Aktuelle Veranstaltungen

Der Anfang August in Sachsen-Anhalt gestartete Forschungsverbund EMIBEX wird mit 1,2 Mio. Euro vom europäischen Struktur- und Investitionsfond (EFRE) gefördert. Er soll die biotechnologische Produktion von Mikroalgen und Mikroalgenprodukten für den Einsatz im industriellen Maßstab vorbereiten. Zu EMIBEX gehören der Standort Köthen der Hochschule Anhalt, das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna und das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg. Der Verbund vereint damit verschiedene Kompetenzen auf dem Gebiet der Mikroalgenforschung.

Zusammenschluss von Experten

Die Arbeitsgruppe Algenbiotechnologie der Hochschule Anhalt kümmert sich um die Analyse der verschiedenen verwendbaren Algenstämme und um deren Kultivierung unter Freilandbedingungen. Gemeinsam mit Experten des CBP Leuna arbeiten die Biotechnologen außerdem an der Optimierung der gesamten Prozessführung, also dem Hochskalieren vom Labor in den Pilotmaßstab. Am Max-Planck-Institut ist die Fachgruppe Prozesstechnik, Team Biochemische Produktionssysteme mit photosynthetischen Organismen, für die mathematische Modellierung und Optimierung des Prozesses zuständig.

Aufgrund der fortwährenden Begleitung durch Mathematiker können Experimente besser geplant und erforderliche Steuereingriffe in der Prozessführung vorhergesagt werden. Trotz schwankender Freilandbedingungen wie Sonnenlicht, Temperatur und Kohlendioxid, soll so immer eine optimale Kultivierung gewährleistet werden. Basierend auf den Labor- und Freilandergebnissen wird schließlich ein mathematisches Gesamtprozessmodell erstellt, um den Prozess standortspezifisch ökologisch und ökonomisch bewerten zu können.

Nachhaltig produzierte Produktalternativen

Nach Ende des Verbundvorhabens in zweieinhalb Jahren sollen Farbstoffe und Proteine aus Mikroalgenbiomasse industriell hergestellt werden können. Der Verbund will dann mit seinem Angebot die steigende Nachfrage aus der Pharma-, Nahrungsmittel- und Futtermittelindustrie nach nachhaltig produzierten Produktalternativen decken.

Um eine höhere Produktivität zu erzielen, setzt EMIBEX auf eine sogenannte mixotrophe Prozessführung. Die Algen wachsen hierbei in Kombination sowohl per Photosynthese (autotroph) als auch auf Basis organischer Kohlenstoffquellen (heterotroph). Die mixotrophe Prozessführung vereint die Vorteile der Produktion Photosynthese-assoziierter Inhaltsstoffe (CO2-Verwertung) mit der deutlich höheren Produktivität der heterotrophen Kultivierung. Algenbiomasse entsteht folglich unter variabler Nutzung sowohl von Sonnenlicht und Kohlendioxid als auch von organischen Nährstoffen.

ml/jmr

Ein intaktes Ökosystem basiert auf komplexen Interaktionen zwischen all seinen diversen Bewohnern über einen längeren Zeitraum hinweg. Untersucht man also nur eine Momentaufnahme, oder wie sich die Zahl der Arten kurzfristig verändert, kann dies zu falschen Schlüssen führen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Helmut Hillebrand vom Helmholtz-Institut für Funktionelle Marine Biodiversität (HIFMB) an der Universität Oldenburg und von dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) hat untersucht, wie der Zustand eines gesamten Ökosystems am besten ermittelt und berechnet werden kann. Basierend auf einem neuen mathematischen Modell kamen sie zu dem Schluss, dass die Gesamtfluktuation der Arten in einem System berücksichtigt werden muss. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin „Journal of Applied Ecology" veröffentlicht.

Artenvielfalt allein lässt keine verlässlichen Aussagen zu

Klimaerwärmung, Abholzung und andere größtenteils von Menschenhand verursachte Umweltveränderungen drängen viele Arten an den Rand des Aussterbens. Die Folge: immer weniger Arten bewohnen ein Gebiet. Die internationale Convention on Biological Diversity oder die europäische Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie haben es sich zum Ziel gemacht diese Biodiversitätskrise einzudämmen. Um den Zustand eines Ökosystems einzuschätzen, wurde meist die Anzahl der Arten verwendet. „Doch dieses Maß hat seine Tücken, denn es spiegelt Veränderungen im System nicht richtig wider“, sagt der Oldenburger Biodiversitätsexperte Hillebrand. 

Tatsächlich führen laut den neuesten Berechnungen der Wissenschaftler negative Einflüsse auf ein Ökosystem nicht unmittelbar dazu, dass die Artenzahl abnimmt. Auch umgekehrt steigt die Zahl der Arten nicht sofort an, sobald sich ein Ökosystem von einem menschlichen Eingriff erholt. Der Grund: „Die Artenzahl ergibt sich aus einem Gleichgewicht zwischen Einwanderung und Aussterben von Arten“, erläutert Hillebrand. Beides laufe aber nicht gleich schnell ab: Wenige Individuen einer Art können schnell in ein lokales Habitat einwandern und es so besiedeln. Dagegen dauert es mehrere Generationen, bis eine Art von einer neuen, konkurrenzstärkeren Art verdrängt wird oder aufgrund der veränderten Bedingungen ausstirbt. „Ob also über einen langen Zeitraum mehr oder weniger Arten in einem Ökosystem verbleiben, kann man anhand von kurzfristigen Trends nicht verlässlich sagen“, betont Hillebrand, und ergänzt: „Die Artenzahl kann also ein falscher Freund sein.“

Wer bleibt, wer geht?

Die Empfehlung der Wissenschaftler: genauere Beobachtungen, wie viele Arten in ein System einwandern, wie viele auswandern und wie viele Arten häufiger beziehungsweise seltener werden. Mit dieser Methode analysierten die Wissenschaftler beispielhaft Langzeit-Messungen aus unterschiedlichen Ökosystemen: „Wir können zeigen, dass sich die Identitäten der Arten teilweise oder sogar komplett austauschen – selbst wenn sich über die Zeit die Artenzahl überhaupt nicht verändert“, sagt Hillebrand. „Das ist eine große Veränderung der Biodiversität, die sich in der reinen Artenzahl gar nicht abbildet.“

Überspitzt hieße das: Wenn in einem Wald die Baumarten durch ebenso viele Grasarten ersetzt würden, wäre die Artenzahl gleich geblieben, der Wald jedoch fort, erläutert der Ökologe. Für ihre Analysen nutzten die Forscher explizit Daten, die Naturschützer ohnehin als Teil von Umweltüberwachungsprogrammen erheben. So wollen die Wissenschaftler gewährleisten, dass ihr Werkzeug auch mit in der Praxis oft begrenzten Ressourcen einsetzbar ist. „Wir hoffen, so auch eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Naturschutzpraxis zu schlagen“, sagt Hillebrand.

jmr

What is known as "rice blight" is a dreaded plant disease that endangers rice harvests throughout the whole of South-East Asia, especially India, as well as large parts of Africa and can thus lead to great hardship amongst the local population. The disease is caused by the bacterial pathogen Xanthomonas oryzae oryzae.

