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Wenn es um den Klimawandel geht, ist schnell die Rede vom Treibhausgas Kohlendioxid. Bis 2020 soll Deutschland die Treibhausgasemissionen gegenüber 1990 um 40 Prozent senken, so lautet der Plan der Bundesregierung – eine Vorgabe, die das Umweltbundesamt inzwischen für nicht mehr umsetzbar hält. Um dennoch das Ziel der CO₂-Neutralität ab 2050 erreichen zu können, könnte neben der Vermeidung des Treibhausgases ein weiterer Ansatz relevant werden: dessen Verwertung.

Kohlendioxid als Rohstoff

In der organischen Chemie sind zahlreiche Reaktionen bekannt, wie Kohlendioxid zu chemischen Grundprodukten verbaut werden könnte, die sonst meist aus der Petroindustrie stammen. Weil diese Reaktionen jedoch erhebliche Mengen Energie benötigen, gilt dieser Ansatz weithin als ökonomisch wie ökologisch uninteressant. Es gibt jedoch jemanden, der seit Millionen von Jahren davon lebt, Kohlendioxid in höherwertige Verbindungen zu verwandeln: bestimmte Bakterienarten. Dank ihrer perfekt adaptierten Enzyme gelingt es den Mikroorganismen, chemische Reaktionen mit einer Effizienz umzusetzen, die auf herkömmliche Weise unerreichbar ist. Die Biotechnologie macht sich diese Eigenschaften zunutze und versucht, Bakterien als Chemiefabriken zu verwenden.

Urtümliches Bakterium als Chemiefabrik

Hier setzt das europäische Forschungsprojekt „CO2Chem - Biologische Konversion von CO₂ zur Plattform-Chemikalie 3-Hydroxypropansäure“ an. Es soll, wie der Name schon sagt, einen Weg realisieren, um aus Kohlendioxid mit biotechnologischen Mitteln 3-Hydroxypropansäure zu produzieren – eines der von der Industrie am dringlichsten gewünschten Verfahren. An dem internationalen Projekt mit Partnern aus Großbritannien, Dänemark und Deutschland ist auch die Arbeitsgruppe um Volker Müller von der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt beteiligt. Sie arbeitet seit vielen Jahren mit dem Bakterium Acetobacterium woodii. Es zählt zu den acetogenen Bakterien, die sich von Wasserstoff, Stickstoff und eben Kohlendioxid ernähren können. Sogar das für viele Lebewesen giftige Kohlenmonoxid verwertet A. woodii – ein Hinweis auf Stoffwechselwege, die wahrscheinlich aus der Frühzeit irdischen Lebens stammen.

„Es war lange vollkommen unklar, wie diese Bakterien damit ihre Biomasse aufbauen“, erläutert Müller. Er selbst hat dazu beigetragen, anhand eines Modellorganismus‘ zu zeigen, wie aus diesen Rohstoffen die Umsetzung zu Essigsäure erfolgt. Vor rund zehn Jahren folgte dann die Frage, ob sich Bakterien, die Kohlendioxid als Substrat verwenden, biotechnologisch nutzen lassen. „In Deutschland arbeiten daran nur wenige Gruppe, weil man die Mikroorganismen in einem anoxischen, mit Stickstoff gefüllten speziellen Zelt halten muss. Sauerstoff wäre für die Bakterien tödlich“, begründet Müller. „Das ist nicht einfach zu handhaben.“

„Bio“ klingt für die meisten Menschen nach etwas Positivem. Ob das uneingeschränkt auch für Biokraftstoffe gilt, ist seit vielen Jahren umstritten. Die Umweltökonomin Ruth Delzeit begleitet das Thema schon seit Beginn ihrer Forscherinnenkarriere – und es hat ihr auch einen Schlüsselmoment beschert, in dem sie erkannte, wie manche Politiker und auch Journalisten mit Erkenntnissen aus der Forschung umgehen.

„Ich habe mich schon immer sehr für die Umwelt interessiert“, erzählt Delzeit, die heute am Institut für Weltwirtschaft (IfW) in Kiel den Forschungsbereich „Umwelt und natürliche Ressourcen“ leitet. Das Studium der Geografie lag daher nahe. „Da konnte ich einen breiten Überblick über viele Umweltthemen bekommen“, erinnert sich die Forscherin an die Gründe für ihre Entscheidung. Zwei Themen rückte sie damals in den Fokus: Bodenkunde und Agrar- und Umweltökonomie. Schnell wurde ihr klar: „Die größere gesellschaftliche Relevanz hat die Umweltökonomie.“

Stipendien und Vortragspreis

Innerhalb des Studiums ging Delzeit mit einem DAAD-Stipendium ins Ausland. In Kanada befasste sie sich mit Hangrutschungen und evaluierte die Gefahren für den Olympiastandort Vancouver. Noch heute bereiten ihr die vielen beruflichen Reisen ein schlechtes Gewissen wegen der CO₂-Emissionen. „Ich versuche immer, das woanders zu kompensieren“, sagt die umweltbewusste Frau. „Wenn einem viele Zusammenhänge bewusst sind, denkt man auch privat mehr darüber nach.“ Sie finde aber, jeder müsse für sich entscheiden, wie er zur Nachhaltigkeit beitragen kann.

