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Computer-aided modelling and simulation of processes is standard in many places today. Such computer models are rarely used in biotechnology. Sonja Berensmeier wants to change that. The Munich biotechnologist is focusing on peptides, the multi-talented biomolecules. As part of the initiative "Next Generation of Biotechnological Processes - Biotechnology 2020+", she is investigating the biomolecules and their interactions with different materials. Using computer models, the researcher aims to functionalise peptides and tailor them for technical applications.

Fäden aus Spinnenseide sind bisher das belastbarste Biomaterial der Welt. Es ist nicht nur stärker als Stahl, sondern besitzt gleichfalls antibakterielle Eigenschaften, was sie für medizinische Anwendungen wie Brustimplantatbeschichtungen interessant macht. Nun haben Forscher ein biologisch abbaubares Material entwickelt, das sogar noch stärker als Spinnenseide ist. Bei dem ultrastarken Biofaden handelt es sich um Nanofasern aus Cellulose - einem Hauptbestandteil von Holz und anderen Pflanzen.

Steifer und zugfester als Spinnenseidefäden

Die nunmehr stärkste Biofaser der Welt wurde unter Leitung schwedischer Forscher von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm an der Röntgenlichtquelle PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY gemeinsam mit dem schwedischen Forschungsinstitut RISE Bioeconomy, der Stanford-Universität und der Universität von Michigan hergestellt. „Die von uns hergestellten biobasierten Nanocellulosefäden sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilfäden aus natürlicher Spinnenseide. Es ist auch stärker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien“, betont Söderberg. Der Stockholmer Wissenschaftler ist überzeugt, dass es ein vergleichbares biobasiertes Material nicht gibt. Wie das Team um Söderburg im Fachjournal „ACS Nano“ berichtet, besitzt die Cellulose-Nanofaser eine Biegesteifigkeit von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal.

Leichte Kunststoffalternative für Medizin und Bauteile

Ähnlich wie Spinnenseidefäden haben die künstlich hergestellten Holzfasern auch das Potenzial in der Medizin eingesetzt zu werden, da Cellulose vom Körper nicht abgestoßen wird. Die Faser ist zudem sehr leicht und deshalb eine umweltfreundliche Kunststoffalternative zur Herstellung von Auto- und Flugzeugteilen oder Möbeln. „Aus dem neuen Material lassen sich im Prinzip biologisch abbaubare Bauteile entwickeln“, ergänzt Stephan Roth, DESY-Wissenschaftler und Leiter der dortigen Mikro- und Nanofokus-Messstation P03, an der die ultrastarken Fäden gesponnen wurden.

Herkömmliche Cellulose-Nanofasern wurden dabei in Wasser durch einen dünnen, nur einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock geschickt, wo über zwei seitliche Zuflüsse, entionisertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einflossen. Dadurch wurde der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt. Diese sogenannte hydrodynamische Fokussierung sorgte dafür, dass sich die Nanofasern ausrichteten und sich selbstständig, ganz ohne Klebstoff und andere Zutaten, zu einem Faden zusammenlegten.

Ultrastarke Fasern dank Röntgenlicht

Mithilfe von DESY`s Röntgenlichtquelle konnten die Forscher die Herstellung der Fasern beobachten und optimieren. So gelang es ihnen, vor allem die besonderen mechanischen Eigenschaften der Nanofasern auf ein makroskopisches Material zu übertragen und das Verfahren alltagstauglich zu machen. „Das Röntgenlicht erlaubt uns, die detaillierte Struktur des Fadens zu analysieren, während er entsteht. Das schließt sowohl die Materialstruktur ein als auch die hierarchische Ordnung in den superstarken Fasern“, erläutert Roth. Dem Forscher zufolge konnten so Fäden von bis zu 15 Mikrometern Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt werden.

Nanofasern bereit für Makroanforderungen

Die neue Methode ahmt dabei die Fähigkeit der Natur nach, Cellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren, wie es bei Holz der Fall ist. Die Forscher haben damit den Weg bereitet, Nanomaterialien künftig auch für die Herstellung größerer Werkstücke zu nutzen, ohne dass Zugfestigkeit und mechanische Belastbarkeit der Nanofasern leiden.

At DESY's X-ray light source PETRA III in Hamburg, a team led by Swedish researchers has produced the strongest bio-material that has ever been made. The artifical, but bio-degradable cellulose fibres are stronger than steel and even dragline spider silk, which had been considered the strongest bio-based material thus far. The team headed by Daniel Söderberg from the KTH Royal Institute of Technology in Stockholm reports the work in the journal ACS Nano of the American Chemical Society.

New production method transfers unique properties

The ultrastrong material is made of cellulose nanofibres (CNF), the essential building blocks of wood and other plant life. Using a novel production method, the researchers have successfully transferred the unique mechanical properties of these nanofibres to a macroscopic, lightweight material that could be used as an eco-friendly alternative for plastic in airplanes, cars, furniture and other products. “Our new material even has potential for biomedicine since cellulose is not rejected by your body”, explains Söderberg.

Aligning fibres via hydrodynamic focussing

The scientists started with commercially available cellulose nanofibres that are just two to five nanometres in diameter and up to 700 nanometres long. The nanofibres were suspended in water and fed into a small channel, just one millimetre wide and milled in steel. Through two pairs of perpendicular inflows additional deionized water and water with a low pH-value entered the channel from the sides, squeezing the stream of nanofibres together and accelerating it. This process, called hydrodynamic focussing, helped to align the nanofibres in the right direction as well as their self-organisation into a well-packed macroscopic thread. No glue or any other component is needed, the nanofibres assemble into a tight thread held together by supramolecular forces between the nanofibres.

Threads are up to several metres long

With the bright X-rays from PETRA III the scientists could follow and optimise the process. “The X-rays allow us to analyse the detailed structure of the thread as it forms as well as the material structure and hierarchical order in the super strong fibres,” explains co-author Stephan Roth from DESY, head of the Micro- and Nanofocus X-ray Scattering Beamline P03 where the threads were spun. “We made threads up to 15 micrometres thick and several metres in length.”

