Aktuelle Veranstaltungen

Ob für Lebensmittel oder Tierfutter: Proteine bilden einen unverzichtbaren Bestandteil der Ernährung. Aufgebaut sind die Proteine aus Aminosäuren, darunter L-Alanin. Bislang stammt das meiste Alanin aus pflanzlichen Quellen, die vor allem im globalen Süden angebaut werden. Die dazu nötigen Felder nehmen große Flächen ein und beeinträchtigen die dortige Artenvielfalt. Ein Forschungsteam der TU München hat nun eine alternativen Herstellungsweg vorgestellt: Es handelt sich um einen biotechnologischen Prozess, der auf der Nutzung von CO₂ und grünem Wasserstoff als Rohstoff basiert. Das Team um Volker Sieber vom TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit berichtet im Fachjournal „Chem Catalysis“.

Zellfreier Prozess mit synthetischen Enzymen

Siebers Team ist es gelungen, synthetische Enzyme zu entwickeln, die in einem mehrstufigen Verfahren aus grünem Methanol L-Alanin erzeugen. Dieser Bioprozess, eine Art künstliche Photosynthese, ist den Forschenden zufolge sehr effektiv und führt bereits zu hohen Produktausbeuten.

Das Methanol ist in dem gesamten Prozess jedoch nur ein Zwischenprodukt. Die eigentlichen Ausgangsstoffe sind Kohlendioxid, das der Atmosphäre oder später auch Industrieabgasen entnommen werden kann, und Wasserstoff, der mit Hilfe von Ökostrom klimafreundlich herstellt werden kann. Zusammen mit Ökostrom entsteht aus den beiden Gasen in einem sogenannten Power-to-X-Prozess Methanol.

Proteins are an indispensable part of nutrition. They are made up of amino acids, including L-alanine. Until now, most alanine has come from plant sources, which are mainly cultivated in the global south. The fields needed to grow it occupy large areas and affect biodiversity there. A research team at the Technical University of Munich has now presented an alternative production route: It is a biotechnological process based on the use of CO2 and green hydrogen as raw materials. The team led by Volker Sieber from the TUM Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability reports in the journal Chem Catalysis.

Cell-free process with synthetic enzymes

Sieber's team has succeeded in developing synthetic enzymes that produce L-alanine from green methanol in a multi-step process. According to the researchers, this bioprocess, a kind of artificial photosynthesis, is very effective and already produces high product yields.

However, the methanol is only an intermediate product in the entire process. The actual starting materials are carbon dioxide, which can be taken from the atmosphere or industrial waste gases, and hydrogen, which can be produced in a climate-friendly way with the help of green electricity. Together with green electricity, methanol is produced from the two gases in a so-called power-to-X process.

Ohne Kakao keine Schokolade. Doch in einem der wichtigsten Anbauländer Lateinamerikas – in Brasilien – sorgt ein Schädling seit den 1990er Jahren immer wieder für große Produktionsausfälle. Auf das Konto der Pilzkrankheiten Hexenbesen und Black Pod Disease gehen weltweit etwa 40% der Ernteverluste. Trotz aller Bemühungen gibt es bisher kein wirksames Mittel gegen den Pilzbefall. Sind die Kakaobohnen einmal befallen, sind sie für die Lebensmittelproduktion nicht mehr zu gebrauchen und werden daher weggeworfen. Das soll sich ändern.

Neue Verwertungspfade für befallenen Kakaobohnen erschließen

Im Projekt „Damaged Beans“ wollen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising gemeinsam mit Partnern der Universität Campinas in Brasilien neue Verwertungspfade für die kranken Kakaobohnen etablieren – etwa für Kosmetika, Reinigungsmittel und Schmierstoffe. Im Projekt sollen spezifische Methoden entwickelt werden, um die unterschiedlichen Pilzkontaminationen zu erkennen, zu klassifizieren und neue Anwendungen für minderwertige Kakaobohnen zu identifizieren.

Kranke Kakaobohnen für Kosmetika? Was zunächst vielleicht absurd klingt, ist durchaus sinnvoll. Denn der Pilzerreger hat Einfluss auf die Inhaltsstoffe und die Eigenschaften der Frucht. „Kakaobutter hat aufgrund der durch die Pilzkrankheiten Hexenbesen und Black Pod Disease verursachten chemischen Veränderungen ein anderes Schmelzverhalten und ist daher bei Raum-und Körpertemperatur weicher. Für kosmetische Anwendungen kann das von Vorteil sein, vor allem für fetthaltige Naturkosmetika wie Lippenstifte, Bodylotions und Cremes“, erläutert Dominic Wimmer, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter am Fraunhofer IVV.