Während ihrer Diplomarbeit an der Universität Bonn führte ein weiteres DAAD-Stipendium die junge Frau nach Brasilien, wo sie der Frage nachging, welche Nachhaltigkeitskriterien an dortiges Bioethanol gestellt werden müssen, um es nach Deutschland zu exportieren. Damals begann die Debatte um Sinn und Unsinn von Biokraftstoffen gerade erst. „Das war meine erste richtige Forschung und hat mir gezeigt, wie spannend das wissenschaftliche Arbeiten ist“, schildert Delzeit.

Für ihre Doktorarbeit in Agrarökonomie untersuchte sie anschließend die Auswirkungen der deutschen Biogasproduktion aus Mais auf die Landnutzung, wobei sie Transportentfernungen und -emissionen berücksichtigte. Für die Präsentation ihrer Ergebnisse wurde Delzeit 2009 von der Gesellschaft für Wirtschafts- und Sozialwissenschaften des Landbaues e.V. für den besten Vortrag ausgezeichnet.

Komplexe Fragestellungen

Nach einem gemeinsamen Projekt mit dem Kieler IfW wird Delzeit dort eine Stelle angeboten. Im Frühjahr 2010 zieht die Forscherin nach Norddeutschland. Schnell weiten sich jetzt die Fragestellungen: Wie wirkt sich der Klimawandel auf die Landnutzung und Agrarmärkte aus? Gibt es Zielkonflikte zwischen Ernährungssicherung und Biodiversität? „Dabei ging es nicht nur um den Agrarbereich, sondern auch um andere Branchen“, betont die Umweltökonomin. Mit der Mitgliedschaft im wissenschaftlichen Beirat des Bioökonomie-Monitorings des Bundesforschungsministeriums und Aufträgen für die OECD bekommt die Arbeit der Kielerin eine politische Komponente. Auch in ihrer Forschung geht es immer mehr um Modelle, die mögliche Zukunftsszenarien abbilden und damit Handlungsempfehlungen geben. „Wir untersuchen zum Beispiel: Unter welchen möglichen Entwicklungsbedingungen wirken sich Politikmaßnahmen zur Förderung einer Bioökonomie wie aus?“, erläutert die Forscherin. So koordiniert die Forscherin auch das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt "BioNex", in dem es um mögliche Lösungen für Zielkonflikte bei der Biomassenutzung geht.

Inter- und transdisziplinäre Forschung

Delzeit empfindet es als Vorteil, aufgrund ihres Geografiestudiums auf ein breites Wissen in vielen Umweltfragen zurückgreifen zu können. „Die Umweltökonomie ist ein sehr weites Feld. Das setzt voraus, dass wir inter- und transdisziplinär arbeiten.“ Neben Volkswirtschaftlern, Agrarökonomen und Pflanzenforschern, die zum Team gehören, bindet Delzeit über Workshops deshalb weitere Interessengruppen ein – Bundesministerien, NGOs und Wirtschaft –, darunter viele Praktiker. Deren Rückmeldungen sind wichtig, um die Praxistauglichkeit der Ansätze und Ergebnisse zu beurteilen. „Die Interessengruppen helfen uns zu verstehen, was wichtige Trends und Treiber sind, die wir in den Modellen berücksichtigen müssen“, begründet Delzeit. „Dann stellen wir vor, wie wir diese in unser Modell einbinden wollen, und schließlich entwickeln wir das Modell.“

Wichtig ist Delzeit, dass ihre Modelle für die Anwender später keine Blackbox sind. „Für die Szenarien unserer Modelle definieren wir immer sehr transparent, welche Annahmen wir tätigen und warum“, erklärt die 37-Jährige. Änderungen der Annahmen führen zu neuen Szenarien. So kann für eine Vielzahl komplexer Zusammenhänge auf einen Blick sichtbar gemacht werden, welche Auswirkungen es auf Parameter B hat, wenn sich Parameter A verändert. „Wir sagen nicht: So wird es sein. Sondern: Unter dieser Annahme wird es so.“ Es gehe darum, Zusammenhänge zu verstehen und Trends zu erkennen.

Im Forscherinnenalltag merkt Delzeit hin und wieder auch, dass die Forschung immer noch sehr männlich geprägt ist. Für junge Kolleginnen hat sie daher einen Rat: „Nicht verstecken und für sich nachdenken, sondern mit an den Tisch setzen.“

Autor: Björn Lohmann

"Bio-based" sounds like a good thing to most people. However, regarding biofuels this has been the topic of heated discussions for many years now. Environmental economist Ruth Delzeit has been involved in this topic in one way or another since the beginning of her research career - and it has been a transformative experience, especially once she recognized how some politicians and journalists deal with research findings.

"I have always been very interested in the environment," says Delzeit, who now heads the "Environment and Natural Resources" research unit at the Kiel Institute for the World Economy (IfW). Studying geography was therefore an obvious choice. "It gave me a broad overview of many environmental topics," the researcher remembers. At the time, she focused on two topics: soil science and agricultural and environmental economics. She soon realized: "Environmental economics has greater social relevance."

Scholarships and accolades

During her studies, Delzeit went abroad via a German Academic Exchange Service (DAAD)-scholarship. In Canada, she dealt with landslides and evaluated the dangers for the Olympic location Vancouver. Yet, then and now, her many professional journeys induce a guilty conscience because of the CO₂ emissions. "I always try to compensate for this elsewhere," says the environmentally conscious woman. "If you're aware of the many connections, you also think more about them in your private life." However, according to her, everyone should decide for themselves how they can contribute to sustainability.