New bio-degradable components possible

Measurements showed a tensile stiffness of 86 gigapascals (GPa) for the material and a tensile strength of 1.57 GPa. “The bio-based nanocellulose fibres fabricated here are 8 times stiffer and have strengths higher than natural dragline spider silk fibres,” says Söderberg. “If you are looking for a bio-based material, there is nothing quite like it. And it is also stronger than steel and any other metal or alloy as well as glass fibres and most other synthetic materials.” The artificial cellulose fibres can be woven into a fabric to create materials for various applications. The researchers estimate that the production costs of the new material can compete with those of strong synthetic fabrics. “The new material can in principle be used to create bio-degradable components,” adds Roth.

jmr

Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze oder Hefen sind die Leistungsträger bei der biotechnologischen Herstellung von Chemikalien, Aromastoffen oder Medikamenten. Dennoch decken sie nur einen geringen Teil der bekannten Mikroorganismen ab. Die mikrobiellen Helfer werden in der Industrie derzeit aber fast ausschließlich in Reinkultur verwendet, was deren Einsatzmöglichkeiten begrenzt. Forscher in Deutschland wollen daher das Potenzial von mikrobiellen Mischkulturen für die Biotechnologie näher erforschen. Die Entwicklung eines entsprechender Verfahren steht daher im Fokus des neuen Schwerpunktprogramms „InterZell“, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ab 2019 eingerichtet wird. Koordinator des überregionalen Forschungsverbunds ist Ralf Takors vom Institut für Bioverfahrenstechnik der Universität Stuttgart.

Enormes Potenzial für neue Produkte

Die heutigen Methoden der Synthetischen Biologie bieten nach Ansicht der Stuttgarter Forscher neue Möglichkeiten, ganze biologische Konsortien so zu konstruieren, dass diese nur als Mischkultur die Herstellung eines Zielproduktes optimal übernehmen können. Um neue Bioprozesse dafür zu entwickeln, wollen die Forscher zunächst verstehen, wie das Wechselspiel zwischen den produzierenden Zellen und den teilweisen harschen, realen Produktionsbedingungen funktioniert, um Prozesse vorhersagen und optimieren zu können.

Mischkultur als neues mikrobielles Produktionsverfahren etablieren

Im Ergebnis will das InterZell-Team die synthetische Mischkultur als neues mikrobielles Produktionsverfahren etablieren und erreichen, dass die Ergebnisse der Forschung ohne Leistungsverlust aus dem Labor in den technischen Produktionsmaßstab übertragen werden können.

Mit geschätzten 2,65 Millionen Hektar (ha) war die Anbaufläche für nachwachsende Rohstoffe in Deutschland 2017 etwas niedriger als 2016. 2004 wurde erstmals der Umfang von 1 Millionen und 2007 von 2 Millionen ha erreicht. Seitdem stagniert das Wachstum. Mitte Mai hat nun die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) die aktuellen Jahreszahlen vorgestellt. Danach dominieren Energiepflanzen für Biogasanlagen mit fast 1,4 Millionen ha noch immer die Ackerflächen. Darauf werden zu zwei Dritteln Mais angebaut.

Bienenfreundlicher Korbblüter erobert die Äcker

Dagegen hat sich die Anbaufläche für die Durchwachsene Silphie mit 1.900 ha verdoppelt. Der Korbblüher gilt als bienenfreundlich und kann bis zu zehn Jahre auf dem Feld verbleiben. Der zweitgrößte Anteil der Anbaufläche für nachwachsende Rohstoffe sind Pflanzen für die Biokraftstoffherstellung. Auf insgesamt etwa 960.000 ha wuchsen überwiegend Raps, Getreide und Zuckerrüben. Bei der Herstellung von Biokraftstoffen fallen zudem Koppelprodukte an, die als Futtermittel vor allem Soja-Importe reduzieren.

Industriepflanzen weiter auf niedrigem Niveau

Der heimische Anbau zur Gewinnung von Industrierohstoffen ist mit Abstand der kleinste Bereich. Mit 300.000 ha bleibt der Anbau stabil auf niedrigem Niveau. Hier dominieren Rapsöl für technische Zwecke mit rund 131.000 ha sowie Industriestärke wie Weizen, Körnermais und Kartoffeln mit 128.000 ha. Zuckerrüben für Industriezucker wuchsen beispielsweise auf 15.000 ha und Arznei- und Färbepflanzen auf etwa 12.000 ha.

Enzyme sind seit Langem die unsichtbaren Stars der Biotechnologie und wichtige Leistungsträger der biobasierten Wirtschaft. Damit die Biokatalysatoren die gewünschte Reaktionen in Gang setzen, müssen im Bioreaktor jedoch optimale Bedingungen herrschen. Biochemikerin Jennifer Andexer ist dabei, Funktionsweisen und Vorlieben von Enzymen zu erkunden, damit die vielseitigen Proteinmoleküle noch effizienter genutzt werden können. Dabei konzentriert sich die Freiburger Forscherin auf Coenzyme, Faktoren welche bestimmen, wie Enzyme funktionieren. Für ihre wegweisende Enzymforschung wurde sie 2016 mit dem Heinz Maier-Leibnitz-Preis geehrt. Im gleichen Jahr konnte sie einen mit 1,5 Mio. Euro dotierten Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) einwerben, um ihre Arbeit fortzusetzen.

Honig ist ein bekanntes Hausmittel bei Erkältung und Husten. So scheint es auf den ersten Blick nachvollziehbar, dass auch die Luft im Bienenstock heilende Kräfte haben kann. Vor allem bei Migräne, Infektanfälligkeit, Neurodermitis und Depressionen soll eine Therapie mit Bienenstockluft Wirkung zeigen. Noch gibt es allerdings keine wissenschaftlichen Beweise für diese ungewöhnliche Gesundheitstherapie, die in den vergangenen Jahren immer beliebter geworden ist. Chemiker der Technischen Universität Dresden sind nun dabei, das therapeutische Potenzial der sogenannten Stockluft zu untersuchen.

Therapie mit Bienenstockluft hinterfragt

Bei der Bienenstocklufttherapie sitzt der Patient im Freien oder in einem kleinen Holzhaus und inhaliert die 35 Grad warme, sehr feuchte Luft des Bienenstocks über eine Inhalationsmaske. Dabei gelangt die Luft über einen Ventilator aus dem Bienenstock in den Schlauch, der an die Maske angeschlossen ist. Ein Filter sorgt dafür, dass weder Bienen noch Pollen in den Schlauch gelangen und eingeatmet werden. „Es ist noch ungeklärt, inwieweit die eigentliche Therapie oder die Umgebung dem Patienten gut tun. Wie viel positiven Einfluss die Ruhe und Ausgeglichenheit auf dem Land haben, wo die Therapie stattfindet, oder das ruhige Einatmen – und welchen Anteil die Inhaltsstoffe der Bienenstockluft selbst zur Therapie beisteuern, bedarf noch eingehender Untersuchungen“, erläutert Karl Speer von der Fakultät für Chemie und Lebensmittelchemie.