Ersatz für Acrylate in Kosmetika

Auch die Zusammensetzungen der Aminosäuren und Proteine in der Frucht verändern sich durch den Pilzbefall. Das erhöht die Gelier- und Verdickungseigenschaften. Den Forschenden zufolge könnten die befallenen Bohnen damit ein idealer Ersatz für gesundheitsschädliche Acrylate sei, die gegenwärtig als Gelbildner oder Quellmittel in konventioneller Kosmetik eingesetzt werden und auf der Haut Allergien auslösen können. „Aufgrund des Pilzbefalls sind die Inhaltsstoffe und die sensorischen Eigenschaften der Proteine und der sekundäre Pflanzenstoffe verändert. Neben Kakaobutter eignen sie sich aber trotz ihrer divergenten Struktur gegebenenfalls für technische Anwendungen wie biobasierte Reinigungs- und Desinfektionsmittel sowie Schmierstoffe und bieten die Möglichkeit im Sinne der Nachhaltigkeit, mineralölbasierte Ressourcen durch natürliche Inhaltsstoffe zu ersetzen“, so Wimmer.

Kaskadenextraktionsverfahren zur Gewinnung von Inhaltsstoffen

Um die neuen Verwertungspfade für die schlechten Kakaofrüchte zu etablieren, werden Forschende der Universität Campinas Untersuchungsmethoden auf Grundlage von Nahinfrarotspektroskopie entwickeln, um den Grad der Schädigung und die physikalisch-chemische Qualität der pilzbefallenen Kakaobohnen zu ermitteln. Das Fraunhofer-Team will dann mithilfe eines mehrstufigen Kaskadenextraktionsverfahrens nach der Fettabtrennung Kakaobutter, Proteine und sekundäre Pflanzenstoffe wie Polyphenole für Anwendungen in der kosmetischen und chemischen Industrie gewinnen. Die Extraktion der Proteine und sekundären Pflanzenstoffe erfolgt dabei mit Hilfe verschiedener Lösungsmittel. Zugleich will das Team um Wimmer prüfen, inwiefern man bei der Gewinnung der kostbaren Inhaltsstoffe im Extraktionsverfahren auf zeit- und energieintensive Fermentations- und Trocknungsprozesse oder die Röstung verzichten kann. Darüber hinaus wird untersucht, ob sich Kakaobutter auch schonender – etwa mithilfe von organischen Lösemitteln wie Ethanol und überkritischem CO₂ – extrahieren lässt. Bisher wird Kakaobutter durch Abpressen in einer Fettpresse gewonnen.

Neue Wertschöpfungswege für Kakaobauern

Die Forschenden sind überzeugt, dass ihr Ansatz zur Verarbeitung der kranken Kakaobohnen die gesamte Kakao-Wertschöpfungskette optimieren könnte und brasilianische Kakaobauern so einen größeren Anteil ihrer Ernte vermarkten können. „Durch unser Kaskadenextraktionsverfahren können beschädigte Bohnen weiterverarbeitet werden; den betroffenen Farmen erschließen sich neue Wertschöpfungswege mit großem finanziellen Potenzial. Weltweit sind 40 bis 50 Millionen Menschen in der Kakaoproduktion beschäftigt, 80 bis 90% davon in kleinen Betrieben“, resümiert Wimmer. Auch die Schokoladenindustrie würde Wimmer zufolge davon profitieren, weil damit mehr reine lebensmitteltaugliche Rohstoffe zur Verfügung stehen würden.

bb

Ob Snacks vom Bäcker oder vorbereitetes Tiefkühlgemüse: Viele Lebensmittel sind sogenannte Mehrkomponenten-Systeme und bestehen aus einer trockenen und einer feuchten oder cremigen Schicht. Eine Herausforderung bei Herstellung und Lagerung solcher Lebensmittel ist, dass die trockene Schicht nicht feucht wird. Forschende der Universität Hohenheim haben nun eine biobasierte Barriereschicht aus Oleogelen entwickelt, die genau das verhindert. Das Oleogel besteht aus Pflanzenölen und Ethylcellulose und kann damit im Lebensmittelbereich eingesetzt werden.