During her work for her diploma thesis at the University of Bonn, another DAAD scholarship took the young scientist to Brazil, where she investigated the question of which sustainability criteria must be applied to the bioethanol production there in order to be able export it to Germany. At that time, the debate about biofuels had only just begun. "This was my first real research and it showed me how exciting scientific work is," says Delzeit.

As part of her doctoral thesis in agricultural economics, she subsequently examined the effects of German biogas production from maize on land use, taking into account transport distances and emissions. In 2009, Delzeit received an award for the best presentation of results from the Gesellschaft für Wirtschafts- und Sozialwissenschaften des Landbaues e.V.

Complex questions

After a joint project with the Kiel IfW, Delzeit was offered a position there. And in the spring of 2010, the researcher moved to Northern Germany. Here the questions and research topics expanded quickly: How does climate change affect land use and agricultural markets? Are there conflicting goals between food security and biodiversity? "It was not just about agriculture, but also about other sectors," emphasises the environmental economist. With her membership on the scientific advisory board of the Federal Ministry of Research's (BMBF's) Bioeconomic Monitoring and additional commissions for the OECD, the work of the Kiel-based researcher also gained a political component. Her research is also increasingly concerned with models that depict possible future scenarios and thus provide recommendations for action. "We are investigating, for example, what developmental conditions we need for policy measures that promote the bioeconomy to take effect," Delzeit explains. The researcher also coordinates the "BioNex" project, funded by the Federal Ministry of Education and Research, which deals with possible solutions for conflicting objectives in the use of biomass.

Inter- and transdisciplinary research

Delzeit considers it an advantage to have access to a broad knowledge base regarding many environmental issues due to her studies in geography. "The environmental economy is a very broad field. This requires that we work inter- and transdisciplinarily." In addition to economists, agricultural economists and plant researchers, who already belong to her team, Delzeit uses workshops to also include other interest groups and stake holders, such as federal ministries, NGOs and industry representatives. Their feedback is important in order to assess the practicability of the approaches and results. "The interest groups help us to understand what are important trends and drivers that we have to take into account for the models," Delzeit explains. "Then we explain how we want to integrate them into our model and finally, we develop the model."

It is important to Delzeit that their models are not black boxes for the users later on. "For the scenarios of our models, we always define very transparently which assumptions we make and why," explains the 37-year-old. Changes in assumptions lead to new scenarios. "This allows us to see at a glance the effects on parameter B of changing parameter A for a large number of complex correlations. We don't say: That's how it will be. But: If we assume this, that will happen." It is about understanding relationships and recognizing trends.

Regarding the everyday life of female researchers, Delzeit occasionally notices that research can still be very male-dominated. For young female colleagues, she therefore has an advice: "Don't hide and think for yourself, but sit at the table with others."

Author: Björn Lohmann/ Judith Reichel

Kohlendioxid (CO₂) ist weithin als schädliches Klimagas bekannt. Experten rechnen damit, dass der Klimawandel die CO₂-Konzentration in der Luft in den kommenden Jahrzehnten noch weiter antreiben wird. Die Auswirkungen des CO₂-Anstiegs für die Landwirtschaft sind derzeit aber noch nicht absehbar. Gleichzeitig ist Kohlendioxid auch ein wichtiger Nährstoff für Pflanzen. Forscher vom Johann Heinrich von Thünen-Institut in Braunschweig zeigen nun, wie Landwirte sich diese höheren CO₂-Konzentrationen für den Pflanzenanbau zunutze machen können.

CO₂-Belastung auf Weizenfeld künstlich erhöht

Im Rahmen eines komplexen Feldversuches hat ein Team um den Braunschweiger Agrarwissenschaftler Remy Manderscheid über eine gesamte Vegetationsperiode die CO₂-Konzentration in Teilen eines Winterweizenfeldes künstlich auf rund 600 ppm erhöht. Dieser Wert wird nach Einschätzung des Weltklimarates in 50 bis 100 Jahren erwartet und wäre etwa 200 ppm mehr als heute.

Erhöhte CO₂-Werte können die Photosynthese und damit das Pflanzenwachstum ankurbeln und zu einer Ertragssteigerung führen. Zudem verringert ein Mehr an CO₂ die Transpiration, also die Wasserabgabe durch die Blätter. Theoretisch könnten damit Pflanzen regenarme Sommer wie in diesem Jahr besser überstehen. Praktisch hängt der Wasserverbrauch einer Pflanze aber auch von der Gesamtblattfläche und insbesondere von der Wasserabgabe aus dem Oberboden, der sogenannten Evaporation, ab.

Hohe Düngung und dichter Pflanzenwuchs steuern Wasserverbrauch

Im Rahmen der Studie untersuchten die Braunschweiger Wissenschaftler daher das komplexe Zusammenspiel von CO₂-Erhöhung, Transpiration der Pflanzen und der Boden-Evaporation. Dabei konnten sie beobachten, dass eine niedrige Stickstoffdüngung mit lückenhaftem Pflanzenbewuchs keine Wasserersparnis über die Saison brachte. Ganz anders sah das bei hoher Stickstoffdüngung und dichtem Pflanzenwuchs aus. Wie Forscher im Fachjournal „Agricultural Water Management“ berichten, lag die Ersparnis hier bei bis zu 15%.