Luftproben aus Bienenstöcken entnommen

Im Rahmen ihrer Untersuchung nahm das Team um Speer Luftproben aus zwei Bienenstöcken und analysierten deren chemische Zusammensetzung. Die Bienenstöcke wurden dafür so präpariert, dass fremde Aromastoffe nicht eindringen und nur die reinen natürlichen Komponenten gemessen werden konnten. Dafür wurden beispielsweise geruchsloses Teflon und Kupfer für Schläuche und Gehäuse der Messinstrumente verwendet. Mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie gelang es den Forschern das Gasgemisch aus dem Bienenstock in einzelne Substanzen aufzuteilen und diese speziell definierten Verbindungen zuzuordnen. Als Kontrollproben verwendeten sie die Umgebungsluft um den Bienenstock.

Gesunde Stoffe aus Bienenwachs und Bienenharz

Im Ergebnis konnten die Dresdner Chemiker 50 verschiedene Substanzen in der Bienenstockluft identifizieren, denen heilende Kräfte zugeschrieben werden. Anders als erwartet, stammten diese Verbindungen aber überwiegend aus Bienenharz („Propolis“) und Bienenwachs und nicht aus dem Honig in den Waben. Der goldene Nektar war demnach nur in geringem Maße für die gesunden Inhaltsstoffe der Bienenstockluft verantwortlich. In einem nächsten Schritt will das Team um Speer nicht nur die identifizierten Verbindungen quantifizieren, sondern auch die bei der Bienenstocklufttherapie eingesetzten Geräte unter die Lupe nehmen.

Baggerseen sind die häufigsten Gewässertypen Deutschlands und vielerorts vor allem beliebte Naherholungsorte. Wo einst Kies, Sand oder Braunkohle abgebaut wurde, tummeln sich heute Badelustige, Wassersportler und Angler. Bisher bieten die Meisten dieser künstlich angelegten Seen allerdings Tieren kaum einen Lebensraum. Der Grund: Im Vergleich zu natürlichen Gewässern fehlt es dort sowohl im Wasser als auch am Ufer an Pflanzen oder Wurzeln, die Tieren den notwenigen Unterschlupf bieten.

Artenfielfalt an Baggerseen fördern

Forscher vom Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), der Technischen Universität Berlin und des Anglerverbands Niedersachsen e.V. (AVN) wollen die kleinen Gewässer daher ökologisch aufwerten. Im Rahmen des Verbundprojektes Baggersee sollen durch gezielte Maßnahmen die Artenvielfalt und die Attraktivität der Baggerseen für Angler und Erholungssuchende gefördert werden. „Das Projekt zielt auf die Vereinbarkeit von Schutz und anglerischer Nutzung der Seen. Wir wollen untersuchen, ob von solchen einfachen strukturverbessernden Maßnahmen sowohl der erholungssuchende Mensch als auch der Artenschutz profitieren kann", erklärt Biologe Thomas Klefoth vom AVN.

Larven, Krebse und Fische mit Totholz anlocken

Um Baggerseen ökologisch aufzuwerten wurden in den vergangenen zwei Jahren 100 Bündel Totholz in insgesamt acht künstlichen Gewässern versenkt und mit Kies gefüllten Jutesäcken beschwert, damit sie im See versinken. Die Säcke werden sich innerhalb von zwei Jahren vollständig zersetzen. Das tote Holz soll jedoch in den Gewässern dazu beitragen, dass Libellenlarven und Krebse, Jungfische und andere wirbellose Tiere Schutz und Nahrung finden und sich ansiedeln. In vier der acht Seen wurden zudem die steilen Uferzonen zu Flachwasserzonen umgewandelt, damit sich Wasserpflanzen ansiedeln und von den Tieren zur Eiablage genutzt werden können.

Besetzfische mit Transpondern markiert

Damit die Forscher das bestmögliche Verfahren zur Aufwertung von Baggerseen ermitteln können, werden die Effekte der verschiedenen Maßnahmen mit dem traditionellen Fischbesatz verglichen. Dafür wurden Fische mit kleinen Transpondern markiert und diese in vier weiteren Baggerseen ausgesetzt. Mithilfe der Markierung kann das Projektteam bei den nun folgenden Probenahmen feststellen, ob es sich um besetzte oder die ursprünglichen Fische handelt und ob sich das Vorkommen der Fische zwischen den Vergleichsgewässern und denen mit Totholzeintrag unterscheidet.

Offizielles Projekt der UN-Dekade Biologische Vielfalt

Das Verbundprojekt Baggersee wird von 2016 bis 2022 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms Forschung für Nachhaltige Entwicklungen (FONA) sowie durch das Bundesamt für Naturschutz mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB) gefördert. An der ökologischen Umgestaltung der künstlichen Seen sind neben den Berliner Forschern etwa 160 ehrenamtliche Helfer von Anglervereinen beteiligt. Mitte Mai wurde das Vorhaben als offizielles Projekt der UN-Dekade Biologische Vielfalt ausgezeichnet.

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Hemdsärmelig, voller innovativer Ideen und absolut überzeugt von Nutzen und Notwendigkeit einer nachhaltigen und biobasierten Industrie – dafür steht Uwe D’Agnone. Der 53-jährige Tüftler und Geschäftsführer von Creapaper hat sich der nachhaltigen, ressourcenschonenden Verwendung von Rohmaterialien in der Papierindustrie verschrieben.

Für den gelernten Kaufmann mit Bürositz in Hennef nahe Bonn ist eine ökologische Industrie jedoch nicht nur der neueste Trend, sondern vielmehr eine Lebenseinstellung und Notwendigkeit: „Mein Frau und ich sind begeisterte Hobbytaucher. Leider bekommen wir dadurch auch hautnah mit, wie die Ozeane immer mehr verschmutzt und Korallenriffe zerstört werden“, so D’Agnone.

Und auch beruflich kam er schon früh mit umweltschonenden Prozessen in Berührung: „Das Thema Nachhaltigkeit hat mich schon während meiner Ausbildung in einer Druckerei interessiert und begleitet.“ Bereits kurz nach der Ausbildung hat er sich in der Druckberatung selbstständig gemacht, um eigene Ideen zum Thema Nachhaltigkeit in der Druck- und Papierindustrie zu entwickeln und zu realisieren.

Alternativer Rohstoff für Papier

Vor etwa sechs Jahren dann habe er sich erstmals ernsthaft über einen alternativen Rohstoff für die Papierproduktion Gedanken gemacht und schließlich auch das Unternehmen CREAPAPER gegründet. „Der schwierigste Schritt in der herkömmlichen Papierherstellung ist, die Holzfasern vom Lignin zu trennen. Hierfür wird enorm viel Chemie, Energie und Wasser benötigt.“ Je höher eine Pflanze wächst, umso mehr Lignin enthält sie. Also habe er sich nach niedrigwachsendem Material umgeschaut. „Wir verwenden getrocknetes Gras, also Heu, damit wir ganzjährig produzieren können“, erklärt D’Agnone.