Barriereschicht aus Oleogelen: mechanisch belastbar und essbar

Oleogele sind Fette, die durch bestimmte Geliermittel strukturiert und teilweise schon im Lebensmittelbereich eingesetzt werden. Die neuartige Bio-Schutzschicht wird auch hohen Anforderungen gerecht, die insbesondere Lebensmittelverpackungen bedienen müssen: Sie ist wasserundurchlässig, mechanisch belastbar, kompostierbar und sogar zum Verzehr geeignet. Neu ist jedoch, dass diese Oleogele nun auch hitzebeständig sind und selbst beim Backen oder Frittieren dafür sorgen, dass trockene und feuchte Komponenten des Lebensmittels erhalten bleiben.

Herstellung mit gängigen Produktionsverfahren

Ein weiterer Vorteil: zur Herstellung der Oleogele können gängige Produktionsverfahren – vor allem aus der Verpackungs- und Polymertechnologie – genutzt werden. Die Schicht kann durch Glasieren, Laminieren, Überziehen oder Besprühen aufgebracht werden. Zudem kann die Oleogelschicht durch Veränderung der Zusammensetzung oder Hinzufügen von Zusatzstoffen – wie etwa Geschmacks- oder Farbstoffe – je nach Bedarf angepasst werden.

Dass die Beschichtung funktioniert, konnten die Entwickler anhand sogenannter Crumbsticks beweisen. Im Rahmen eines Produktentwicklungswettbewerbs entstanden Hähnchenschlegel mit einem essbaren Knochen aus einer kross gebackenen Brotstange. Die Beschichtung verhinderte das Aufweichen der beiden Komponenten. Die neuartigen Beschichtungssystem können den Forschenden zufolge aber nicht nur im Lebensmittelbereich zum Einsatz kommen. Auch bei der Herstellung von Tierfutter könnten die biobasierten Oleogele zur Trennung der Komponenten genutzt werden.

Bio-Material zum Patent angemeldet

Das innovative Bio-Material der Hohenheimer Forschenden wurde mittlerweile mit Unterstützung der Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH zum Patent angemeldet.

bb

From bakery snacks to prepared frozen vegetables, many foods are so-called multicomponent systems and consist of a dry layer and a moist or creamy layer. One challenge in the production and storage of such foods is to prevent the dry layer from becoming moist. Researchers at the University of Hohenheim have now developed a biobased barrier layer made of oleogels for this purpose. The oleogel consists of vegetable oils and ethyl cellulose and can thus be used in the food sector.

Barrier layer made of oleogels: mechanically resilient and edible

Oleogels are fats structured by certain gelling agents, some of which are already used in the food sector. The novel bio-protective layer also meets high requirements that food packaging in particular must fulfill: it is impermeable to water, mechanically resilient, compostable and even suitable for consumption. What is new, however, is that these oleogels are now also heat-resistant and ensure that dry and moist components of the food are retained even during baking or deep-frying.

Production with common production processes

Another advantage is that common production processes - especially from packaging and polymer technology - can be used to manufacture the oleogels. An oleogel layer can be applied by glazing, laminating, coating or spraying. It can further be adapted as desired by changing the composition or adding additives - such as flavorings or colorants.

The developers were able to prove that the coating works using the example of crumb sticks. As part of a product development competition, chicken drumsticks were created with an edible bone made from a crispy baked breadstick. The coating prevented the two components from softening. According to the researchers, the novel coating systems can be used not only in the food sector. The biobased oleogels could also be used to separate the components in the production of animal feed.

Bio-material patent pending

The innovative biomaterial developed by the Hohenheim researchers has now been registered for patent with the support of Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH.

bb

Raps kann mehr: Davon waren die Beteiligten am Forschungsprojekt EthaNa von Anfang an überzeugt. Jetzt haben sie einen Prozess vorgestellt, der die Rapssaat nach dem Prinzip einer Bioraffinerie möglichst vollständig und schonend nutzt. Dabei entsteht neben dem hochwertigen Öl auch ein proteinreiches Konzentrat in hoher Qualität. Außerdem gewinnen die Forschenden sekundäre Pflanzenstoffe und die Rapsschalen als weitere Produkte. Insgesamt steigt so die Wertschöpfung, die Ölmühlen erzielen könnten.