Der Grund: Die Verdunstung des Wassers im Oberboden war geringer durch das dichte Blätterdach. Konkret betrug der Anteil der Evaporation am Wasserverbrauch des Weizenbestandes von April bis Juli etwa 10%. Bei lückigen Beständen mit geringer Bodenabschattung war der Wasserverbrauch mit 40% bis 50% um ein Vielfaches höher. Fazit: Bei einer CO₂-Erhöhung entscheidet die Düngung bzw. die Dichte des Bestandes darüber, ob das durch die geringere Transpiration eingesparte Wasser durch eine stärkere Bodenevaporation „vergeudet“ wird oder im Boden verbleibt und der Pflanze so in späteren regenarmen Phasen zur Verfügung steht.

Mulchsaat begünstigt positiven CO₂-Effekt

„Nach unseren Ergebnissen erscheint es wenig sinnvoll, die Düngung und damit die Bestandsdichte zu verringern, um so den Wasserverbrauch zu reduzieren und die Landwirtschaft an trockenere Bedingungen anzupassen. Auch wenn das derzeit in regenarmen südlichen Regionen so praktiziert wird. Denn in dichten, gut beschatteten Beständen ist die Wassernutzungseffizienz am größten und der positive CO₂-Effekt kann voll wirksam werden“, sagt Remy Manderscheid. Den Boden mit Mulch zu bedecken, ist eine weitere, vielversprechende Methode, um die Boden-Evaporation geringzuhalten.

Holz ist von jeher ein beliebtes Baumaterial. Auf der Suche nach nachhaltigen Materialien gewinnt der natürliche Rohstoff für die Branche weiter an Bedeutung. Mit Hilfe einer neuen Software, die ein Team um Christopher Robeller von der Technischen Universität Kaisersläutern entwickelt hat, könnte das Bauen mit Holz nun noch schneller und nachhaltiger werden.

Computer berechnet Größe und Anzahl der Holzbauteile

„Unser Computerprogramm berechnet zunächst, aus wie vielen Einzelteilen unsere Konstruktion idealerweise bestehen soll. Auch ermittelt es, welche Formen diese am besten haben sollen und in welcher Art und Weise sie zusammengesetzt werden müssen“, erklärt Robeller. Dabei berücksichtigt das Programm verschiedene Faktoren wie etwa Statik, Geometrie und Fügung, die letztlich für die Stabilität eines Bauwerkes entscheidend sind.

Komplexe Gebäudeteile wie ein Puzzle zusammensetzen

Eine Fräsmaschine fertigt schließlich alle Teile nach den Vorgaben des Programmes an, auch die kleinen Verbindungsstücke. Diese Verbindungsteile besitzen immer dieselbe Form und werden in die größeren Holzteile eingefügt, um diese stabil zu verbinden. Mehr als Klebstoff und Hammer sind nicht nötig, um die Holzkonstruktion fertigzustellen. Mithilfe dieses Programms könnten demnach auch komplexe Gebäudeteile aus Holz ähnlich wie bei einem Puzzle aus Einzelteilen zusammengesetzt werden.

Erste Kuppel aus Holz gebaut

Wie schnell und nachhaltig das Bauen mithilfe der Software ist, konnten die Forscher aus Kaiserslautern erst kürzlich beweisen. In nur wenigen Stunden hatte das Team aus insgesamt 58 Bauteilen eine Kuppel aus Holz mit einem Durchmesser von vier Metern zusammengesteckt. Ein solches Gewölbe aus Holz zu bauen war bisher nicht möglich. Robeller und sein Team sind überzeugt, dass sich mit dieser Technik Kuppeldächer mit einem Durchmesser von 30 Metern realisieren lassen. Eine entsprechende App könnte Bauunternehmern bei Planung und Fertigung viel Zeit ersparen und die Nutzung des nachhaltigen Rohstoffs Holz noch attraktiver machen. 

Die aus den Anden stammende Quinoa-Pflanze hat es als „Superfood“ in die Regale vieler Supermärkte geschafft. Die getreideähnliche Pflanze wird vor allem als vitamin- und mineralhaltige Kost geschätzt. Pflanzenforscher begeistert hingegen insbesondere die Robustheit der uralten Nutzpflanze, denn sie wächst selbst auf sehr salzhaltigen Böden. Forscher der Universität Würzburg haben es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, das Geheimnis der Salztoleranz von Quinoa zu lüften, um das Wissen für die Züchtung neuer salztoleranter Pflanzen zu nutzen. Im Fachjournal „Current Biology“ stellen die Wissenschaftler nun ihre Ergebnisse vor.

Blasenhaare als Salzspeicher

Demnach bildet Quinoa auf den Blättern Blasenhaare aus, in die die Salzionen verfrachtet werden. Den Forschern zufolge verhindern diese Salzlager auf der äußeren Zellschicht der Blätter, dass sich im Blatt eine zu hohe, toxische Natriumchlorid-Konzentration – also zu viel Salz – anreichert.

Transportproteine helfen beim Salztransfer in externes Lager

Die Natrium- und Chloridionen gelangen von der Wurzel über Spross und Blätter in die Blasenhaare, wobei sie auf diesem Weg diverse Membranbarrieren überwinden müssen. Dabei werden die Ionen von Transportproteinen unterstützt, die auf Natrium- und Chloridionen spezialisiert sind. Das Besondere: Diese Transportproteine müssen bei Quinoa nicht extra gebildet werden, wie es bei nicht-salztoleranten Pflanzen üblich ist. Sie sind bereits vorhanden. „Diese Strategie ermöglicht es Quinoa, das plötzlich auftretende Salz ohne weitere genregulatorische Schritte direkt zur Einlagerungsstätte transportieren zu können“, sagt Rainer Hedrich von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Gemeinsam mit Forschern aus Italien, Australien, China und Saudi Arabien hat er entschlüsselt, wie die Blasenzellen als Salzspeicher arbeiten.