Während man für eine Tonne Zellstoff aus Holz etwa 6.000 Liter Wasser und 5.000 Kilowattstunden Energie verbraucht, benötigt man für dieselbe Menge Zellstoff aus Gras nur etwa zwei Liter Wasser und 137 Kilowattstunden. „Um aus Gras Papier zu gewinnen, genügt ein rein mechanischer Prozess – die luftgetrockneten Fasern werden gereinigt, auf Faserlänge geschnitten, zermahlen und pelletiert“, sagt D’Agnone.

Damit spart er in der Herstellung von Graspapier gegenüber herkömmlichen Papier oder Altpapier enorme Mengen an CO₂-Emissionen ein. Und auch preislich ist die Grasfaser mehr als 40% günstiger. Je nach Produkt verwendet D’Agnone in der Herstellung inzwischen bis zu 51% Graspellets. Und obwohl es technisch möglich wäre, weiß gestrichenes Graspapier herzustellen, bevorzugen die meisten Kunden die hellbraun-hellgrüne Färbung, sodass die nachhaltige Herkunft ihres Produktes eindeutig zu erkennbar bleibt.

Mehrfach ausgezeichnete Idee

Tatsächlich müssen sich weder das Produkt noch seine Herkunft verstecken: schließlich wurde der Gras-Karton aufgrund seines Nachhaltigkeitsaspektes im Jahr 2015 für den Deutschen Verpackungspreis nominiert. Und im Jahr 2016 gewann Creapaper in der Kategorie Start-up sogar den StartGreen Award für die Entwicklung des grasbasierten Ersatzrohstoffes für die Papierherstellung. 2018 erhielt der nachhaltige Verpackungsansatz zudem den KfW-Award. Außerdem zeichnete das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) die Creapaper GmbH mit dem deutschen Innovationspreis für Klima und Umwelt (IKU) aus.

Short-sleeved, full of innovative ideas and absolutely convinced of the benefits and necessity of a sustainable and bio-based industry – that is what Uwe D'Agnone in a nutshell. The 53-year-old inventor and CEO of Creapaper is committed to the sustainable, resource-efficient use of raw materials in the paper industry.

For the trained businessman with his office in Hennef near Bonn, a sustainable industry is not only the latest trend, but rather an attitude towards life in general: "My wife and I are enthusiastic hobby divers. Unfortunately, by doing so we are witness to the pollution of the oceans and the destruction of coral reefs," says D'Agnone.

He first came into contact with environment-conscious processes at an early age: "The topic of sustainability has interested and accompanied me already during my training days in a printing company." Shortly after completing his training, he started his own printing consultancy to develop and implement his own ideas on sustainability in the printing and paper industry.

Alternative raw material for paper

About six years ago, he decided to develop and establish an alternative raw material for paper production and founded CREAPAPER. "The most difficult step in conventional papermaking is to separate the wood fibers from the lignin. This requires a great deal of chemistry, energy, and water." The higher a plant grows, the more lignin it contains. So he looked around for low growing material: "We use dried grass, hay, so we can produce year-round," explains D'Agnone.

A ton of wood pulp requires about 6,000 liters of water and 5,000 kilowatt hours of energy, but for the same amount of grass pulp, you only need about two liters of water and 137 kilowatt hours. "To get paper out of grass, a purely mechanical process is sufficient - the air-dried fibers are cleaned, cut to fiber length, ground, and pelletized," says D'Agnone.

This process saves enormous amounts of CO₂ emissions in the production of grass paper compared to conventional paper or waste paper. And even the price of grass fiber is more than 40% cheaper. Depending on the product, D'Agnone now uses up to 51% grass pellets for production. And although it would be possible to produce white-painted grass paper, most customers prefer the light brown-green color, so the sustainable origin of their product remains recognizable.

Multi-award winning idea

In fact, neither the product nor its origin need to be hidden: After all, the grass carton was nominated for the German Packaging Award in 2015 because of its sustainability aspect. And in 2016, Creapaper won the StartGreen Award in the Start-up category for the development of the grass-based substitute pulp for papermaking. In 2018, the sustainable packaging approach also received the KfW Award. In addition, the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety (BMU) awarded Creapaper GmbH the German Innovation Award for Climate and Environment (IKU).

Korallenriffe sind komplexe marine Ökosysteme. Sie sind der Lebensraum für zahlreiche Tiere wie Fische, Würmer, Schwämme oder Krebstiere, die das Biotop als Unterschlupf, Nahrungsquelle oder „Kinderstube“ nutzen. Doch Klimawandel und Plastikmüll setzen den Korallenriffen und insbesondere deren Siedlern, den Steinkorallen, heftig zu. Vor allem die kaum sichtbaren Mikroplastikteilchen sind für Korallen eine Gefahr, wie Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) nachweisen konnten.

Korallen fressen Mikroplastik

Meeresforscher um Jessica Reichert haben in einer Studie erstmals untersucht, welche Auswirkungen diese kaum fünf Millimeter großen Partikel auf Korallen haben. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Environmental Pollution“ berichtet, wählten sie dafür sechs weitverbreitete Korallenarten aus, setzen diese im Labor erhöhten Mikroplastikkonzentrationen aus und dokumentierten dann die Reaktionen der Korallen.

Weiterer Rückgang der Korallenriffe befürchtet

Der Studie zufolge interagierten die Korallen nicht nur mit den Mikroplastikfragmenten. Einige von ihnen verwechselten die Partikel mit Futter und nahmen sie auf. Andere Korallen reagierten darauf mit einer erhöhten Schleimproduktion oder mit Abwehrreaktionen. Auch kam es bei fast allen Korallenarten nach vier Wochen zu ersten gesundheitlichen Beeinträchtigungen. Bei fünf von sechs Arten registrierten die Forscher Bleiche und das Absterben von Gewebe. „Unsere Studie weist klar darauf hin, dass Mikroplastik einen weiteren menschengemachten Stressfaktor für Korallen darstellt und damit sehr wahrscheinlich zum weiteren Rückgang der Korallenriffe auf der Erde beitragen wird“, sagt Erstautorin Jessica Reichert.

Folgen des Klimawandels im Labor simuliert

Die Studie fand im Rahmen des in Gießen angesiedelten Projektes „Ocean 2100“ statt, das Teil des deutsch-kolumbianischen Exzellenzzentrums für Meeresforschung CEMarin (Center of Excellence in Marine Sciences) ist. Hier werden seit 2010 die Auswirkungen des Klimawandels auf riffbildende Steinkorallen untersucht. Am Interdisziplinären Forschungszentrum (iFZ) der JLU Gießen werden dafür in Versuchstanks verschiedene Parameter wie Temperatur und Säuregehalt des Wassers langsam auf die zu erwartenden Werte eingestellt.