Consortium of plant scientists

Wolf Frommer, a plant researcher at the Institute of Molecular Physiology at the university of Düsseldorf, where he is a Humboldt Professor since April 2017, has assembled an international research group to fight rice blight. The team includes scientists from Iowa State University and the University of Florida in the USA, the Institut de Recherche pour le Développement in Montpellier, France, Colombia's International Centre for Tropical Agriculture and the International Rice Research Institute in the Philippines. The researchers have found a way to make plants resistant to the pathogen.

SWEET is a key to resistance

Frommer is an expert on transport processes in plants. Before coming back to Germany this spring, he was a professor at Stanford University. The sugar transporters known as SWEET identified by his research group play a key role in resistance. Plants need these transporters to bring the sugar produced during photosynthesis in the leaves to the seeds. And it is precisely this transport mechanism that the pathogens re-programme for their own purposes. Further research revealed that the bacteria systematically activate the transporters in the rice cells and in so doing gain access to nutrients. If such activation is prevented, the bacteria cannot multiply. Wolf Frommer says: "This surprising discovery has provided us with a strategy for our joint research project: We cut off the patho-gens' route to their larder – the plants' sugar stores – and starve them out."

US$6 million by the Gates foundation

The research project "Transformative Strategy for Controlling Rice Disease in Developing Countries" began on 1 August 2017. The project is supported by a four-year grant from the Bill & Melinda Gates Foundation. In the framework of the project, Frommer will concentrate especially on the production of elite varieties for India and Africa. He will mostly conduct his research work within the working group led by Joon Seob Eom at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne.

The research results can prove valuable beyond the specific topic of rice blight. Wolf Frommer: "Our discovery might be just the tip of the iceberg. We could use the same approach to try and combat other plant diseases and in that way hopefully make a small contribution to protecting the world's food supply." And that would also be good for the climate and the environment, since if plant diseases can be combatted effectively, less pesticides and fertilisers would be needed worldwide to ensure sufficient harvests.

pg

Spinnenseide ist ein fazinierendes Biomaterial - es ist extrem reißfest, dehnbar und sehr leicht. Weitere Eigenschaften machen es für die Medizin interessant: das Material erweist sich bei Kontakt mit Haut und anderem Körpergewebe als sehr gut verträglich. Spinnenseide besteht aus einem einzigen Seidenprotein - ein Eiweißstoff, den die Spinnen in speziellen Drüsen herstellen. Doch Biotechnologen haben es geschafft, Bakterien zu Zellfabriken für das Spinnenseideprotein umzufunktionieren. Somit steht die Substanz jetzt in großen Mengen zur Verfügung. Die Biotechnologie-Firma AMSilk hat sich auf die Herstellung biotechnischer Seidenproteine spezialisiert. Sie fertigt daraus Textilfasern für Kleider oder Sneaker oder bietet das Seidenprotein als Kosmetik-Zusatzstoff an.

Jetzt hat ein Forscherteam der Universitäten Bayreuth und Erlangen-Nürnberg herausgefunden, dass sich Protein aus Spinnenseide hervorragend für die Regenerative Medizin eignet: mit Trägermaterial aus Spinnenseide lässt sich im Labor biologisches Ersatzgewebe herstellen, mit dem die Regeneration infarktgeschädigter Herzen angekurbelt werden könnte. Das Team berichtet in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“.

Trägermaterial für Zellpflaster

In Deutschland sind rund 1,8 Millionen Menschen von einer Herzschwäche betroffen. Die sogenannte Herzinsuffizienz wird oft durch Schädigung der Herzmuskelzellen verursacht. Häufig ist der Grund eine vorangegangene Herzerkrankung wie beispielsweise ein Infarkt. Die Schädigung ist bislang irreversibel. Das bedeutet es gibt auch noch keine Therapie, die das Muskelgewebe heilen könnte. Eine Strategie der Regenerativen Medizin setzt auf Gewebestücke oder "Pflaster" aus Herz- und Gefäßzellen, die in die abgestorbenen Herzregionen integriert werden.

Felix Engel ist Professor an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und erforscht Nieren- und Kreislauferkrankungen. Er hat nachgewiesen, dass sich die Seide des Indischen Seidenspinners besonders gut als Gerüstmaterial zur Herstellung von Herzgewebe eignet. Bislang konnten die Seidenproteine jedoch nicht in ausreichender Menge und verlässlicher Qualität gewonnen werden.

Spinnenseideprotein als Tinte für den 3D-Drucker

In Kooperation mit der Arbeitsgruppe um Thomas Scheibel vom Lehrstuhl für Biomaterialien an der Universität Bayreuth wurde nach neuen biotechnologischen Lösungen gesucht. „Uns ist es gelungen, ein rekombiniertes Seidenprotein der Gartenkreuzspinne in größeren Mengen und bei gleichbleibender hoher Qualität zu produzieren“, sagt Scheibel. Die biotechnologisch hergestellte Spinnenseide ist für den 3D-Druck als sogenannte Biotinte geeignet. Mit einem dreidimensionalen Druck können gewebeähnliche Strukturen hergestellt werden. Die dabei verwendeten lebenden Zellen von Menschen und Tieren bleiben meist funktionstüchtig.

Zelltypen wachsen auf Spinnenseide

Die beiden Wissenschaftlerinnen Jana Petzold und Tamara Aigner untersuchten nun gemeinsam, wie mit dem künstlich hergestellten Seidenprotein Herzgewebe gebildet werden kann. Dazu brachten sie eine dünne Schicht des Seidenproteins auf einem Glasträger auf. Darüber platzierten sie Bindegewebs-, Muskel- oder Blutgefäßzellen und überprüften ihr Zellwachstum. Besonderes Augenmerk lenkten die Forscherinnen auf die Herzmuskelzellen, deren Wachstum sich mit bestimmten Faktoren gezielt beeinflussen ließ.

Baustoff für Gewebeingenieure

Nach Ansicht der Forscher eignen sich die künstlich produzierten Seidenproteine als Basis für die Herstellung von Herzersatzgewebe. Die ersten Schritte für ein zukünftiges Verfahren wurden nun gemacht. „Funktionierendes Herzgewebe kann sehr bald künstlich hergestellt werden“, äußert sich Scheibel optimistisch. Die Frage sei nun, wann und wie das in der Praxis umgesetzt werden könne.

pg

Klimatische Schwankungen und Wetterkapriolen bescheren der Landwirtschaft zum Teil empfindliche Ernteeinbußen. Um dem vorzubeugen, haben Forscher am Institut für Textil- und Ledertechnik (ITL) der Westsächsischen Hochschule Zwickau untersucht, wie das Pflanzenwachstum bei kühlen Temperaturen verbessert werden kann. Gemeinsam mit Partnern des Forschungsnetzwerks LanoTex tüfteln sie an einer Idee, wie die Pflanzenwurzeln auf ökologische Weise gewärmt werden können.