Ob Spülmittel oder Allzweckreiniger: Viele Putzmittel bestehen noch immer aus erdölbasierten Stoffen, die der Umwelt schaden. Doch die Nachfrage nach ökologischen Reinigungsmitteln steigt. Nicht nur Verbraucher kaufen zunehmend nachhaltige Produkte. Auch in der Industrie ist ein Wandel absehbar. Im Forschungsprojekt „ÖkoMoBiL“ wollen Partner aus Forschung und Wirtschaft daher ein ökologisches Reinigungssystem für den industriellen Einsatz entwickeln. Das Vorhaben, das soeben eine neue Förderzusage erhalten hat, wird im Rahmen des Kooperationsnetzwerkes biohymed vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt.

Reinigungsmittel auf Molkebasis für Einsatz in der Medizintechnik

Im Fokus der Entwicklung stehen Reinigungsmittel auf Basis von Molke und anderen nachwachsenden Rohstoffen, die über waschaktive Substanzen verfügen und daher als ökologischer Industriereiniger eingesetzt werden können. Das ÖkoMoBiL-Team will darüber hinaus durch die Optimierung automatisierter Waschanlagen in Verbindung mit dem Öko-Reiniger auch ein neues Reinigungsverfahren etablieren, das den Einsatz in der Medizintechnik ermöglicht. Hier geht es vor allem um die Reinigung von wiederverwertbaren Kunststoffbehältern, sogenannten Kleinladungsträgern, deren Einsatz in der Medizin an eine besonders wirtschaftlich effektive und qualitativ hochwertige Säuberung gebunden ist. Mithilfe eines automatisierten Analyseverfahrens soll hier der Verschmutzungsgrad und damit die Effektivität dieser Reinigungsmethode objektiv bewertet werden.

Spannende Synergieeffekte erwartet

Die BioRegio STERN Management GmbH leitet als Wirtschaftsentwickler für die Life Sciences das ZIM-Kooperationsnetzwerk. „ÖkoMoBiL ist unser neuestes Projekt, in dem sicherlich spannende Synergieeffekte aus der Verbindung von Logistik, Chemie und Medizintechnik gewonnen werden“, erklärt Projektleiterin Verena Grimm.

An dem Projekt sind das Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut (NMI) an der Universität Tübingen, die Scheerer Logistik GmbH & Co. KG aus Villingen-Schwenningen und die Remsgold Chemie GmbH & Co. KG aus Winterbach in der Region Stuttgart beteiligt. Als Hygienespezialist ist die Remsgold Chemie GmbH für die Entwicklung der Reinigungsrezeptur verantwortlich, während die Anwendung des Reinigungssystems in den automatisierten Waschanlagen der Scheerer Logistik erfolgt und das NMI den gesamten Reinigungsprozess mittels analytischer Verfahren prüft und überwacht.

Das internationale Projekt zu Wirbeltiergenomen „Vertebrate Genomes Project" (VGP) hat 15 neue Referenzgenome veröffentlicht. Zwei davon, das Genom der Hufeisennasen-Fledermaus und das des Buntbarsches, wurden am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden entziffert.

Genome von 66.000 Wirbeltierarten

Ziel des VGP ist es, qualitativ hochwertige, nahezu fehlerfreie und vollständige Genome aller 66.000 Wirbeltierarten der Erde aus allen fünf Klassen von Wirbeltieren (Säugetiere, Vögel, Reptilien, Amphibien und Fische) zu erstellen. Daran arbeiten momentan drei internationale Forscherteams in den USA, Großbritannien und in Dresden. Die VGP-Genome sollen in Zukunft zu den wichtigsten Referenzquellen für diese Spezies werden und sind in einer öffentlich zugänglichen, digitalen Bibliothek für Genome, der „Genom-Arche", gespeichert.

Dresdner Forscher ermöglichen genaue Zuordnung

Die Dresdner Molekuarbiologen sowie die Bioinformatiker am Zentrum für Systembiologie Dresden (CSBD) sequenzierten in der ersten Phase des VGP-Projekts vor allem Fledermäuse und Fische. Als Mitglied des DRESDEN-concept Genome Center (DCGC) konnte das Team seine Erfahrungen zu verschiedenen „Long-read“-Sequenzierungstechnologien einbringen. Längere Sequenzstücke sind wichtig, da diese die sich wiederholenden Teile im Genom überspannen können und damit eine eindeutige Zuordnung erlauben. Das Dresdner Sequenzierungszentrum unter der Leitung von Eugene Myers entzifferte so zwei wichtige Genome: das der Großen Hufeisennase und das des Buntbarsches.