Als Nächstes will das Team um Jessica Reichert untersuchen, ob die Mikroplastikkonzentration im Meer die gleichen negativen Auswirkungen auf Korallen hat und welche Langzeitfolgen damit verbunden sind.

Es ist ein Wunsch, den mancher vielleicht schon als Kind im Sandkasten verspürte: ein Sieb zu haben, dessen Porengröße sich daran anpassen lässt, was man gerade filtern möchte. In der modernen Membranforschung begegnet man diesem Wunsch wieder: Membranen dienen hier dazu, gewünschte Stoffe aufzukonzentrieren oder unerwünschte Stoffe aus einer Lösung zu entfernen. Hier setzte das 2012 gestartete im Rahmen der Initiative "Biotechnologie 2020+" gestartete Projekt „BioCoBra“ mit dem Titel „Robuste und vielseitige asymmetrische Membranen auf Basis schaltbarer Blockcopolymere“ an: Die beteiligten Forscher wollten nicht nur eine schaltbare Membran erzeugen, deren Porengröße sich steuern lässt. Die Membran sollte auch noch die Möglichkeit bieten, sie für jede Anwendung reversibel neu konfigurieren zu können und so auch grundsätzliche Filtereigenschaften wie beispielsweise Benetzbarkeit durch unterschiedliche Flüssigkeiten zu verändern.

Viel Grundlagenarbeit

Die Natur ist ein Meister darin, definierte Bausteine durch Selbstorganisation zu funktionalen Strukturen oder Oberflächen zusammensetzen. Diese Prozesse mit synthetischen Materialien nachzustellen und dabei gewünschte Funktionen zu integrieren ist jedoch äußerst anspruchsvoll, denn etablierte Werkzeugkästen für solche Arbeiten existieren kaum. Umfangreiche Grundlagenarbeit war deshalb ein großer Teil des Forschungsvorhabens, in dem zwei Gruppen ihre Kompetenzen gebündelt haben: Das Team um Christopher Barner-Kowollik vom Karlsruher Institut für Technologie (jetzt auch Queensland University of Technology, Brisbane, Australien) ist erfahren in reversibler Chemie und beherrscht es, verschiedene funktionelle Gruppen, also molekulare Strukturen mit definierten reaktiven Eigenschaften, an Polymere anzubringen. Das Team um Felix Schacher von der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat große Erfahrung in der Herstellung von Blockcopolymeren und der Herstellung von Membranen durch Selbstorganisationsprozesse.

„Die Idee war, ein mehr oder weniger fixes Membrangerüst zu bilden, welches an definierten Punkten reversibel adressierbare Ankergruppen aufweist und diese dann zur Funktionalisierung mit verschiedenen Polymeren zu nutzen“, erläutert Schacher. Mittel der Wahl waren Blockcopolymere, die aus mehreren Segmenten unterschiedlicher Funktion und Löslichkeit bestehen und durch labile chemische Bindungen miteinander verknüpft sind. Daraus wollten die Forschern Membranen herstellen, an denen dann reversible und vielfältige Oberflächenchemie möglich ist. Während Membranen aus Polymeren schon weit verbreitet sind und es etablierte Methoden zu deren Herstellung gibt, ist deren Funktionalisierung oft noch eine Herausforderung.

Oberflächen zu dynamisch

„Unser anfänglicher Ansatz hat allerdings leider nicht funktioniert“, resümiert Schacher, „die Oberflächen waren zu dynamisch.“ Die Ankergruppen, also die endständigen Funktionalitäten an den Blockcopolymeren, versanken mit der Zeit in der Membranmatrix. Dadurch waren sie nach außen nicht mehr zugänglich und damit auch nicht durch Folgechemie adressierbar. „Es ist immer ein großer Unterschied, ob man mit einzelnen Molekülen in einer Lösung arbeitet oder aber an einer dreidimensional strukturierten Oberfläche“, erläutert der Chemiker die Schwierigkeiten.

Ein Fehlschlag sei das mit rund 1,15 Mio. Euro vom Bundesforschungsministerium unterstützte Verbundprojekt dennoch nicht gewesen: „Wir konnten prinzipiell funktionelle Membranen herstellen und auch verschiedene chemische Operationen an diesen durchführen. Das erweitert definitiv deren Einsatzgebiete. Allerdings konnten wir bislang keine komplett reversible Funktionalisierung erreichen“, schildert Schacher. Entstanden sind drei Publikationen, in denen die Forscher Methoden präsentieren konnten, um reversible Chemie an Blockcopolymeren zu betreiben. Außerdem demonstrierten sie die Herstellung einer Membran mit von Umgebungseigenschaften abhängigen Durchflussraten. „Wir haben Polyelektrolyte verwendet“, erklärt Schacher. Da sich gleichartige Ladungen entlang der Molekülkette abstoßen, erfolgt abhängig von der Ladung eine bestimmte Streckung der Kette. „Über die Ladung ließ sich die Porengröße im Sub-100-Nanometer-Bereich einstellen“, berichtet der Chemiker.

Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten

Interessant sei das beispielsweise für Anwendungen, bei denen nanoskalige Stoffe aus wässrigen Lösungen herausgefiltert werden müssen. Abhängig von der Oberflächenladung würden die Stoffe absorbiert, abgestoßen oder könnten passieren.

In einer einjährigen Verlängerung des Projekts versuchten die Forscher zudem, anstelle der Temperatur eine lichtgetriebene Funktionalisierung entsprechender Membranen zu realisieren Insgesamt lief „BioCoBra“ so von November 2012 bis März 2017. Aktuell findet keine weitere Forschung zu diesem Thema mehr statt, allerdings werden derartige Membranen derzeit als Trägermaterialien für heterogene Katalyse in der Arbeitsgruppe von Felix Schacher eingesetzt.

Autor: Björn Lohmann

Am 15. Und 16. Mai kamen in Köln rund 200 Teilnehmer aus 22 Ländern zur „International Conference on Bio-based Materials“ zusammen, die bereits zum elften Mal vom Nova-Institut organisiert wurde. In den über 30 Vorträgen der zweitägigen Konferenz betonten die Sprecher das große Potenzial biobasierter Materialien, das im wachsenden Angebotsspektrum vieler Unternehmen sichtbar werde. Aktuelle Zahlen zum Markt wurden von Michael Carus vom nova-Institut präsentiert. Demnach gibt es ein moderates Wachstum von 3 bis 4% im Markt für biobasierten Polymere – vergleichbar mit dem Markt für petrochemische Polymere. Im Detail gebe es jedoch deutlich Unterschiede in einzelnen Bereichen. Während einige deutliche Einbußen hinnehmen müssen, seien andere aktuell sehr gefragt wie PLA, PEF oder PTF.