Wurzelklimatisierung verbessert Pflanzenwachstum

„Eine sogenannte Wurzelklimatisierung ist effektiver für die Pflanze“, sagt Projektleiterin Silke Heßberg von der Hochschule Zwickau. Dadurch spare der Organismus Energie, was die Ernte zu einem vorgezogenen Zeitpunkt ermögliche. Es gibt bereits unterschiedliche Heizsysteme, mit denen das Pflanzenwachstum positiv beeinflusst wird: Fußbodenheizungen sowie Systeme mit Warmwasser, Elektro- und Gasheizungen. Durch die externe Energiezufuhr sind diese Systeme aber in der Regel kostenintensiv und benötigen entsprechende Ressourcen zur Energiebereitstellung.

Wachs als Wärmespeichermaterial

In dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt LanoTex haben sich 13 Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengetan, um neue Technologien, Verbundsysteme und Produkte für den technischen Einsatz von Textilen in Industrie, Land- und Forstwirtschaft zu entwickeln. Durch die Verwendung von nachhaltig produzierten Rohstoffen wollen sie einen Beitrag zum Klimaschutz leisten und neue Absatzmärkte und Anwendungsbereiche für Textilprodukte erschließen. In dem Projekt zur Pflanzenklimatisierung haben die Forscher spezielle Matten mit sogenanntem Phasenwechselmaterial (Phase Change Material - PCM) hergestellt. Es handelt sich um einen passiven Wärmespeicherstoff auf Wachsbasis, der am Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoffforschung (TITK) entwickelt wurde. Während des Tages erwärmt sich das Material und gibt die Wärme in der Nacht an das Erdreich ab, sodass die Temperaturschwankungen an den Wurzeln verringert werden. Das ausgeglichene Wurzelklima wirkt sich positiv auf das Pflanzenwachstum aus.

Feldsalat, Gurke und Spargel können früher geerntet werden

Ihre PCM-Matten haben die Forscher in den hochschuleigenen Gewächshäusern und einer Gärtnerei bei der Kultivierung von Feldsalat und Gurken erprobt. Im Frühling wurden außerdem Tests beim Spargelanbau durchgeführt. Bei den Versuchen wurden zahlreiche Messreihen zur Temperatur erhoben. Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine vorgezogene Ernte durch die Optimierung der Wurzeltemperatur der Pflanzen erreichen lässt. Eine verkürzte Vegetationszeit bis zur Ernte und eine höhere Produktqualität könnten Betrieben, die die neuen Matten nutzen, Marktvorteile verschaffen. Da die vom ITL und LanoTex entwickelten Matten schadstofffrei sind und ohne zusätzliche Energiezufuhr auskommen, sind sie umweltfreundlicher als herkömmliche Heizsysteme.

bp

Sie soll als zentraler Austauschpunkt für die Bioökonomie fungieren: Das Bioeconomy Knowledge Centre (BKC) der Europäischen Kommission ist am 20. Juli in Brüssel gestartet. Es handelt sich dabei um eine Online-Plattform, die Wissen zur biobasierten Wirtschaft vermitteln und  Wissenslücken aufzeigen will. Das BKC wurde vom hausinternen Wissenschaftsservice der Europäischen Kommission und dem Joint Research Centre (JRC) in Zusammenarbeit mit dem Directorate-General for Research and Innovation (DG RTD) erstellt.  „Das Bioeconomy Knowledge Centre bietet Entscheidungsträgern relevante Informationen zeitnah und in einem übersichtlichen Format. Es ist die vierte Wissensplattform die von der Europäischen Kommission in den letzten zwei Jahren ins Leben gerufen wurde und ist ein weiterer wichtiger Schritt, um gesellschaftlichen Herausforderungen der EU mit fundiertem, evidenzbasiertem Wissen entgegenzutreten“, erklärt Tibor Navracsics, Beauftragter für Bildung, Kultur, Jugend und Sport und verantwortlich für das JRC.

Datenbank und Bibliothek

Ziel des BKC ist es, die europäische und nationale Politik und deren Entscheidungsträger und Beteiligte mit fundiertem und fokussiertem Wissen auf diesem Themengebiet zu unterstützen. Die Plattform wird vordergründig nicht selbst Daten generieren, sondern vorhandenes Wissen aus der gesamten Bandbreite der Bioökonomie bündeln, strukturieren und zugänglich machen. Grundlage dafür ist ein Bioökonomie-Datenkatalog. Dieser soll als Metadaten-Speicher fungieren und Benutzer zu den Webseiten leiten, wo die jeweiligen Datensets gespeichert sind. Die Datensets stammen wiederrum entweder von der Europäischen Kommission oder von externen Beteiligten. Zusätzlich liefert das BKC auch eine Wissensbibliothek, die relevante Bioökonomiepublikationen von der Europäischen Kommission aber auch von anderen auf dem Feld der Bioökonomie tätigen Organisationen vereint.  Zudem findet man auf der BKC-Plattform auch den Bioökonomiereport des Jahres 2016, sowie viele Infografiken.

Wissenschaftliche Evidenzen für die Bioökonomie

Die Bioökonomie stellt einen wichtigen Teil der europäischen Ökonomie dar, und hat durch landwirtschaftliche Innovationen, Forstwirtschaft, Bioenergiesektor und vielen weiteren Bereichen ein enormes Wachstumspotenzial. „Der Start des Bioeconomy Knowledge Centres bedeutet auch eine wichtige Annäherung der verschiedenen Bereiche der Politik bezüglich der Bioökonomie. Um globale und geopolitische Herausforderungen mit einer schlüssigen Strategie entgegentreten zu können, bedarf es einem ausgezeichneten Wissensknotenpunkt, vor allem um bereichsübergreifenden Fragen zu beantworten“, erklärt Carlos Moedas, EU-Kommissar für Forschung, Wissenschaft und Innovation. Das BKC wird die Europäische Kommission bei der Überprüfung der Bioökonomiestrategie 2012 unterstützen, die dabei vor allem ihr Augenmerk auf die neuen politischen Entwicklungen wie das Pariser Abkommen COP21, die Sustainable Development Goals der Vereinten Nationen und das Circular Economy Package richten wird.  

jmr

Trees are extremely important for a healthy ecosystem and a stable climate. Plants take up about half of the CO2 emissions that humans put in the atmosphere, and a huge part of that is accomplished by trees. CO2 emissions are one of the major driving forces behind global warming. Thus, it is paramount that as many trees as possible stay healthy and alive in order to function as CO2 emission sponges and slow down further climate changes. However, the occurrence of droughts increases globally, which directly endangers the survival of trees. Therefore, scientists aim to identify the physiological mechanisms that lead to drought-induced tree die-offs. An international consortium including scientists at the Max Planck Institute for Biogeochemistry in Jena published their findings in the journal "Nature Ecology & Evolution", where they conclude that hydraulic failure is a universal factor when water deficiency kills trees.