Diese und 13 weitere Mitte September vorgestellten Genome sind die bisher vollständigsten ihrer Spezies. Darunter sind auch jene von stark gefährdeten Arten wie dem Schnabeltier und dem Kakapo, einer Papageienart. In Dresden werden in Zukunft etwa 10% bis 20% der VGP-Arten sequenziert.

ml/jmr

Algen werden wegen ihrer hochwertigen Inhaltsstoffe und ihres schnellen Wachstums längst als gesunde und nachhaltige Nahrungs- und Futtermittel geschätzt. Darüber hinaus werden sie zur Abwasserreinigung genutzt sowie als Quelle für neue medizinische Wirkstoffe und biobasierte Chemikalien. Mit der Entschlüsselung des Genoms der marinen Großalge „Ulva“ liefert ein internationales Forscherteam nun die Grundlage, um das vielfältige Potenzial des sogenannten Meersalates weiter auszuschöpfen.

Neue Einblicke in Entwicklung und Wachstum der Alge

An der Sequenzierung des Algen-Erbgutes waren auch Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena beteiligt. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Current Biology“ berichten, besteht das Ulva-Genom aus 98 Millionen Basenpaaren und 12.900 Genen. „Das entschlüsselte Genom des Meersalats ermöglicht uns neue Einblicke in entwicklungsbiologische Vorgänge und fördert unser Verständnis über Wachstum und Vermehrung der Alge. Gerade jetzt, da wir in Europa zunehmend Algen anbauen, ist es von großer wirtschaftlicher Bedeutung zu wissen, wie sie wachsen und sich vermehren“, sagt Thomas Wichard, einer der Co-Autoren der Studie.

Zusammenspiel von Algen und Bakterien im Blick

Der Jenaer Chemiker erforscht seit Jahren das Zusammenspiel der Alge mit Bakterien, die für deren Entwicklung und Wachstum essenziell sind. „Ohne die richtigen Bakterien in der Nähe der Alge, entwickelt sich der Meersalat nur zu einem unvollständigen Zellhaufen“, sagt Wichard. Mit dem entschlüsselten Genom der marinen Großalge besitzen die Jenaer Forscher nun ein Handbuch, das ihnen helfen kann, die Ursachen biogeochemischer Zyklen an den Küsten zu erforschen, an denen Ulva durch die Produktion schwefelhaltiger Substanzen einen wesentlichen Anteil haben könnte.

Die Arbeit der Forschergruppe um Wichard wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs ChemBioSys seit Jahren unterstützt. Im Juli begann nun die zweite Förderperiode. Darin wollen die Forscher untersuchen, wie die Kommunikation zwischen den Organismen funktioniert.

Anders als Tiere können Pflanzen bei Kälte oder Wassermangel nicht einfach einen angenehmeren Ort aufsuchen. Sie müssen sich an die Gegebenheiten vor Ort anpassen. Pflanzengenetikern an der Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg ist es nun gelungen, einen solchen Anpassungsmechanismus aufzudecken. Wie die Forscher im Fachmagazin „eLife“ berichten, verstärkt das Protein SERRATE das Ablesen und damit die Aktivierung bestimmter Gene unter Stress.

DNA durchzogen von Introns

Die genetische Information der DNA liegt nicht wie in einem Buch als durchgängiger Text vor. Es sind eher Bruchstücke der Gene, die von sogenannten Introns unterbrochen werden. Wird ein Gen abgelesen, müssen die einzelnen Introns aufwendig ausgeschnitten werden, denn diese enthalten keine Information für den Bau eines Proteins. Allerdings regeln sie unter anderem, in welcher Menge das Protein hergestellt wird. Wissenschaftler vermuten, dass Introns mehr Variationen in den entstehenden Proteinen haben und damit einen evolutionären Vorteil ermöglichen.

Gene ohne Introns werden schneller abgelesen

Trotzdem enthalten rund 20% der pflanzlichen Gene keine Introns. „Unsere Analysen und die Ergebnisse weiterer Studien zeigen aber, dass die Gene ohne Introns schneller reagieren, wenn Pflanzen Stresssituationen ausgesetzt sind“, erläutert der Oldenburger Pflanzengenetiker Sascha Laubinger. Ein möglicher Grund: Die Gene können ohne das Herausschneiden der Introns schneller abgelesen und so die jeweiligen Proteine schneller hergestellt werden. Unter Laubingers Leitung haben die Wissenschaftler nun diesen Mechanismus anhand molekulargenetischer Experimente an der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) genauer untersucht.

SERRATE steuert Translation

Das Ergebnis: Das Protein SERRATE reguliert, welche Gene wann und wie schnell abgelesen werden. Bisher war nur bekannt, dass dieses Molekül eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Ackerschmalwand spielt. Jetzt zeigt sich: „SERRATE bindet vor allem an die Gene, die keine Introns haben und auf Stress reagieren. Dabei verstärkt das Protein das Ablesen dieser Gene unter Stress“, sagt Laubinger. Dem Forscher zufolge kann die Pflanze damit sowohl schnell als auch wirkungsvoll auf geänderte Umweltbedingungen reagieren.

Brücken bauen mit Bioökonomie-Strategie

Bundesforschungsministerin Karliczek sagte zu der neuen Gesamtstrategie: "Mit der neuen Bioökonomie-Strategie wollen wir eine Brücke zwischen Technologie, Ökologie und effizientem Wirtschaften schlagen. In den Lebenswissenschaften konnten durch Forschung bisher enorme Fortschritte erzielt werden. Wenn wir diese mit der Digitalisierung und weiteren Technologien wie der Nanotechnologie kombinieren, erhalten wir neues Wissen und neue Werkzeuge. Die Bioökonomie bietet so den Schlüssel zur nachhaltigen Nutzung und Wiederverwertung von Ressourcen."