Nachfrage und politische Initiativen sind treibende Kraft

Jukka Kantola von der Firma Kaicell Fibres berichtete zudem über aktuelle Pläne des Holzwirtschaftssektors, verstärkt Anwendungen im Textilbereich aufzubauen. „Im Textilsektor besteht eine große Nachfrage für biobasierte und nachhaltige Fasern“, so Kantola. Politische Initiativen und Strategien wurden ebenfalls als wichtige unterstützende Faktoren für den Biomaterialiensektor identifiziert. „Wenn China seine strikten Umweltauflagen weiter verschärft, könnte das großen Einfluss auf den gesamten Industriezweig haben“, gab Doris de Guzman von Tecnon Orbichem zu Bedenken.

Marcel Lubben von Reverdia, einem Unternehmen von DSM und Roquette, betonte, wie wichtig Durchhaltevermögen gerade am Anfang und beim Aufbau eines neuen Unternehmens sei: „Wir wachsen langsamer als erwartet, denn es hat 10 Jahre gedauert, bis wir die industriellen Prozesse etabliert hatten. Doch inzwischen haben wir unseren Markt und unsere Abnehmer gefunden. Unser Angebot reicht inzwischen von kompostierbaren Kaffeetassen bis hin zu stabilen biobasierten Materialien für Wanderschuhe.“

Drei neue Materialien überzeugen Jury

Die drei Gewinner des Innovationspreis „Bio-based Material of the Year 2018“ wurden aus sechs Finalisten ausgewählt. Die Finnen von Arctic Biomaterials Oy belegten den ersten Platz mit ihrem ArcBioxTM Material. Es handelt sich hierbei um ein PLA (Polymilchsäure)-basiertes Material, das durch die Nutzung einer Langfasertechnologie mit speziellen, abbaubaren Glasfasern verstärkt wird. Dadurch wird das Material besonders stabil und langlebig und kann dennoch biologisch abgebaut werden. „Der größte Vorteil unseres Materials ist, dass es bei der Kompostierung zu harmlosen Mineralien zerfällt, was gerade für Bioplastik eine interesstante Abbauperspektive darstellt“, erklärt Marketing Direktor Tomi Kangas. Die Glasfaser könnte zudem auch für verschiedene andere biobasierte Polymere verwendet werden.

Den zweiten Platz belegte die Cardolite Corporation aus den USA mit einem Blockiermittel aus Rückständen von Cashewnüssen. Den dritten Platz belegte schließlich das AIMPLAS Instituto Tecnológico del Plástico aus Spanien, die ein biobasiertes und biologisch abbaubares Netz als Verpackung für grüne Bohnen entwickelt haben.

jmr/sw

On May 15 and 16 an estimated 200 participants from more than 22 nations met in Cologne for the “International conference on bio-based materials". The annual conference took place for the eleventh time and was once again organised by the Nova Institute. In the more than 30 talks during the two-day event the speakers highlighted the enormous potential of bio-based materials, which is reflected by the growing product range offered by many companies. Michael Carus at the nova-Institute presented the most recent market report. According to these numbers there is a slow but steady increase of 3 to 4% at the market for bio-based polymers – a number very similar to the growth rate for petrochemical-based polymers. However, a closer look revealed significant difference between the individual sectors of the bio-based polymer market: While some sectors are edging towards a collapse, other are highly sought after, as is the case for PLA, PEF or PTF.

Market demands and policy changes are driving forces

Jukka Kantola from Kaicell Fibres, for instance, informed the audience about new plans from the forest industry to enter the textiles market in which there is a high demand for bio-based and sustainable fibers. Policy initiatives were identified as another important push factor in the biomaterials arena. “If China, for instance, further pushes forward a stricter environmental regulation, it could have a large influence on the whole sector,” Doris de Guzman from Tecnon Orbichem said.

Marcel Lubben from Reverdia, a joint venture of DSM and Roquette, pointed out the need for staying power. “We are growing slower than expected, because it took us a decade to set up the final industrial processes. But now we found our markets in a broad spectrum of applications, ranging from compostable coffee cups to durable bio-based materials for trekking shoes.”

Jury chose three novel bio-based materials

The winners of the “Innovation Award – Bio-based Material of the Year” were chosen by the participants of the conference and were awarded on the evening of the first day. Out of six finalists, Arctic Biomaterials won the first price for its ArcBiox material. The Finish company combines a special glass material with other bioplastics such as PLA using a special long fiber technology. Together, a robust and flexible reinforced biomaterial is obtained which is usable for various technical applications such as consumer electronics. “The highest advantage of our material is that it erodes back to harmless minerals in composting environment if needed and this adds an end of life perspective to bioplastics”, Marketing Director Tomi Kangas explained.

Second place was awarded to the US-based Cardolite Corporation for a blocking agent made from cashew residue. A bio-based and biodegradable net for green beans from the AIMPLAS Instituto Tecnológico del Plástico in Spain was awarded the third place.

jmr/sw

Die Pilz-Erkrankung Esca gehört zu den gefährlichsten Rebholzkrankheiten. Durch den Pilz wird das Holz regelrecht zersetzt, was zum Absterben der Rebstöcke führen kann. Bisher gibt es kein Mittel, was wirksam diese Rebenkrankheit bekämpft. Ein Team um Frederik Wurm vom Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat hierfür eine Lösung parat. Sie haben eine Nanoträgersubstanz entwickelt, die den Pilz mit seinen eigenen Waffen schlägt. Auf einem Testfeld vom Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz (DLR) in Neustadt an der Weinstraße wurde der Nano-Impfstoff nun erstmals Reben injiziert. Ingesamt 100 Rebstämme wurden damit geimpft.

Fungizid in Holzhülle verpackt

Der Nanowirkstoff besteht aus einer geringen Menge eines herkömmlichen Fungizids und ist in einer Kugel aus Lignin verpackt, einem Hauptbestandteil des Holzes. Über ein in den Stamm gebohrtes Loch gelangt die präparierte Nano-Kugel direkt in den Stamm der Pflanze. Das Besondere: Der Wirkstoff wird hier mithilfe des Pilzes freigesetzt, da dieser die Holzhülle der Kapsel ebenfalls zersetzt. „Wir setzen dem Pilz quasi ein trojanisches Pferd vor: Er zersetzt die Hülle unserer Nanoträger und setzt damit das Fungizid frei, welches ihn bekämpft“, erklärt Frederik Wurm.