Bisherige Prozess schädigt Proteine und beinhaltet Bitterstoffe

Bislang extrahieren Ölmühlen Rapsöl mittels Heißpressung. Der hohe Druck und die hohen Temperaturen schädigen jedoch die Qualität der Proteine im Öl und im verbleibenden Rapsschrot. Letzterer dient meist der Tierfütterung. Auch für die Nutzung als Lebensmittel hat das Standardverfahren Nachteile: Aus den mitgepressten Schalen gelangen Bitterstoffe in den Extraktionsschrot.

Gefördert vom Bundeslandwirtschaftsministerium haben sich daher elf Partner aus Forschung und Industrie zusammengeschlossen und am Standort des Fraunhofer-Zentrums für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna eine Pilotanlage entwickelt, die diese Probleme umgeht. Im vergangenen Jahr ging sie erstmals in Betrieb und wurde am 3. Mai 2023 nun offiziell eingeweiht.

Prozessschritte zur ganzheitlichen Rapsnutzung entwickelt

„Wir haben im Projekt untersucht, wie und mit welchen Apparaten und Bauteilen wir die verschiedenen Prozessschritte zur ganzheitlichen Nutzung von Raps in einer technischen Anlage realisieren können und wie die Gesamtanlage ausgelegt werden muss“, erläutert Robert Hartmann, Gruppenleiter Biomassefraktionierung am Fraunhofer CBP, das Vorgehen.

Die urbane Agrarproduktion hat enormes Potenzial. Davon ist Volkmar Keuter überzeugt. Am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT befasst sich der Forscher seit Jahren mit modernen Kultivierungstechniken, um die Agrarproduktion in den Städten ressourcen- und flächeneffizient zu gestalten. Im Fokus stehen dabei vor allem Indoor- sowie Vertical-Farming-Systeme. Dabei interessiert Keuter insbesondere, wie man die Pflanzenqualität steigern kann. Seine Forschung zeigt: Der Ertrag in kontrollierter Umgebung ist um ein Vielfaches höher. Mit dem Ziel, regionale und hochwertige pflanzliche Produkte zu entwickeln, wurde bereits vor mehr als zehn Jahren am Fraunhofer UMSICHT die Dachmarke inFARMING etabliert.

Beim Pariser Klimagipfel 2015 hat sich die Weltgemeinschaft darauf geeinigt, die globale Erwärmung auf unter zwei Grad Celsius gegenüber dem Niveau vor Beginn der Industrialisierung zu begrenzen. Experten sind sich einig: Um das Klimaziel zu erreichen, reicht es jedoch nicht aus, den Kohlendioxid-Ausstoß nur zu drosseln. Das Gas muss auch als Rohstoff genutzt werden. Mit dem Klimaschutzgesetz und der Nationalen Bioökonomiestrategie strebt auch die Bundesregierung die Etablierung einer biobasierten Kreislaufwirtschaft an und hat bereits vielfach Entwicklungen gefördert, die nachwachsende Rohstoffe oder biogene Rest- und Abfallstoffe als Kohlenstoffquellen nutzen.

Die Förderung innovativer Technologien, die CO₂ langfristig aus der Atmosphäre entfernen, steht seit Anfang 2022 auch im Fokus der Challenge „Carbon-to-Value“ der Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND. Im Rahmen der Challenge wurden bereits im ersten Jahr fünf Unternehmen mit jeweils 700.000 Euro unterstützt. Mit MacroCarbon, enaDyne und Carbo Culture wurden im April nun drei Unternehmen, darunter zwei Teams aus Deutschland, von einer Jury für eine weitere Finanzierung ausgewählt. Der Jury gehört unter anderem die traceless-Gründerin Anne Lamp an. Alle drei Teams erhalten bis zum Ende der Challenge am 30. September 2024, jeweils bis zu 2,3 Mio. Euro, um ihre Technologie weiterzuentwickeln.

Chemische Verbindungen aus biologischen Quellen

Das in Freiberg in Sachsen ansässige Unternehmen enaDyne wurde ausgewählt, weil es ein Verfahren entwickelt, dass Mittels einer nicht-thermischen Plasmakatalyse CO₂ aus biologischen Quellen mit geringem Energieaufwand in Methanol, Ethylen und andere Kohlenwasserstoffverbindungen umwandeln und damit fossile Rohstoffe, die zur Herstellung dieser Verbindungen benötigt werden, ersetzen kann.

