie genau die elektrischen Signale der Armleuchteralge entstehen und weitergeleitet werden.

jmr

Der Naturstoff Spinnenseide überzeugt nicht nur wegen seiner extrem hohen Stabilität, sondern vor allem wegen seiner antibakteriellen und heilenden Eigenschaften. Der Firma AMSilk aus Martinsried war es gelungen, dieses vielseitige Biopolymer mithilfe von Mikroben biotechnologisch herzustellen. Seither sind fünf Jahre vergangen und die Palette innovativer Produkte aus AMSilks Seidenproteinen wird immer größer. Nachdem Sportschuhe aus dem Wunderfaden hergestellt, Brustimplantate beschichtet und Ersatzgewebe für Herzen entwickelt wurden, kommt unter dem Namen skinsilk nun die erste Kosmetiklinie auf den Markt.

Neun Produkte aus Seidenproteinen

Die Beautyserie besteht aus neun Produkten, die jeweils Seidenproteine und Wirkstoffe wie Vitamin C, Hyaluronsäure und Ambora Extrakt kombinieren. Dazu gehören neben einer Tagescreme und Nachtcreme, Spezialprodukte wie Augencreme, Liftingserum und Narbengel.

Nachhaltiger Hautschutz mit Anti-Aging-Effekt

Cremes und Gels sind für jeden Hauttyp geeignet und wurden Herstellerangaben zufolge speziell für einen effektiven und nachhaltigen Hautschutz mit Anti-Aging Effekt entwickelt. An der Entwicklung waren neben AMSilk die Firma CC Pharma im rheinland-pfälzischen Densborn beteiligt. In der Schlosspark Klinik Ludwigsburg wird die Kosmetikserie aus Biotech-Spinnenseide erstmals Kunden angeboten. Demnächst soll skinsilk auch bundesweit bei ausgewählten Kosmetikinstituten und Dermatologen erhältlich sein.

„Der Verlust der Biodiversität ist eine der größten ökologischen Herausforderungen unseres Planeten“, so EU-Kommissar Janez Potočnik in seinem Vorwort zu der 2011 von der EU verabschiedeten „Biodiversitätsstrategie“. Darin hat das Parlament bis 2020 sechs Ziele festgeschrieben, die zum Erhalt der Ökosysteme beitragen sollen. Die Strategie zielt nicht nur auf den Schutz von Arten und Lebensräumen ab. Vielmehr geht es um einen schonenden Umgang mit den natürlichen Ressourcen, damit die Natur die Menschen auch zukünftig noch mit lebenswichtigen Güter und Leistungen versorgen kann. „Mit der neuen Strategie will die EU sicherstellen, dass ihr Naturkapital zum Wohle künftiger Generationen nachhaltig bewirtschaftet wird“, so Potočnik weiter.

Einfache Methode zum Erhalt der Biodiversität

In diesem Sinne haben Wissenschaftler im EU-Projekt ESMERALDA in den vergangenen dreieinhalb Jahren eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe auf einfache Weise das Gleichgewicht der Natur und die biologische Vielfalt erhalten werden kann. Darüber können Ökosystemleistungen nun sowohl regional als auch gesamteuropäisch kartiert und bewertet werden. Das Vorhaben wurde von Benjamin Burkhard vom Institut für Physische Geographie und Landschaftsökologie (PhyGeo) der Leibniz Universität Hannover koordiniert und mit insgesamt 3 Mio. Euro von der EU gefördert. An der Studie waren insgesamt 28 EU-Länder sowie die Schweiz, Norwegen und Israel beteiligt.

Mit Ökosystemkarten Potenziale erkennen und nutzen

Das Prinzip hinter der neuen Methode ist einfach: Wenn man vorhandene Potentiale erkennt, kann man sie nachhaltig nutzen und erhalten. Diese Ökosystemkarten zeigen sowohl Potenziale als auch Nutzungsrisiken der unterschiedlichen Regionen auf. Sie offenbaren beispielsweise, ob eine Gegend besonders viel Wasser hat, wie der Boden beschaffen ist und wie es um den Baumbestand steht.

Dafür wurden zunächst die Ökosysteme flächenhaft erfasst und bewertet. Viele Daten waren vorhanden und mussten nur noch aufbereitet und koordiniert werden. Die Daten und die wissenschaftlichen Methoden wurden danach jedem einzelnen EU-Partner zur Verfügung gestellt, um das Wissen zu bündeln, zu koordinieren und aufzubereiten. Das Projekt sollte die EU-Partner dabei unterstützen, Netzwerke zu schaffen, in denen sowohl die vorhandenen Ressourcen als auch Kompetenzen erfasst und gebündelt werden.

Maßnahmenkatalog im Internet verfügbar

Im Ergebnis entstand ein Maßnahmenkatalog, der per Open Access allen Projektpartnern sowie der Öffentlichkeit zur Verfügung steht. „Die Menschen vor Ort direkt abzuholen, war der Schlüssel zum Erfolg“, resümiert Benjamin Burkhard. Nach Angaben des Projektkoordinators ist es so gelungen, das Bewusstsein für bereits vorhandene Ressourcen zu wecken. Die EU hat bereits zwei Nachfolgeprojekte bewilligt.

Dürre und Trockenheit setzen Pflanzen weltweit zu. Bäume vertrocknen oder sterben ab und ganze Wälder gehen zugrunde. Im Südwesten der USA werden solche Szenarien immer öfter beobachtet. Als Grund wird häufig der Klimawandel genannt. Doch diese Erklärung greift zu kurz. Auch die zunehmende Belastung der Umwelt durch Feinstaub trägt dazu bei, wie eine internationale Studie unter Mitwirkung der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn zeigt.