Fungizide einsparen

Ein Vorteil dieser Methode: Der Wirkstoff wird sehr langsam und über einen langen Zeitraum abgegeben. Ein übermäßiges Spritzen der Weinreben mit Fungiziden gegen den Pilzbefall kann so vermieden werden. In wenigen Wochen wird das Team um den Mainzer Forscher wissen, ob der Impfschutz bei den Weinreben tatsächlich wirkt. Entsprechende Tests im Labor waren erfolgreich. Die von Frederik Wurm entwickelte Nano-Impfung wurde bereits zum Patent angemeldet. „Die Winzer sind begeistert. Sie würden die Methode gern sofort anwenden“, berichtet Wurm in einem Gespräch mit bioökonomie.de.

Biopolymere gegen Pflanzenkrankheiten

An dem Projekt waren neben dem Mainzer Max-Planck-Institut auch das Institut für Biotechnologie und Wirkstoff-Forschung in Kaiserslautern sowie das Institut für Pflanzenschutz in Neustadt an der Weinstraße vom Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz (DLR) beteiligt. Im Rahmen eines weiteren Projektes namens NanoProtect will das Team um Frederik Wurm nunmehr Heilmittel für kranke Rebstöcke auf Basis abbaubarer Polymere entwickeln. Das Vorhaben wird von der Volkswagenstiftung gefördert.

Pflanzenschutzmittel wie Pestizide werden vor allem in der konventionellen Landwirtschaft eingesetzt. Sie sollen Pflanzen vor Schädlingen und Krankheiten bewahren und Ernteerträge sichern. Doch ihr Einsatz ist seit Langem umstritten, vor allem wegen der negativen Folgen für Umwelt und Artenvielfalt. Diese werden bei der Zulassung von Pestiziden aber noch zu wenig berücksichtigt, wie die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina in ihrem neuesten Diskussionspapier „Der stumme Frühling – Zur Notwendigkeit eines umweltverträglichen Pflanzenschutzes“ herausstellt.

Pestizide für Rückgang der Artenvielfalt mitverantwortlich

In Deutschland sind etwa 280 Wirkstoffe als chemischer Pflanzenschutz zugelassen. Im Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft sieht die Expertengruppe eine wesentliche Ursache für den dramatischen Rückgang der Artenvielfalt. Frühere Studien bestätigen, dass in den vergangenen 20 Jahren 75% der fliegenden Insekten verschwunden sind. Wie deutsche und britische Forscher jüngst feststellten, können Neonicotinoide, eine bestimmte Klasse von Pestiziden, das Bestäubungsverhalten von Hummeln nachhältig beeinflussen und sind somit eine Gefahr für den Fortbestand der Population.

Einsatz von Pflanzenschutzmitteln stärker überwachen

Den Experten der Leopoldina geht es vor allem um eine bessere Risikoabschätzung von Pestiziden im Rahmen der Zulassungsverfahren mit Blick auf einen umweltverträglicheren Pflanzenschutz. Mit ihrer Studie liefern sie Handlungsempfehlungen für einen umwelt- und naturschutzgerechten Umgang mit den Chemikalien und zeigen Forschungslücken auf. Am Beispiel von Neonicotinoiden und Glyphosat belegen sie, wie Pestizide auf die Umwelt wirken und verweisen auf die Notwendigkeit, die Auflagen zur Anwendung von Pflanzenschutzmitteln verstärkt zu überwachen.

Zulassungsverfahren nachbessern

Gleichfalls decken die Autoren Defizite derzeitiger Zulassungsverfahren von Pestiziden auf und fordern eine Nachbesserung bestehender Verfahren. So sollten bei der Risikobewertung von Pestiziden künftig stärker die landwirtschaftliche Praxis und die reale Umweltsituation berücksichtigt werden. Bestehende Zulassungsverfahren würden bei Weitem nicht alle ökologische Wirkszenarien im Freiland erfassen, heißt es im Diskussionspapier.

Vernachlässigt werde beispielsweise, dass in der Landwirtschaft häufig unterschiedliche Pestizide gleichzeitig zum Einsatz kommen und die Mischung Ökosysteme gefährde. Unzureichend ist demnach auch die Vorhersage der Exposition und die Persistenzbewertung von Chemikalien in der Umwelt. Auch der Einfluss dieser Chemikalen auf Tiere, Pflanzen, Mikroorganismen und deren Verbreitung in Boden und Wasser sollten den Autoren zufolge bei der Risikoabschätzung zukünftig stärker im Fokus stehen.

Zulassungen zeitlich und räumlich begrenzen

Die Experten empfehlen daher ein Beobachtungssystem zu etablieren, mit dem die langfristigen Auswirkungen der Pflanzenschutzmittel auf Ökosysteme nach einer zunächst zeitlich und räumlich begrenzten Zulassung überprüft werden.

In ihrer Jugend durchkämmte Sina Leipold die Wälder in Thüringen. Heute tourt sie mit ihrem Mountainbike durch die Freiburger Gegend. Mit ihrer Begeisterung für die Natur und ihrer Neugier hat es die 32-Jährige zur jüngsten Junior-Professorin der Universität Freiburg geschafft. Schon als Kind wollte sie immer alles ganz genau wissen: „Meine Eltern haben immer gesagt, ich bin so ein Warum-Kind, das nie nachgegeben hat“, sagt die Forscherin. Mittlerweile reicht es der gebürtigen Thüringerin nicht mehr nur aus, zu wissen. Sie will verstehen, warum es so und nicht anders ist.

Seit 2016 leitet die junge Wissenschaftlerin an ihrem Lehrstuhl für gesellschaftliche Transformation und Kreislaufwirtschaft eine eigene Nachwuchsforschergruppe. Das Projekt „Circulus - Transformationspfade und -hindernisse zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft in der Bioökonomie“ wird im Rahmen der Förderinitiative „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ vom Bundesforschungsministerium bis 2021 mit 2 Mio. Euro gefördert.

Gesellschaftliche Zusammenhänge verstehen lernen

Der Wunsch, eine wissenschaftliche Laufbahn einzuschlagen, keimte bei Leipold eher langsam. Ihr Interesse für gesellschaftliche Zusammenhänge wurde bereits frühzeitig geweckt. Von 2004 bis 2007 studierte sie Politik und Geschichte an der Universität Bochum. „Es hat mich besonders interessiert, wie unsere Gesellschaft funktioniert, was sie zusammenhält und warum sie so ist wie sie ist“, sagt Leipold. Ausschlaggebend für Ihren Fokus auf Politik für nachhaltiges Wirtschaften war ihre Studienzeit im „Global Studies“ Master in Freiburg, Buenos Aires, Delhi und Brüssel. Insbesondere die Zeit in Indien hinterließ bei der jungen Studentin einen nachhaltigen Eindruck. „Prägend war zu sehen, wie die Leute darunter leiden, wie sie ihre eigene Umwelt schädigen, kein sauberes Trinkwasser haben, die Natur mit Plastikmüll verschmutzen, den dann die Tiere fressen und verenden. Das war ein Wendepunkt, warum ich mich auf Umweltpolitik und nachhaltiges Wirtschaften spezialisiert habe“.