Chemierohstoffe aus der Algenfarm

Das Start-up MacroCarbon, eine Ausgründung des Alfred-Wegener-Instituts, ist wiederum in der Lage, das durch Algen gebundene Kohlendioxid zu Rohstoffen für die Chemieindustrie wie beispielsweise Rohbenzin weiterzuverarbeiten. Dafür will das Start-up auf Gran Canaria die Alge Sargassum in riesigen Ozeanfarmen anbauen. Die Alge wächst sehr schnell und entzieht dem Meerwasser dabei stetig CO₂. Der regelmäßige Kontakt zu Forschenden regelmäßigem der BASF ermögliche die Integration von Produkten aus der Algenzucht in bestehende und zukünftige Wertschöpfungsketten der chemischen Industrie, so die Jury.

Beton mit Pflanzenkohle 

Das finnische Unternehmen Carbo Culture nutzt wiederum Kohlenstoff aus Abfallbiomasse in Form von Pflanzenkohle, um in Beton den ökologischen Fußabdrucks zu reduzieren und als Wärmeleiter zu nutzen. Der Beton bindet langfristig CO₂ und weist durch die Verwendung der Pflanzenkohle einen CO₂-neutralen Fußabdruck auf. „Mit diesem Verfahren können zusätzliche Einnahmen für die Kohlenstoffentfernung generiert werden, was die Wirtschaftlichkeit des Produktes erhöht“, heißt es.

Innovationen zum Durchbruch verhelfen

Mit SPRIND will die Bundesregierung eine Lücke in der deutschen Innovationslandschaft schließen und Innovationen in Deutschland und Europa halten. Die Bundesagentur für Sprunginnovation wurde 2019 gegründet. Alleinige Gesellschafterin ist die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). Neben der finanziellen Förderung unterstützt SPRIND die Teams auch durch ein intensives Coaching sowie Kontakten zu privatwirtschaftlichen Investorinnen und Investoren, damit die Anschlussfinanzierung sichergestellt ist. „Mit diesem Innovationswettbewerb wollen wir neuen Verfahren zum technischen und kommerziellen Durchbruch verhelfen, die CO₂ aus der Atmosphäre entnehmen und anschließend langfristig in werthaltigen Produkten speichern“, erklärt Jano Costard, Challenge Officer von SPRIND.

bb

Ob Bienen, Mücken, Spinnen oder Tausendfüßer: Insekten und Co. sind unersetzlich für den Erhalt des Ökosystems Wald. Diese sogenannten Gliederfüßer oder Arthropoden übernehmen zahlreiche Dienstleistungen: Sie agieren als Bestäuber, beseitigen abgestorbene Pflanzenreste und verwerten diese Stoffe, so dass sich neue, fruchtbare Erde bilden kann. Und sie sind die Nahrungsgrundlage für zahlreiche Tiere wie Vögel, Fledermäuse oder Igel. Doch die Artenvielfalt in den Wäldern ist bedroht. „Artenreiche Gruppen wie die Arthropoden gehen zurück, weil Waldflächen zerstört werden und die Artenvielfalt der Pflanzen abnimmt“, erklärt Andreas Schuldt, Professor für Waldnaturschutz an der Universität Göttingen.

Bedeutung der Insektenvielfalt für Produktivität der Wälder

In einem über fünf Jahre dauernden Großexperiment hat ein Team um Schuldt Daten zum Vorkommen baumbewohnender Arthropoden und zum Baumwachstum im Südosten Chinas erhoben und analysiert. „Bislang befassten sich die meisten Untersuchungen zur Bedeutung der Vielfalt für das Ökosystem nur mit der Pflanzenartenvielfalt. Die ökologische Bedeutung von Lebewesen entlang der Nahrungskette wurde vernachlässigt“, erklärt der Forscher. Mit ihrer Studie zeigen die Forschenden nun erstmals, welche Bedeutung die Vielfalt von Insekten und Co. für die Produktivität des Ökosystems Wald hat.