Funktion der Spaltöffnungen durch Feinstaub beeinträchtigt

Winzige Poren auf den Blättern regeln bei Pflanzen die Verdunstung des Wassers. Gleichzeitig sorgen diese Spaltöffnungen für die Aufnahme von Kohlendioxid, den die Pflanzen mithilfe der Photosynthese zu Zucker als Energiequelle verwandeln. „Pflanzen haben die Regulierung der Spaltöffnungen im Lauf der Evolution an die Umgebungsbedingungen angepasst, allerdings in einer Zeit mit deutlich weniger Feinstaub als heute“, erklärt Jürgen Burkhardt vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn.  Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Schottland, den USA und Kroatien konnten die Bonner beweisen, dass diese Regelung der Spaltöffnung durch die Ablagerung von Feinstaub beeinträchtigt wird. Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Europäischen Union gefördert.

Risiko für Trockenschäden steigt

Wie das Team im Fachjournal „Environmental Research Letters“ berichtet, steigt damit das Risiko von Trockenschäden bei Pflanzen deutlich an. In einem Gewächshaus der Bonner Universität wurden dafür Bäume in fast partikelfreier Atmosphäre mit solchen in ungefilterter Stadtluft verglichen. Sämlinge von Waldkiefer, Weißtanne und der Stieleichen wurden hierfür über zwei Jahre mit gefilterter Umgebungsluft versorgt, also mit fast feinstaubfreier Luft.

Wasserverdunstung in feinstaubfreier Luft geringer

Der Studie zufolge war die Wasserverdunstung bei den Bäumen, die in Gewächshäusern mit gefilterter Luft aufwuchsen, geringer als bei jenen, die in der mäßig verschmutzten Bonner Stadtluft aufwuchsen. Das traf auch auf Bäume zu, bei denen die Spaltöffnungen vollkommen geschlossen waren. „Abgelagerter Feinstaub auf Blättern erhöht also die Verdunstung“, fasst Burkhardt zusammen.

Keine Kontrolle bei Verdunstung

Mit der Studie liefern die Forscher erstmals den Beweis, dass zwischen Luftverschmutzung und Trockenheitsanfälligkeit von Bäumen ein direkter Zusammenhang besteht. Doch welcher Mechanismus steckt dahinter? Auch darauf geben die Forscher Antwort. Ein Großteil des atmosphärischen Feinstaubs bindet demnach Feuchtigkeit aus der Umgebung. Wenn sich dieser auf der Pflanze ablagert, bildet sich zusammen mit transpiriertem Wasserdampf flüssiges Wasser. Die Forscher fanden heraus, dass es sich dabei allerdings nicht um reines Wasser, sondern um konzentrierte Salzlösungen handelt.

Diese Salzlösungen kriechen dann in die Spaltöffnungen, so dass ein durchgängiger, sehr dünner Film aus Flüssigwasser das Blattinnere mit der Blattoberfläche verbindet. „Die Spaltöffnungen verlieren damit einen Teil der Kontrolle über die Verdunstung, und die Pflanzen sind stärker von Trockenheit bedroht“, erklärt Burkhardt. Diese Salzkrusten sind gewöhnlich ein Zeichen für geschädigte Bäume. An den Pflanzen, die im Bonner Gewächshaus in partikelfreier Umgebung aufwuchsen, gab es dererlei Anzeichen nicht.

All over the world, droughts are causing plant damage. Trees wither or die and entire forests perish. Such scenarios are being observed more and more frequently in the Southwest of the USA. Climate change is often cited as the reason for this. But this explanation does not go far enough. The increasing pollution of the environment by particulate matter also contributes to this, as an international study carried out with the participation of the Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn shows.

Function of stomata impaired by particulate matter

Tiny pores on the leaves of plants regulate the evaporation of water. At the same time, these stomata ensure the absorption of carbon dioxide, which the plants convert into sugar as an energy source with the aid of photosynthesis. "In the course of evolution, plants have adapted the regulation of stomata to the environmental conditions, but at a time when there was considerably less particulate matter than today," explains Jürgen Burkhardt from the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn.  Together with scientists from Scotland, the USA and Croatia, the researchers from Bonn were able to prove that this regulation of the gap opening is impaired by the accumulation of fine dust. The study was funded by the German Research Foundation (DFG) and the European Union.

Risk of drought damage increases

As the team reported in the specialist journal "Environmental Research Letters", the risk of drought damage to plants increases considerably. In a greenhouse at Bonn University, trees in an almost particle-free atmosphere were compared with those in unfiltered urban air. Seedlings of Scots pine, silver fir and English oak were supplied for two years with filtered ambient air, i.e. air almost free of fine dust.

Lower evaporation of water in air free of fine dust

According to the study, water evaporation from trees growing in greenhouses with filtered air was lower than from those growing in Bonn's moderately polluted urban air. This also applied to trees where the stomata were completely closed. "Deposited fine dust on leaves thus increases evaporation," Burkhardt sums up.

No control over evaporation

This study is the first to prove that there is a direct relationship between air pollution and the susceptibility of trees to drought. But what mechanism is behind this? The researchers also answer this question. A large part of the atmospheric fine dust therefore binds moisture from the environment. When this is deposited on the plant, liquid water forms together with transpirated water vapour. The researchers found out that this is not pure water, but concentrated salt solutions.

These salt solutions then creep into the stomata, so that a continuous, very thin film of liquid water connects the leaf interior with the leaf surface. "The stomata thus lose some control over evaporation and the plants are more vulnerable to drought," explains Burkhardt. These salt crusts are usually a sign of damaged trees. There were no such signs on the plants that grew in a particle-free environment.