Carbon starvation vs. hydraulic failure

“Droughts are simultaneously happening over large regions of the globe, affecting forests with very different trees,” says Liz Blood, director of the US-based National Science Foundation’s Macrosystems Biology programme. “The discovery of how droughts cause mortality in trees, regardless of the type of tree, allows us to make better regional-scale predictions of droughts’ effects on forests.” One idea for improving these models is to base forest responses on how trees die in response to heat, drought, and other climate stresses. But progress on this has been limited by disagreement over whether carbon starvation or hydraulic failure, the inability of a plant to move water from roots to leaves, is the true cause of death in trees.  
Plants transpire large amounts of water in order to transport nutrients and to be able to carry out photosynthesis. Transpiration is facilitated by stomata, small pores in the leaves that also let in CO2. Trees respond to the stress of drought by closing those pores, which reduces both water loss and photosynthesis activity. Once closed, the trees need to rely on their stored sugars and starches to stay alive, and could die from carbon starvation if they run out before the drought is over.
Additionally, as the soil dries out, trees have to suck harder to get water out of the soil, thereby increasing the risk of gas bubbles forming in their vessels. The bubbles, or embolisms, interrupt the transport of water from the roots upwards to the leaves, a process called hydraulic failure that may become lethal as the whole tree dries out. 

A link between both theories

A consortium of 62 scientists from across the globe found that hydraulic failure was universal when trees died, whereas carbon starvation was a contributing factor roughly half of the time. "This makes sense, because stored sugars and starches are also important for preventing hydraulic failure by acting as “osmoprotectants,” increasing the tree’s ability to hold on to its water", says Henrik Hartmann, scientist at the Max Planck Institute in Jena. The study’s results help link together the theories of carbon starvation and hydraulic failure, and provide a strong suggestion for how to go about improving vegetation models and overall predictions of climate change. 

jmr

Bäume und Wälder sind enorm wichtig für ein gesundes Ökosystem und ein stabiles Klima. Pflanzen nehmen etwa die Hälfte der Kohlendioxidemissionen aus der Atmosphäre auf, ein besonders großer Anteil wird dabei von Bäumen bewältigt. Hohe CO2-Emissionen führen zu globaler Erwärmung. Darum ist es um so wichtiger, dass möglichst viele Bäume lange gesund erhalten bleiben, um als Kohlenstoffspeicher zu fungieren. Allerdings kommt es weltweit vermehrt zu Dürren, wodurch das Überleben vieler Bäume stark beeinträchtigt wird. Für die Erstellung belastbarer Klima- und Vegetationsmodelle bedarf es dem Verständnis der Mechanismen, die dem Baumsterben bei Trockenheit zu Grunde liegen. Diese Mechanismen hat ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena untersucht und die Ergebnisse im Fachjournal "Nature Ecology & Evolution" veröffentlicht. Die Forschenden fanden heraus, dass eine Fehlfunktion beim Wassertransport der ausschlagebene Faktor für dürrebedingtes Baumsterben ist.

Verdursten oder verhungern die Bäume?

Wissenschaftler untersuchen schon seit Langem die physiologischen Mechanismen des Baumsterbens bei Dürre. Die zentrale Frage: Verdursten die Bäume, weil der Wassertransport zusammenbricht oder verhungern sie aus Mangel an Kohlenhydraten? Bäume verdunsten große Mengen Wasser für den Transport von Nährstoffen, zur Kühlung und für die Photosynthese.

Den Transpirationsprozess ermöglichen kleine Poren an der Unterseite der Blätter, die sogenannten Spaltöffnungen oder Stomata. Bei Hitze und Trockenheit werden sie geschlossen, dadurch drosselt der Baum zwar den Wasserverlust, aber auch seine Photosyntheseaktivität sinkt. Hält der Trockenstress an, kann der Eigenbedarf an Kohlenhydraten für den Stoffwechsel nicht mehr gedeckt werden und der Baum wird anfälliger für Krankheiten und Schädlinge. Bei gleichzeitig weiter austrocknendem Boden nimmt die Saugstärke in den Wurzeln und im Leitgewebe zu, wodurch das Risiko für Luftblasen (Embolien) im Gewebe steigt. Diese können den Wassertransport teilweise oder vollständig unterbrechen, und das Gewebe trocknet aus. Bislang waren sich die Forscher uneinig, ob der Ausfall des Wassertransports oder der Kohlenhydratmangel vorrangig für das Absterben der Bäume verantwortlich ist. 

Die Unterbrechung des Wassertransports maßgeblich

In der Nature Ecology-Publikation haben 62 internationale Forscher Daten von 19 verschiedenen Trockenstressexperimenten zusammengetragen und ausgewertet. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass für alle 26 untersuchten Baumarten die Unterbrechung des Wassertransports ausschlaggebend ist für ihren Dürretod. In etwa der Hälfte der Fälle spielt „Kohlenstoffhunger“ eine begleitende Rolle.  Die Untersuchung zeigt zudem, dass beide Phänomene, sowohl Kohlenhydratmangel als auch Wassertransportschäden bei Trockenstress auftreten. „Dies macht Sinn, denn die gespeicherten Zucker und Stärke spielen eine unterstützende Rolle im hydraulischen System des Baums, zum Beispiel, indem sie den osmotischen Druck in den Zellen regulieren“, erklärt Max-Planck-Forscher Henrik Hartmann, der selbst zwei Trockenstressexperimente für die Studie beigesteuert hat. 

jmr

Im Sommer sind kühle Erfrischungsgetränke sehr willkommen. Doch viele Konsumenten scheuen zu hohe Zuckeranteile oder chemisch hergestellte Inhaltsstoffe. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising haben auf Basis von Süßlupinen ein erfrischendes, proteinreiches Getränk entwickelt. Die Herstellung des Lupinen-Getränks sei in jeder Brauerei möglich. Als Kooperationspartner war außerdem der Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie an der Technischen Universität München am Projekt beteiligt, und als Industriepartner haben die Unternehmen Wild und Döhler die Entwicklung unterstützt. Während die Firma Döhler das Projekt durch fachliche Beratung sowie Analyse der Zwischen- und Endprodukte unterstützt hat, hat das Heidelberger Unternehmen Wild, ein Spezialist für Getränkegrundstoffe, auf Basis des Lupinen-Extrakts bereits ein Fruchtgetränk mit Mango- und Apfelgeschmack produziert.

Problematische Lupinensamen

Die nahrhaften Proteine stecken in den Samen der Lupine. Doch um diese für die Ernährung des Menschen nutzbar zu machen, musste das Fraunhofer-Forscherteam ein spezielles Verfahren entwickeln. Denn vor allem der hohe Proteingehalt in Verbindung mit dem erwünschten frischen Geschmacksprofil stellte eine echte Herausforderung dar.
Meistens sind Proteine im sauren pH-Bereich gar nicht löslich, doch aufgrund einer löslichen Proteinnebenfraktion bildet die Lupine hier eine Ausnahme. Aber es gab noch ein weiteres Problem zu lösen: Lupine gehören zu der Familie der Hülsenfrüchtler, zu der auch Bohnen, Erbsen oder Erdnüsse gehören. Das bedeutet, sie enthalten wie alle Hülsenfrüchte Phytinsäure. Diese bindet wertvolle Mineralien und hemmt Enzyme – sie gilt daher als wenig bekömmlich.

Neues Verfahren erhält Proteine und senkt Phytinsäure

Schon seit vielen Jahren beschäftigen sich die Freisinger Fraunhofer-Forscher damit, wie sich die Lupinenproteine gewinnen lassen. Dafür gab es 2014 sogar den Deutschen Zukunftspreis. Auch mit dem neuen Fraunhofer-Verfahren bleiben bei der Verarbeitung der Süßlupinen die wertvollen Proteine erhalten und gleichzeitig wird die unerwünschte Phytinsäure reduziert.