Insektenvielfalt fördert in artenreichen Wäldern Baumwachstum

Demnach wirkt sich eine hohe Vielfalt an Baumarten positiv auf die Artenvielfalt und die Häufigkeit von Arthropoden wie Insekten, Spinnen und Tausendfüßern aus. Aber nicht nur das: Die Arthropoden tragen entscheidend dazu bei, dass eine hohe Baumartenvielfalt auch die Produktivität im Wald fördert. Wie das Team in der Fachzeitschrift Nature Ecology & Evolution schreibt, wird in artenreichen Wäldern die Ausbreitung der pflanzenfressenden Arthropoden effektiver von jagenden und parasitären Arthropoden unterdrückt. Das wiederum begünstigt das Wachstum der Bäume.

Basis für Schutz und Erhalt der Artenvielfalt

„Die Erkenntnisse unterstreichen die entscheidende Rolle von Schutzmaßnahmen zur Förderung und zum Erhalt der Artenvielfalt in Wäldern“, erklärt die Leiterin des Experiments, Xiaojuan Liu von der Chinese Academy of Sciences in Peking. Für die Forschenden steht fest, dass eine Optimierung der Waldbewirtschaftung für eine stärkere Bindung von Kohlenstoff effektiver sein kann, wenn die Vielfalt der Arthropoden zusammen mit der Vielfalt der Bäume gefördert wird.

bb

Arthropods are irreplaceable for the preservation of the forest ecosystem by providing numerous services: they act as pollinators, remove dead plant parts and recycle these substances so that new, fertile soil can form. They are also the food base for numerous animals such as birds, bats or hedgehogs. But biodiversity in forests is under threat. "Species-rich groups such as arthropods are declining because forest areas are being destroyed and plant biodiversity is decreasing," explains Andreas Schuldt, Professor of Forest Conservation at the University of Göttingen.

Significance of insect diversity for forest productivity

In a large-scale experiment lasting more than five years, a team led by Schuldt collected and analyzed data on the occurrence of tree-dwelling arthropods and tree growth in southeastern China. "Until now, most studies on the importance of diversity to the ecosystem have only looked at the diversity of plant species. The ecological importance of living organisms along the food chain has been neglected," the researcher explains. With their study, the researchers are now showing for the first time how important the diversity of insects and the like is for the productivity of the forest ecosystem.

Insect diversity promotes tree growth in species-rich forests

According to this study, a high diversity of tree varieties has a positive effect on species diversity and the abundance of arthropods such as insects, spiders and millipedes. But that's not all: the arthropods make a decisive contribution to the fact that a high diversity of tree species also promotes productivity in the forest. As the team writes in the journal Nature Ecology & Evolution, in species-rich forests, the spread of herbivorous arthropods is more effectively suppressed by foraging and parasitic arthropods. This, in turn, favors tree growth.

Basis for protection and preservation of biodiversity

"The findings underscore the critical role of conservation measures in promoting and maintaining forest biodiversity," says the head of the experiment, Xiaojuan Liu of the Chinese Academy of Sciences in Beijing. For the researchers, it is clear that optimizing forest management for greater carbon sequestration can be more effective if arthropod diversity is promoted along with tree diversity.

bb

Es ist ein Problem vieler ehemaliger Bergwerke: Ihr Flutungswasser ist meist mit Schwermetallen belastet, beispielsweise bei Uranminen mit Uran. Schon länger entwickelt die Umweltbiotechnologie Ansätze, um diese Schwermetalle mithilfe von Mikroorganismen herauszufiltern. Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun ein vielversprechendes Bakterium dafür entdeckt.

Bakterien samt Uran mit Magneten herausfischen

Magnetospirillum magneticum gehört zur Gruppe der sogenannten magnetotaktischen Bakterien: Diese besitzen Magnetosome, membranumhüllte magnetische Kristalle, anhand derer sich die Mikroben am Erdmagnetfeld orientieren. Außerdem können sie in einem breiten pH-Spektrum und bei hohen Urankonzentrationen gedeihen – typischen Bedingungen im Kontext von Bergbauwasser. Und nicht nur das: Die Bakterien nehmen mit ihrem Stoffwechsel Uran auf und bauen das Schwermetall fast ausschließlich in ihre Zellwand ein.