Bundeslandwirtschaftsministerin Klöckner fügte hinzu: "Klima- und Ressourcenschutz, Ernährungssicherung und die Sicherung des Wirtschaftsstandortes Deutschland, das sind die vorrangigen Ziele, die ich mit einer Stärkung der Bioökonomie erreichen möchte. Die Bündelung der Politik der Bundesregierung in einer Gesamtstrategie dient dazu, die Maßnahmen der einzelnen Ressorts noch stärker miteinander zu verzahnen, wissenschaftsbasierte Grundlagen zu verfestigen und Nachhaltigkeit konkret und konsequent zu verfolgen."

Internationale Kooperationen verhelfen Bioökonomie zum Erfolg

Kernthemen der Gesamtstrategie zur Bioökonomie sind die nachhaltige Ausgestaltung der land- und forstwirtschaftlichen Produktion und die Entwicklung innovativer biobasierter Alternativen zu bestehenden Produkten und Prozessen. Außerdem werden auch länderübergreifende Kooperationen im Fokus der gemeinsamen Aktivitäten stehen. Denn die Ausgestaltung einer nachhaltigen Bioökonomie kann insbesondere angesichts globaler Märkte und Handelsbeziehungen nur im internationalen Kontext funktionieren. Die Bundesministerinnen kündigten an, die Gesamtstrategie im nächsten Jahr vorzulegen.

Zur Pressemitteilung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)

Stahlbeton hat eine lange Lebensdauer. Dass diese dennoch endlich ist, davon zeugen bundesweit viele Baustellen, auf denen derzeit marode Brücken saniert werden. Mit den Jahren dringt Feuchtigkeit in den Beton ein und die Stahlbestandteile korrodieren - von außen oftmals kaum zu erkennen. Die Materialforschung hat daher schon länger Textilbeton als Alternative entdeckt. Er weist die gleichen statischen Eigenschaften auf wie Stahlbeton, ist aber deutlich länger haltbar. Forschern des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung (Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI) in Braunschweig ist es nun gelungen, dieses Ziel mit Textilfasern aus nachwachsenden Rohstoffen zu erreichen und so die Klimabilanz des Werkstoffs zu verbessern.

Nicht mal halb so dick wie Stahlbeton

Bislang wird Textilbeton meist mit Glasfaser-, Carbon- oder Kunststoffgeweben hergestellt. Diese Fasernetze ermöglichen es, dem Beton individuelle Geometrien bei gleichzeitig niedrigerem Gewicht zu verleihen. Die Fraunhofer-Forscher setzen nun auf Flachs als Textilfaser. „Eine Stahlbetonbrücke mit einer Spannweite von 15 Metern wäre etwa 35 bis 40 Zentimeter dick, das Pendant aus Flachs hingegen würde mit zwölf bis 16 Zentimeter deutlich flacher ausfallen“, veranschaulicht WKI-Experte Jan Binde die statischen Eigenschaften – und die mögliche Materialersparnis.

Mit Flachs nutzen die Forscher nicht nur einen erneuerbaren Rohstoff, sondern auch einen mit kurzen Transportwegen. Beides verbessert die CO₂-Bilanz des resultierenden Betons. Abhängig von den jeweiligen Anforderungen an den Werkstoff können einzelne Stränge aus Polymerfasern das Gewebe ergänzen und zusätzliche Eigenschaften vermitteln. „Der Textilbeton aus Flachs ist höherwertiger als der in Stahlbetonbrücken verbaute Beton“, betont Binde.

Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten

Um die Flachsfasern entsprechend verarbeiten zu können, verwenden die WKI-Forscher eine europaweit einzigartige Doppelgreifer-Webmaschine mit einem sogenannten Jacquard-Aufsatz für komplexe Webmuster. Natürliche Harze schützen das gewebte Textil, das lagenweise in den Beton eingebracht wird. Zum Einsatz kommt hierbei ein Hochleistungsbeton, dessen besondere Dichtheit die Fasern zusätzlich von Umwelteinflüssen abschottet. „Die Matrix, also das Gefüge, ist so dicht, dass schädliche Substanzen nicht in den Baukörper eindringen können. Somit ergibt sich eine deutlich höhere Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten“, zieht Binde den Vergleich zum Stahlbeton. In Tests hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Tragfähigkeit hat der Verbundstoff sehr gut abgeschnitten.

Vielseitige Formen möglich

Weil der Beton auf das zuvor in Form gebrachte Textilgewebe gegossen wird, können die Werkstoffexperten daraus problemlos Kuppeln oder gerundete Elemente erzeugen. „Die Naturfaser verzahnt sich sehr gut mit dem Baustoff, was auch daran liegt, dass wir steuern können, wie sich das Gewebe im Beton verankert“, erläutert Binde.

Eine bauaufsichtliche Zulassung des Flachsbetons steht zwar noch aus. Auf der Messe BAU im Januar 2019 in München wird aber bereits ein Prototyp einer Brücke aus dem neuen Material zu sehen sein.