Dabei setzen die Experten auf eine Kombination aus Getreidemalzen und speziellen Mikroorganismen. Letztere bauen die Phytinsäure hydrolytisch, also mithilfe von Wasser, ab. Dabei kommt ein zweistufiger Maische- und Fermentationsprozess zum Einsatz. Dieser eigentlich unkomplizierte, aber dennoch empfindliche Prozess wurde von den Forschern an mehreren Stellen optimiert und angepasst. Das Endprodukt ist ein Lupinen-Extrakt in Form von Paste oder Pulver. Dieses dient dann als Ausgangspunkt für ein bekömmliches und zugleich nahrhaftes Getränk. Durch den Einsatz des Extrakts als Getränkegrundstoff lässt sich der Proteingehalt gezielt einstellen. Da das Lupinen-Extrakt selbst relativ neutral schmeckt, sind viele unterschiedliche Geschmacksrichtungen möglich.

Verfahren ähnlich dem Bierbrauen

Das Lupinen-Getränk sei ein gutes Beispiel für die Arbeitsweise des Fraunhofer IVV: „Wir entwickeln und optimieren Herstellungsverfahren, bei denen traditionelle Methoden mit neuen Inhaltsstoffen kombiniert werden. Auf diese Weise entstehen neue, gesunde und nachhaltige Nahrungsmittel“, erklärt Raffael Osen, Projektleiter am Fraunhofer IVV.
In diesem Fall wurde der Herstellungsprozess vom Bierbrauen abgeleitet, und nutzt Apparate wie Maischpfanne, Läuterbottich oder Gärtank, über die jede Brauerei verfügt. Große Zusatzinvestitionen wären für eine Produkterweiterung also nicht erforderlich.

Und die Süßlupine ist nicht die einzige interessante Pflanze für die Herstellung gesunder und proteinhaltiger Getränke – auch andere Hülsenfrüchte wie Bohnen oder Erbsen könnten schon bald als Grundlage für gesunde und proteinhaltige Getränke dienen. Die Herstellungsverfahren müssten dazu nur leicht angepasst werden. „Der Prozess ist jetzt gut etabliert. Wir versuchen im nächsten Schritt die Verfahren auf andere Rohstoffe anzuwenden, um eine größere Produktvielfalt zu erreichen“, sagt Osen. „Gerade regionale proteinreiche Pflanzen wie Erbsen oder Bohnen haben großes Potenzial.“

jmr

Cool, refreshing drinks are always welcome during the summer time. But many customers shy away from high sugar contents and too many chemical ingredients in commercially available sports drinks. Therefore, researchers at the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV in Freising developed a novel, protein-rich summer drink made from sweet lupins. The production of this new drink should be feasible for any brewery. The technique was developed in cooperation with the Technical University Munich as well as partners from industry. The company Döhler provided technical support for the project and the Heidelberg-based company Wild already produced fruit drinks based on lupin extracts.

Lupins are nutritious but tricky

The nutritious proteins are hidden in the seeds of the lupins. However, combining a high protein content with the envisioned fresh taste is no easy task. Especially since usually proteins are not soluble under acidic conditions. Luckily, lupins contain a globulin fraction that is highly soluble in this pH range and also possesses excellent functional and nutritive properties. Unfortunately, lupins contain phytic acid, a typical component for legumes such as beans, peanuts – or lupins. Phytic acid has been know to cause indigestion and has been linked to diverse other adverse effects. Until now, it has been very complex and costly to separate phytic acid from proteins. Therefore the researchers needed to develop a new process that minimises the phytic acid content, while leaving the protein content largely intact.

New technique reduces phytic acid

For the new process the researchers employ a combination of malt and specific microorganisms, which use hydrolysis to remove the phytic acid. This all happens in the context of a two-step mash- and fermentation process. The researchers optimised this straightforward but delicate process at several instances. The final product is a lupin extract in the form of powder or paste. This then marks the starting point for a nutritious and easily digestible drink. Since it is only the base for the drink, the exact protein content is adjustable. Moreover, since the extract itself is neutral in taste, there are many different flavours possible.

The new lupin drink is a good example for how the Fraunhofer IVV team works, explains Raffael Osen who is leading this project. Because of their specific expertise they are able to combine conventional methods with novel approaches. In the case of the lupin drink they based their approach on conventional beer brewing. They used many of the same instruments and facilities, which should make it easy for breweries to adopt the new drink into their product portfolio at little to no additional cost.

Peas and beans could be next

The sweet lupin, however, is not the only plant the researchers are interested in for their new healthy and protein-rich drinks. Other legumes such as beans or peas could be the next base for drinks like that – the process would only have to be altered very slightly. “The process is well established now. Our next step will be to use the technique for other raw materials in order to broaden our product portfolio”, says Osen. “Especially regional protein-rich plants such as peas or beans have great potential for us.”

jmr

Wälder sind für das globale Klima bekannterweise von enormer Bedeutung. Die Fähigkeit der Bäume, Kohlenstoff zu speichern, wurde bisher aber vor allem jüngeren Gehölzen zugeschrieben. Dass auch uralte Bestände noch effektive Kohlenstoffspeicher sind, zeigt erstmals eine Studie Hamburger Forscher. Ein Team um Michael Köhl vom Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) der Universität Hamburg hat dafür in einem unberührten aber von Abholzung bedrohten Teil des Regenwaldes von Surinam 61 Bäume dreier Arten im Alter zwischen 83 und 255 Jahren untersucht.

Hoher Kohlenstoffanteil in altem Gehölz

Wie die Wissenschaftler im Fachjournal "PLoS One" berichten, sind Bäume durchaus auch im hohen Alter noch in der Lage, Kohlenstoff zu binden und damit für den Klimaschutz maßgeblich. Der Studie zufolge nahmen die alten Tropenhölzer allein im letzten Viertel ihres Lebens zwischen 39% und 50% ihres gesamten Kohlenstoff-Anteils auf. Die Forscher hatten dafür jeweils das Alter der Bäume bestimmt. Die Dicke der Wachstumsringe gab Auskunft über den jährlichen Zuwachs. Aus Höhe und Durchmesser berechnete das Team das Reingewicht eines jeden Baumes. Hierbei zeigte sich, dass die Hälfte der Biomasse aus Kohlenstoff besteht. In Kombination mit den Jahresringen konnten die Forscher ermitteln, in welchem Alter der Baum wieviel Kohlenstoff aufgenommen hat. Wachstum und Größe der Bäume waren danach aber weniger vom Alter abhängig, sondern vielmehr von Zufällen und günstigen Bedingungen, heißt es in der Studie. Ein kleines Pflänzchen kann sich danach lange im Schatten eines großen Nachbarn halten und in die Höhe schießen, sobald der Weg zum Licht frei ist, wenn der Baum fällt.