Dank ihrer magnetotaktischen Eigenschaften ist es möglich, die Bakterien samt dem von ihnen gebundenen Uran mittels eines Magneten aus dem Wasser herauszufischen. „Dies ist auch im großen Stil in Form einer Behandlung direkt in oberflächennahen Gewässern oder über das Abpumpen des Wassers aus Untertage-Bergwerken und dem Weiterleiten in Pilotkläranlagen vorstellbar“, erläutert Evelyn Krawczyk-Bärsch vom HZDR. Auch ökonomisch dürfte der Ansatz interessant sein. Chemische Aufreinigungsmethoden sind kostspielig. Bislang waren biotechnologische Alternativen nicht günstiger, weil Bakterien, die Uran aufnehmen, einen hohen Nährstoff- und Energiebedarf haben. M. magneticum hingegen ist außerordentlich genügsam.

Potenzielle Anwendung für Plutonium-Endlager

Im Fachmagazin „Journal of Hazardous Materials“ berichten die Forschenden detailiert darüber, wie die Bakterien Uran in ihre Zellmembran einbauen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei den magnetotaktischen Bakterien Peptidoglykan während der Aufnahme von Uran die Hauptrolle spielt“, berichtet Krawczyk-Bärsch. Diese Erkenntnis sei neu und bei diesem Bakterientyp unerwartet.

Auch mit Blick auf die Endlagersuche für radioaktive Abfälle wie Plutonium könnte M. magneticum interessant sein. Die Art, wie das Bakterium mit Eisenmolekülen umgeht, könnte darauf hindeuten, dass es auf ähnliche Weise auch Urannukleotide aufnehmen könnte. Möglicherweise ließe sich ähnlich wie Uran auch Plutonium aus kontaminiertem Wasser entfernen.

bl

A problem with many former mines is that their floodwater is usually contaminated with heavy metals, in the case of uranium mines, for example, with uranium. Environmental biotechnology has long been developing approaches to filter out these heavy metals with the help of microorganisms. Researchers at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) have now discovered a promising bacterium for this purpose.

Magnets to fish out bacteria and uranium

Magnetospirillum magneticum belongs to the group of so-called magnetotactic bacteria: They possess magnetosomes, membrane-enclosed magnetic crystals, by means of which the microbes orient themselves to the earth's magnetic field. They can thrive in a broad pH spectrum and at high uranium concentrations - typical conditions in the context of mining water. And not only that: the bacteria absorb uranium with their metabolism and incorporate the heavy metal almost exclusively into their cell wall.

Thanks to their magnetotactic properties, it is possible to use a magnet to remove the bacteria from the water together with the uranium they bind. "This is also conceivable on a large scale in near-surface waters or by pumping the water out of underground mines and passing it on to pilot wastewater treatment plants," explains Evelyn Krawczyk-Bärsch of the HZDR. The approach is also likely to be interesting from an economic point of view. Chemical treatment methods are expensive. Biotechnological alternatives have not been cheaper because uranium-absorbing bacteria have high nutrient and energy requirements. M. magneticum, on the other hand, is extraordinarily undemanding.

Potential application for plutonium repository

In the Journal of Hazardous Materials, the researchers report in detail how the bacteria incorporate uranium into their cell membrane. "Our results show that in magnetotactic bacteria, peptidoglycan plays the main role during uranium uptake," Krawczyk-Bärsch reports. This finding is new and unexpected in this type of bacteria, he said.

M. magneticum could also be interesting with regard to the search for a final repository for radioactive waste such as plutonium. The way in which the bacterium handles iron molecules could indicate that it could also take up uranium nucleotides in a similar way. It may be possible to remove plutonium from contaminated water in a similar way to uranium.

bl

Agrar- und Ernährungssysteme stehen auf Grund des Klimawandels zunehmend unter Druck. Sowohl die Bewirtschaftung der Äcker als auch die Produktion von Nahrungsmitteln muss daher den neuen Herausforderungen angepasst werden, um die Ernährung künftig zu sichern und die Umwelt zu schonen. Großes Potenzial hat der Anbau von Hülsenfrüchten: Leguminosen wie Linsen und Erbsen sind nicht nur reich an Proteinen, sondern wirken zugleich als natürliche Bodenverbesserer, wodurch der Einsatz von Düngemitteln eingespart werden kann.  