Nachhaltigkeit ist ein aktuelles und großes Thema für Industrie und Wirtschaft. Das Werkzeug für eine nachhaltigere Wirtschaft liefert die sogenannte grüne Chemie. Hier wird beispielsweise die Aktivität von Enzymen so modifiziert, dass sie in biotechnologischen Anlagen zur Vergärung von Reststoffen oder zur Produktion biobasierter Materialien eingesetzt werden können. Für den zugrunde liegenden Mechanismus für die zielgerichtete Modifikationen der Enzymaktivität wurden die Enzymforscherin Frances H. Arnold und die Molekularbiologen George P. Smith und Sir Gregory P. Winter kürzlich mit dem Chemie-Nobelpreis 2018 ausgezeichnet.

TU Berlin plant Vorgründungszentrum

Ganz im Sinne der grünen Chemie und einer nachhaltigen Wirtschaft plant die Technische Universität Berlin ein Vorgründungszentrum, die sogenannte Chemical Invention Factory – John Warner Center for start-ups in green chemistry (CIF). Das CIF wird Ausgründungen rund um das Thema grüne Chemie eine professionelle Labor-Infrastruktur zur Verfügung stellen, außerdem unterstützt die Universität durch Beratung mit internen und externen Experten.

Nobel- und Turingpreisträger im Beirat

Im Rahmen der Feierlichkeiten zum 50jährigen Jubiläum der Nachhaltigkeitsorganisation Club of Rome, kamen am 02.10. erstmals alle Mitglieder des CIF-Beirates im Lichthof der Technischen Universität Berlin zusammen. Der Beirat ist mit Mitgliedern aus Wissenschaft und Industrie hochkarätig besetzt, darunter Chemienobelpreisträger Ben Feringa, Namensgeber des CIF, John Warner, Turing-Preisträger Vinton Cerf sowie Sonja Jost, Gründerin der DexLeChem GmbH, selbst eine Ausgründung der TU Berlin.

Berlin bietet perfekte Bedingungen

Zu Beginn der Veranstaltung überreichte Steffen Krach, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung des Landes Berlin, gemeinsam mit dem Präsidenten der TU Berlin, Christian Thomsen, den frisch gekürten Beiratsmitgliedern eine Urkunde als Anerkennung ihrer Mitgliedschaft. Krach betonte das gute Timing der Veranstalter, wurde doch erst wenige Tage zuvor die Vergabe der Exzellenzcluster mit Bezug zur Bioökonomie, unter anderem auch an die TU Berlin, bekanntgegeben. „Wir haben nicht nur den perfekten Zeitpunkt zur Gründung der Chemical Invention Factory gewählt, sondern mit Berlin und seiner lebendigen Start-up-Szene auch den perfekten Ort“, so Krach.

Anschließend hielten Vizepräsident des Club of Rome Anders Wijkman und Namensgeber des CIF, John Warner vor etwa 150 Teilnehmern elektrisierende Vorträge zur Dringlichkeit einer neuen, nachhaltigen Industrie sowie den nahezu unbegrenzten Möglichkeiten, die die grüne Chemie bietet.

Schluss mit Einwegprodukten

Wijkman stellte in seinem Vortrag Thesen aus seinem neuen Buch „Come on!“ vor. Das Buch, in der deutschen Fassung „Wir sind dran“ betitelt, hat Wijkman zusammen mit Ernst Ulrich von Weizsäcker, ebenfalls Vizepräsident des Club of Rome, verfasst. Die Kernaussage: Industrie und Wirtschaft arbeiten noch immer viel zu sehr mit relativ kurzlebigen Einwegprodukten. Um die Ressourcen trotz wachsender Weltbevölkerung zu schonen, bedarf es einer Kreislaufwirtschaft. „Die UN-Nachhaltigkeitsziele sind ein guter Ansatz auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wirtschaft. Aber es kann nur funktionieren, wenn alle Ziele als Gesamtpaket angegangen werden“, so Wijkman.

Neue Lösungen durch neue Blickwinkel

John Warner wurde bereits im September 2017 von der Bundeswirtschafts- und Energieministerin Brigitte Zypries, Staatssekretär Steffen Krach sowie TU Berlin-Chemieprofessor Matthias Driess mit der symbolischen Übergabe eines Schlüssels zum Namensgeber der CIF gekürt.

Schon zehn Jahre zuvor gründete Warner zusammen mit Jim Babcock das „Warner-Babcock Institut für grüne Chemie“, das seit dem etliche (patentierte) Innovationen für eine nachhaltigere Wirtschaft hervorgebracht hat. Außerdem hatte Warner die zwölf Prinzipien für eine nachhaltigere Chemie entwickelt. Besonders wichtig ist ihm jedoch die Ausbildung und das Training der Studenten: „Studenten sind die Inkubatoren und Entwickler von morgen. Wir müssen ihnen die richtigen Techniken an die Hand geben!“ Dazu gehöre auch, so Warner weiter, die Studenten zu ermutigen, neue Blickwinkel und Lösungsansätze auszuprobieren.

Mutter Natur als Vorbild

Bei der anschließenden Podiumsdiskussion betonte Nobelpreisträger Ben Feringa, dass in der Natur eigentlich alle Vorraussetzungen für neue, nachhaltige Lösungen vorhanden seien. Das Reinheitsprinzip der modernen Chemie sei überholt, stimmte auch Peter Schuhmacher von der BASF zu: „In der Natur liegen alle Substanzen in Mischungen vor, kaum etwas existiert in Reinheit!" Die Studenten müssten nun angesichts dieser Erkenntnisse lernen, in neuen Bahnen zu denken, um so die Lösungen von morgen zu erarbeiten, schloss TU-Präsident Thomsen die Veranstaltung ab.

jmr