Potenzial für Europas Wälder

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass nicht nur Tropengehölze bis ins hohe Alter als Kohlenstoffspeicher produktiv sind. „Die Ergebnisse lassen sich auf europäische Bäume übertragen, auch wenn die Wälder ganz unterschiedlich sind“, betont Michael Köhl. In den bewirtschaftetetn Wäldern Europas, meist Monokulturen, haben die Baume etwa die gleiche Größe und stellen nach dem Ringen um Nahrung und Licht die Kohlenstoffspeicherung tatsächlich fast gleichzeitig ein. Das Team um Köhl ist aber überzeugt, dass mehr naturbelassene Mischwälder nicht nur die Artenvielfalt fördern, sondern dann auch hierzulande Bäume bis ins hohe Alter CO2 aus der Atmosphäre abbauen können.

bb

Bis zum Jahr 2020 will die Europäische Union (EU) die europäischen Meere wieder in einen guten ökologischen Zustand überführen. Um den Erfolg zu überprüfen, bedarf es mehrerer, aussagekräftiger Merkmale. Für die Ostsee wurden deshalb elf sogenannten Deskriptoren definiert, die gemeinsam den ökologischen Zustand des Meeres verlässlich beschreiben. Einer der Deskriptoren ist das „Nahrungsnetz“. Das Nahrungsnetz ist ein Modell, in dem verschiedene Arten über ihre Nahrungsaufnahme und die Räuber-Beute-Beziehung zueinander in Bezug gesetzt werden. Da es sich um ein sehr komplexes System handelt, ist es oft schwierig, aussagekräftige Messungen und Beschreibungen vorzunehmen. Das Team um den Meeresbiologen Norbert Wasmund vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde (IOW) hat nun in der Fachzeitschrift „Frontiers of Marine Science“ vorgestellt, wie Plankton zur Charakterisierung des Nahrungsnetzes genutzt werden kann. Die Veröffentlichung besteht aus einem ersten und zweiten Teil.

Massenvermehrung der Mikroalgen im Frühling

Im Frühling, wenn die Tage länger werden, kommt es in der Ostsee zur sogenannten Frühjahrsblüte. Mikroalgen nutzen das Licht und vermehren sich massenhaft. In der Ostsee sind dies vor allem Kieselalgen (Diatomeen) und Panzergeißler (Dinoflagellaten). Die Mikroalgen, auch Phytoplankton genannt, bilden die Basis der Ernährungspyramide, auf der fast alles weitere Leben im Meer aufbaut. An der Spitze der Pyramide stehen Säugetiere wie Kegelrobben beziehungsweise der Mensch und die Fischereiwirtschaft.

Plankton als Indikator nutzen

Sinkt das Plankton nach dem Absterben ab, so erreichen die schwereren Kieselalgen schneller den Boden als die Panzergeißler. Dadurch können sich sowohl schwimmende als auch am Boden lebende Organismen von den abgestorbenen Kieselalgen ernähren. Die langsam absinkenden Panzergeißler bieten vor allem Nahrung für schwimmende Organismen, da sie gefressen werden, bevor sie den Meeresgrund erreichen. Der sogenannte Diatomeen/Dinoflagellaten-Index oder kurz den Dia/Dino-Idex beschreibt, welche der beiden Gruppen bei der Frühjahrsblüte überwiegt. „Dominieren die Kieselalgen vor den Panzergeißlern, so ist das für viele Bereiche des Nahrungsnetzes besser. Wir haben also durch dieses einfache Verhältnis ein gutes Maß für seinen Zustand“, erläutert Wasmund.

Monitoring und Verwendung historischer Daten

Die notwendigen Messungen zur Erstellung des Indexes sind relativ einfach, was die Beobachtung, das sogenannte Monitoring, erleichtert. Um den ökologischen Zustand der Ostsee in der Vergangenheit zu rekonstruieren und mit dem heutigen zu vergleichen, hat Wasmund frühere Beobachtungsdaten herangezogen. Etwa seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Aufzeichnungen zum Phytoplankton gemacht, die der Meeresbiologe ausgewertet hat. Dabei zeigte sich, dass bis in die 1980er Jahre die Diatomeen gegenüber den Dinoflagellaten dominierten. Danach kehrte sich das Verhältnis um, was mit einer schlechten Phase für das Nahrungsnetz einherging. Seit der Jahrtausendwende verbessern sich die Werte des Dia/Dino-Indexes wieder. Aktuelle Daten werden jetzt beim Monitoring der Helsinki-Komission (HELCOM) systematisch erhoben und stehen für die Berechnung des Indexes kontinuierlich zur Verfügung. Für eine umfassende ökologische Beschreibung der Ostsee werden dann zusätzlich die übrigen Deskriptoren einbezogen.

bp

Er sorgt für Erholung, trägt zum Klimaschutz bei, wird bewirtschaftet und soll möglichst naturnah sein: Deutschlands Wälder sind wahre Multitalente. Aber wie kann sichergestellt werden, dass uns die Wälder noch lange erhalten bleiben? Heike Begehold befasste sich in ihrer Doktorarbeit an der Universität Dresden mit der Komplexität unserer Nutzwälder und hat Empfehlungen erarbeitet, wie ökonomische und ökologische Aspekte in Einklang gebracht werden können. Nun vermittelt sie ihr Wissen als Lehrerin an einer freien Schule.

Das Phytohormon Auxin ist an nahezu allen Entwicklungsprozessen einer Pflanze beteiligt. Der Signalstoff, der in den Blättern gebildet wird, sorgt unter anderem dafür, dass die Pflanze zum Licht wächst und Seitenwurzeln bildet. Darüber hinaus ist er auf den verschiedensten Signalwegen innerhalb der Pflanze anzutreffen und steuert entsprechende Prozesse. Dass ein einziger Signalstoff diese Breitenwirkung hat, gilt als Phänomen und ist für Pflanzenforscher weltweit seit Langem von Interesse. Bekannt ist, dass die Wirkung des Hormons von Proteinen hervorgerufen wird, die im Zellkern das Hormon erkennen und binden, so andere Proteine aktivieren und das Signal zur Bindung weitergeben. Am Ende der Signalübertragungskette sind all jene Gene aktiv, die in der Pflanze beispielsweise die Teilung, Streckung und Differenzierung der Zellen anregen. Über die Bindung des Hormons an sein Rezeptorprotein war bisher wenig bekannt.

Wissenschaftlern des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie in Halle haben nun gemeinsam mit Partnern der Martin-Luther-Universität klären können, wie die Signalübertragung des Hormons innerhalb der Pflanze angeschoben wird, und welche Faktoren die Vielseitigkeit prägen. Wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet, konnten sie anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand eine wichtige Regulationsebene ausmachen, die den Signalstoff an die jeweiligen Erfordernisse anfasst und Auxin somit zum Alleskönner macht.

Pflanzenhormon als molekularer Klebstoff

Demnach bindet Auxin nicht nur an ein Rezeptorprotein. Vielmehr wirkt es als molekularer Klebstoff, der zwei Hauptakteure eines ganzen Rezeptorkomplexes verbindet. Dabei handelt es sich um den TIR1-Rezeptor und den sogenannten AUX/IAA-Repressor, ein Protein, das die entsprechenden Wachstums- und Entwicklungsgene blockiert. Durch den Abbau des Repressors werden die zuvor durch ihn blockierten Wachstumsgene frei und können nun abgelesen werden.