Von Klöstern Nachhaltigkeit lernen

Nachhaltiges Wirtschaften wurde dann auch zum Thema ihrer ersten wissenschaftlichen Projektarbeit an der Universität für Bodenkultur in Wien. „Ich wollte wissen, wie können wir Prozesse wie in Indien aufhalten. Was können wir tun, um zu vermeiden, dass wir Probleme kriegen, die wir nicht mehr lösen können“. Im Rahmen eines Forschungsprojektes untersuchte sie damals, warum Klöster so nachhaltig agieren. Sie lernte, wie stark das menschliche Miteinander das Verhältnis zur Umwelt und ein nachhaltiges Leben beeinflussen. „Das wichtigste Ergebnis war, dass vor allem die sozialen Strukturen der Klöster ausschlaggebend sind für ihren nachhaltigen Umgang mit sich selbst und der Natur. Sie schätzen nicht nur was sie besitzen, sondern vor allem die Gemeinschaft, und versuchen diese zu erhalten“, sagt Leipold. Das habe ihr gezeigt, dass der Schritt vom Umgang mit anderen Menschen zum Umgang mit der Natur sehr klein ist.

Gesetze für nachhaltigen Holzhandel hinterfragt

In der Wiener Forschergruppe entstand dann auch bei Leipold immer mehr der Wunsch, eine akademische Laufbahn einzuschlagen. 2012 fand sie durch Zufall eine Doktorandenstelle an der Uni Freiburg und fokussierte sich auf das Thema Holzhandel. Hier untersuchte sie, welche Auswirkungen neue gesetzliche Rahmenbedingungen zum nachhaltigen Holzhandel in den USA, Australien und Europa haben und inwiefern sie tatsächlich zur ökologischen Nachhaltigkeit beitragen können. Dabei musste die Doktorandin feststellen, dass die neuen Gesetze hinter den hohen Ansprüchen zurück blieben.

Studienpreis für Doktorarbeit

„Statt nachhaltige Holzwirtschaft einzufordern, beschränken sich die Vorgaben auf legale Holzwirtschaft. Es gibt zwar bei Verstößen auch Strafen. Aber die Nachhaltigkeit ist etwas auf der Strecke geblieben“, resümiert Leipold. Warum sich härtere Vorgaben für nachhaltige Holzwirtschaft in den Gesetzen nicht durchsetzen konnten, untersuchte Leipold anhand der Debatten in den USA, Australien und Europa. „Ich konnte herausfinden, wie Wirtschafts- und Umweltlobbyisten und Politiker die politischen Prozesse in allen drei Weltregionen sprachlich manipulierten, um sich durchzusetzen und damit Politik zu schaffen, die die globale Holzwirtschaft grundlegend beeinflusst“. Für ihre Doktorarbeit wurde Sina Leipold mit dem Deutschen Studienpreis der Körber-Stiftung 2017 ausgezeichnet.

Juniorprofessur in Freiburg

Noch während ihrer dreijährigen Doktorarbeit nahm die junge Wissenschaftlerin eine neue Herausforderung an. Mentor und Doktorvater Georg Winkel motivierte Leipold dazu, sich Mitte 2015 an einer BMBF-Ausschreibung für Nachwuchsgruppen im Rahmen der Förderinitiative „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ zu bewerben. Dafür beschäftigte sie sich mit einem für sie ganz neuen Themenfeld, der Kreislaufwirtschaft. „Ich habe festgestellt, dass der Zusammenhang von gesellschaftlicher Debatte, gesellschaftlichem Handeln und Umweltauswirkungen im wissenschaftlichen Diskurs kaum verankert ist“. Mit diesem brisanten Thema traf die Forscherin den Nerv der Zeit und konnte das BMBF überzeugen und eine Millionenförderung für fünf Jahre einwerben. Die Überraschung war groß: „Weil ich damals noch nicht promoviert war und die Konkurrenz natürlich groß, war ich zunächst überwältigt. “, erinnert sich Leipold. Um für die Gruppe beste Bedingungen zu schaffen, folgte Leipold im April 2017 dem Ruf auf eine Juniorprofessur für »Gesellschaftliche Transformation und Kreislaufwirtschaft« an die Universität Freiburg.

Risiken und Chancen der Kreislaufwirtschaft ausloten

Als eine der jüngsten Nachwuchsgruppenleiterinnen untersucht Sina Leipold im Rahmen des Projektes „Circulus“ nun, wie in Deutschland, Europa und China Kreislaufwirtschaft im Hinblick auf nachwachsende Rohstoffe geregelt ist, wie diese Regularien umgesetzt werden und welche Auswirkungen sie auf die Umwelt haben. „Ich will auf die Agenda bringen, wie man unsere Wirtschaft nachhaltiger gestalten kann“, betont Leipold. Dafür will sie Risiken und Chancen der Kreislaufwirtschaft ausloten und am Ende auch der Politik Empfehlungen geben. Im Fokus der Untersuchung stehen dabei Forst- und Agrarwirtschaft.

Alternative Kreisläufe aufzeigen

Gerade hinsichtlich der extrem vielfältigen Nutzung, Lebensdauer und Möglichkeiten der Wiederverwendung von Holz offenbarten sich dem Projektteam bereits erste Reibungspunkte, wie Leipold berichtet. „Da ist immer die Frage, über welchen Kreislauf sprechen wir eigentlich, den der Natur oder den innerhalb der Wirtschaft? Und können wir bestimmte Kreisläufe wie etwa bei Holz schließen ohne extrem hohe energetische, ökologische und personelle Kosten sowie Einbußen an verfügbarem Material? Das ist gerade hochgradig unklar“, sagt die Forscherin. Mithilfe der Analyse von Experten-Debatten identifiziert Leipold’s Gruppe alternative Möglichkeiten und Grenzen solcher Kreisläufe. Verschiedene Kreislauf-Strategien werden zudem auf ihre Umweltauswirkungen untersucht. Zusammen liefern die Ergebnisse politische und praktische Entscheidungshilfen für den Weg in eine Kreislaufwirtschaft.

Klar ist für Sina Leipold: Die Kreislaufwirtschaft muss so gestaltet werden, dass Verteilungskonflikte vermieden werden und die Umwelt keinen Schaden nimmt. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Forscherin also auch weiterhin mit bohrenden Fragen nach Antworten und Lösungen suchen.

Autorin: Beatrix Boldt