Pflanzenhormon wirkt über Rezeptorkomplex

Bei der Modelpflanze Arabidopsis thaliana sind bisher sechs verschiedene TIR1-ähnliche Rezeptorproteine und 29 verschiedene AUX/IAA-Repressorproteine bekannt, die das Hormon theoretisch aneinander koppeln kann. Der Studie zufolge könnte das Pflanzenhormon über die Vielzahl möglicher Rezeptorkomplexe bewirken, dass die Pflanze daraufhin die entsprechenden Wachstums- oder Entwicklungsgene aktiviert.

Zum Nachweis dieses Prozesses verglichen die Wissenschaftler zwei konkrete Repressorproteine, die AUX/IAA-Proteine IAA6 und IAA19, in ihrem Bindungsverhalten zu Auxin und zum TIR1-Rezeptor. Dabei zeigte sich, dass der Rezeptorkomplex TIR1-IAA19, das Phytohormon stärker bindet und auch alle nachfolgenden Schritte der Signalübertragung stärker als der Rezeptorkomplex TIR1-IAA6 beeinflusst. Die Folge: Unterschiedliche Gene können in unterschiedlichen Geweben und zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiviert werden. 

Geschwistergene identifiziert

Interessant dabei war, dass sich die beiden codierten Repressorgene wie Geschwister ähneln. Sie sind sozusagen doppelgänger, die ein Paar bilden, sich aber jeweils ganz unterschiedlich verhalten. Die Hallenser Wissenschaftler vermuten hier eine sogenannte Subfunktionalisierung der Proteine, die sich im Laufe der Evolution bei den „Geschwistern“ herausgebildet hat. Diese Art der Subfunktionalisierung könnte den Forschern zufolge auch bei den IAA-Proteinen und bei weiteren Genkopien des Repressors erfolgt sein.

bb

Mit Blick auf ein nachhaltiges Rohstoffmanagement gewinnt der Klärschlamm aus der Abwasserreinigung zunehmend an Bedeutung. Denn im Klärschlamm lagern kostbare Mineralstoffe, die Pflanzen als Nährstoff dienen und in der Landwirtschaft als Dünger genutzt werden können. Eine der Kostbarkeiten im Abwasser ist Phosphor. „In deutschen Abwässern steckt ein jährliches Potenzial von rund 70.000 Tonnen Phosphor zur Rückgewinnung, während etwa 120.000 Tonnen pro Jahr allein in Deutschland verbraucht werden“, erklärt Diana Hehenberger-Risse vom Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut.

Phosphorrecycling für kleine Kläranlagen

Die Bundesregierung hat das Phosphorrecycling für Kläranlagen ab 50.000 Einwohner indes zur Pflicht gemacht. Doch die technische Umrüstung der Kläranlagen ist kostspielig und könnte die Abwassergebühren in die Höhe treiben. Ob sich das Phosphor-Recycling auch für kleinere Kläranlagen rechnet und wie der Prozess optimiert werden kann, wollen Forscher der Hochschule Landshut um Diana Hehenberger-Risse ab sofort gemeinsam mit deutschen und tschechischen Industriepartnern im Rahmen des EU-Projektes „Green Infrastructure Maßnahmen aus Klärschlamm-Kaskadennutzung (greenIKK)“ ausloten.

Klärschlamm besser verwerten

Ziel des Projektes ist die Ermittlung einer optimalen Verfahrenskette, um Klärschlamm stofflichen und energetische noch besser verwerten zu können. Das Projekt läuft bis Ende 2019 und wird vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung unterstützt. „Wir prüfen unter anderem, wie sich Phosphor, Stickstoff und Spurenelemente wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll aus Abwasser und Klärschlamm zurückgewinnen lassen“, erklärt der Landshuter Chemiker Josef Hofmann Darüber hinaus wird getestet, ob und welche Kläranlagen Solarenergie zur Trocknung des Klärschlamms einsetzen könnten und ob es für die Anlagenbetreiber Sinn macht, Schlamm aus verschiedenen Kommunen in zentralen Anlagen gemeinsam zu trocknen. „In diesem Projekt sollen Entsorgungswege und -varianten betrachtet werden, die einen integrierten, ganzheitlichen Ansatz verfolgen“, fasst Hehenberger-Risse zusammen.

Empfehlungen für optimale Klärschlammnutzung

Wichtig dabei: Auf der Suche nach Lösungen wollen die Forscher mit den jeweiligen Gemeinden zusammenarbeiten, damit die Kosten für die regionale Abwasseraufbereitung am Ende nicht ausufern. Die tschechischen Partner werden hierfür nicht nur den Phosphorgehalt im Klarschlamm messen, sondern auch seine Qualität als Pflanzendünger analysieren. Im Ergebnis des Projektes sollen Handlungsempfehlungen vorliegen, die den beteiligten Gemeinden in Deutschland und Tschechien aufzeigen, wie sie grenzübergreifend gemeinsam Klärschlamm ökologisch und ökonomisch sinnvoll nutzen können. In einer Pilotanlage in Karlsruhe wird seit Kurzem getestet, ob sich aus Klärschlamm recyceltes Phosphat als Pflanzendünger effizient und kostengünstig herstellen lässt.

bb

Mussels have mastered the art of sticking to wet surfaces and cause a lot of damage because of it. They stick to boats, pipes, piers, and many more underwater surfaces. In fact, mussels are one of the worst perpetrators of biofouling, meaning the unwanted accumulation of organisms on underwater structures. These biofouling organisms can injure swimmers, and they produce significant economic and environmental costs: the US Navy alone spends about $1 billion per year on antifouling efforts, and many species are invasive pests that hitch rides to new environments on ships’ hulls.

Nicholas Vogel, now a researcher at the University of Erlangen-Nurenberg and formerly a postdoctoral fellow at Harvard, where he was working on Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) coatings, and Ali Miserez, an Associate Professor of Materials Science and Engineering at Nanyang Technological University (Singapore), who specialises in biological materials, demonstrated that a certain form of SLIPS is indeed essentially mussel-proof. Furthermore, they shed light on how they minimise the extraordinary attachment mechanisms of mussels. Their findings are published in the journal “Science”.

Previous coatings are toxic and ineffective

Thus far mostly paints and coatings containing toxic chemicals have been used to keep mussels and other such organisms from clinging to surfaces. However, these materials poison species indiscriminately, accumulate in waterways, likely have ecological impacts, need to be replaced regularly, and are often not as effective as desired. So-called “low surface energy” coatings based on silicone or siloxane polymers, have been introduced as non-toxic alternatives. But although these materials do allow for easier removal of biofouling species, they are less effective at preventing organisms from attaching in the first place, and are susceptible to damage and decay.

New coating inspired by a plant

The novel technology developed at the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University – called the Wyss’ SLIPS technology, was inspired by the slick lip of a carnivorous pitcher plant that sends insects sliding down to their doom; by doing so the plant is taking advantage of the fact that it is usually very difficult for an organism to attach to a liquid surface. SLIPS consists of a solid surface infused with a liquid lubricant overlayer that is retained in place so that anything that comes into contact with the liquid layer will simply slide right off. SLIPS have previously been shown to be effective against bacteria and algae, but mussels represent an even more difficult enemy: Their muscular feet produce adhesive filaments called byssal threads whose tips, called adhesive plaques, contain special adhesive proteins that remove water molecules from the target surface to enable the plaques to bind to it. “Mussels have mastered the skill of sticking in an underwater environment, despite water being the biggest enemy of adhesion”, says Miserez. This system allows them to bind to surfaces extremely well: large accumulations of mussels can weigh as much as 1,700 pounds per square foot.

Mussels are confused by new material

In order to investigate whether SLIPS indeed protect against these expert biofoulers, the NTU team led by Miserez placed Asian green mussels on panels with a “checkerboard” pattern of different types of non-biocidal antifouling surfaces underwater, and let the mussels choose where to attach. Two different types of slippery surfaces infused with silicone oil as a lubricant were evaluated: a very thin, silica-based and nanostructured 2D coating applied layer-by-layer (i-LBL) and a thicker, matrix-like 3D coating made of the common polymer polydimethylsiloxane (i-PDMS).

The researchers found that hardly any mussels stuck to i-PDMS panels. Moreover, they measured that it takes significantly less force to remove mussels from i-PDMS-coated surfaces than from i-LBL or non-coated surfaces. “This is likely because the liquid overlayer of the lubricant-infused surfaces resists displacement by the mussels’ adhesive proteins, keeping the surface lubricated and therefore preventing the byssal threads from binding”, says co-first author Shahrouz Amini, who was a Research Fellow at NTU during the study. Lastly, the researchers were also able to demonstrate that the i-PDMS panels caused the mussels to alter their behaviour when setting out to attach to a surface: “In addition to disrupting the byssal threads themselves, the lubricant-infused surfaces were confusing the mussels, making them decide they weren’t valid places to attach”, says Amini. In fact, the SLIPS’ lubricant layer was physically interfering with the mussels’ ability to detect the solid surface beneath it – the feet of mussels contain proteins that are known to sense pressure.

New coating prevents attachments across species

Finally, the Wyss team partnered with the NOAA Stellwagen Bank National Marine Sanctuary in Scituate, Massachusetts. In order to assess the lab-findings under real-world conditions, they submerged panels of all the lab-tested materials into Scituate Harbor for sixteen weeks to see whether organisms would grow on them.

Not only did the i-PDMS show four times less mussel settlement than the previously used Intersleek 900 and 30 times less than non-infused PDMS, it also outperformed the other materials in resisting other biofouling species such as tunicates, hydroids, and slime. “Many of the organisms in the field use different strategies and adhesives to attach themselves to underwater surfaces, but we have a solution that can work across most species”, says Onye Ahanotu, a Senior Research Scientist at the Wyss Institute and co-author of the paper.

 jmr

Verpackungen und Einweggeschirr aus Kunststoff gehören zu den größten Müllquellen auf der Welt. Besonders akut ist das Problem in Indien – hier will die Politik ein Umdenken bewirken, um die Müllflut einzudämmen. In manchen Bundesstaaten wurde dazu ein Plastik-Verbot erlassen.

Nun sind dort nachhaltige Alternativen für Verpackungen gefragt. Für Eduardo Gordillo und sein Start-up Bio-lutions International AG ist es ein Glücksfall. Die Hamburger bauen derzeit mit Unterstützung der Deutschen Investitions- und Entwicklungsgesellschaft (DEG) in Bangalore eine Produktionsanlage für biobasierte Verpackungen und Einweggeschirr auf: „Mit unserem Prozess können wir dort bald bis zu 2.000 Tonnen davon im Jahr produzieren“, freut sich Eduardo Gordillo.

Ökologisch wertvoll und dezentral produzierbar

Gordillo stammt aus Kolumbien, wo er Architektur studiert hat. Bereits vor zwanzig Jahren kam er nach Deutschland. An der Kunstakademie in Stuttgart absolvierte er einen Masterstudiengang in Industriedesign. 2005 gründete er in Hamburg die Designagentur upgrading GmbH, deren Geschäftsführer er heute noch ist. Gleichzeitig begann er, sich auch für die Herstellung von ökologischen Produkten zu interessieren. Vor fünf Jahren kam ihm die Idee für das Spin-Off namens Bio-lutions. „Ich wollte ein ökologisch wertvolles Produkt kreieren, das sich dezentral und klimaschonend herstellen lässt. Deshalb haben wir uns auf pflanzliche Agrarabfälle als Rohstoff konzentriert“, sagt Gordillo.

Nach jahrelangem Tüfteln mit dem Technologiepartner Zelfo aus dem brandenburgischen Joachimsthal ist ein sogenanntes Up-Cycling-Verfahren entstanden, das überall auf der Welt zum Einsatz kommen könnte: bisher ungenutzte Pflanzenreste aus der Landwirtschaft werden in innovative und wertige Produkte verwandelt. Ob Reisstroh, Bananenstämme oder Ananassträucher – für die Hamburger sind die Agrarabfälle die Ressource für Verpackungsmaterial und Einweggeschirr.  „Wir haben auch schon Tomaten in Verpackungen gepackt, die aus Tomatenpflanzen hergestellt wurden“, sagt Gordillo. Ein Konzept, das die Hamburger Re-Packaging nennen.

Around the globe, plastic packaging and disposable tableware makes up a significant portion of discarded waste. This problem is particularly acute in India, where policy makers are now pushing for change as part of broader efforts to curb the flood of rubbish. Some Indian states have even instituted a ban on plastic.

In these areas, there is now a high demand for sustainable packaging alternatives – a stroke of luck for Eduardo Gordillo and his start-up, Bio-lutions International AG. With the support of the German Investment and Development Corporation (DEG), the entrepreneurs from Hamburg are currently establishing a production facility in Bangalore for bio-based packaging and disposable tableware: “With our process, we will soon be producing up to 2,000 tonnes a year at the plant,” says Eduardo Gordillo.

Ecologically valuable and locally manufactured

Gordillo was born in Colombia, and originally studied architecture. He emigrated to Germany twenty years ago, where he completed a masters degree in Industrial Design at the State Academy of Fine Arts in Stuttgart. In 2005, he founded the design agency upgrading GmbH in Hamburg, where he is still the managing director. Around this time, he began to take an interest in the production of ecological products, and five years ago came up with the idea for his spin-off business, Bio-lutions. “I wanted to create an ecologically valuable product that can be manufactured on a decentralised and ecologically sound basis. With this in mind, we opted for agricultural waste as a raw material,” says Gordillo.

After several years of experimenting and tinkering alongside technology partner, Zelfo, from Joachimsthal in Brandenburg, the spin-off developed an ‘up-cycling’ procedure that can be applied anywhere in the world. The process transforms previously unused agriculture plant waste into innovative and valuable products. From rice straw to banana trunks or pineapple shrubs –for the Hamburg-based spin-off, all of these represent a precious resource for packaging materials and disposable tableware. “We’ve already packed tomatoes in packaging made from tomato plants,” says Gordillo. He calls this concept ‘re-packaging’.