Lokale Wertschöpfungsketten für Nischenkulturen schaffen

In der Region Franken-Hohenlohe in Baden-Württemberg wollen Forschende der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf und der Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Nürtingen-Geislingen nun den Anbau von Nischenkulturen wie Kichererbsen, Linsen, Quinoa oder Amarant für pflanzliche Lebensmittel etablieren. Zugleich sollen mithilfe digitaler Technologien Lösungsansätze für lokale Wertschöpfungsketten entwickelt und erprobt werden. Das Projekt „Regionale Wertschöpfungsketten der Zukunft für pflanzliche Lebensmittel mit Arten- und Klimaschutzleistungen durch digitale Technologien“ (regiopakt) wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft im Rahmen der Fördermaßnahme „Zukunftsbetriebe und Zukunftsregionen“ mit 2,2 Mio. Euro gefördert.

Agrarlandschaften dem Klimawandel anpassen

Ziel des Projektes ist herauszufinden, welche Leistungen hinsichtlich der regionalen Besonderheiten konkret erbracht werden müssen, um nachhaltige und zukunftsfähige Agrarlandschaften in der Region zu schaffen, die sich dem Klimawandel anpassen. Im Projekt soll daher eine Wissensdatenbank für ackerbauliche Nischenkulturen entstehen, die gleichzeitig auch ökonomische und ökologische Nachhaltigkeitsleistungen des Anbaus bewertet.

Anbau von Kichererbse und Linse bevorzugt

Bei einem ersten Projekttreffen im April loteten Forschende mit Projektpartnern aus Landwirtschaft und Handel aus, welche Nischenkulturen sowie Arten- und Klimaschutzleistungen jeweils von Interesse sein könnten. Mit Bezug auf die regionalen Besonderheiten war hier das Interesse am Anbau von Kichererbse und Linse besonders groß, gefolgt von Quinoa, Körnerhirse und Lupine.

bb

Agricultural and food systems are under increasing pressure due to climate change. Both the management of fields and the production of food must therefore be adapted to the new challenges in order to ensure food security and protect the environment. The cultivation of legumes has great potential: Legumes such as lentils and peas are not only rich in protein, but at the same time act as natural soil conditioners, which can save on the use of fertilizers.

Creating local value chains for niche crops

In the Franconia-Hohenlohe region of Baden-Württemberg, researchers from Weihenstephan-Triesdorf University and Nürtingen-Geislingen University of Applied Sciences want to establish the cultivation of niche crops such as chickpeas, lentils, quinoa and amaranth for plant-based foods. At the same time, approaches to solutions for local value chains are to be developed and tested with the help of digital technologies. The project "Regional value chains of the future for plant-based foods with species and climate protection services through digital technologies" (regiopakt) is funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture with 2.2 million euros as part of the funding measure "Zukunftsbetriebe und Zukunftsregionen" ("Future farms and future regions").

Adapting agricultural landscapes to climate change

The aim of the project is to find out what specific services need to be provided in terms of regional characteristics in order to create sustainable and future-proof agricultural landscapes that can adapt to climate change. The project therefore aims to create a knowledge database for arable niche crops, which at the same time also evaluates economic and ecological sustainability services of cultivation.

Cultivation of chickpea and lentil preferred

At a first project meeting in April, researchers worked with project partners from agriculture and trade to find out which niche crops and species and climate protection services might be of interest. With reference to regional specifics, interest in the cultivation of chickpea and lentil was particularly high here, followed by quinoa, grain millet and lupin.

bb

Es sind zwei Disziplinen mit großen Stärken: Die Biotechnologie auf der einen Seite ermöglicht sehr spezifische Reaktionen mit stabilen Katalysatoren. Die Elektrochemie auf der anderen Seite schleust besonders effizient Energie in chemische und biotechnologische Prozesse ein. Vor fast zehn Jahren stellte sich der Biotechnologe Dirk Holtmann gemeinsam mit seinem Kollegen Klaus-Michael Mangold aus der Elektrochemie die Frage, ob sich nicht beide Disziplinen gewinnbringend kombinieren lassen. Heraus kam das fünfjährige Forschungsprojekt „Mikrobielle Elektrosynthesen“ (MES), das als Projekt MES 2.0 von März 2018 bis Februar 2022 am DECHEMA Forschungsinstitut seine Fortsetzung fand.

Mehr Ressourcen- und Energieeffizienz

„Unsere Idee war es, beide Ansätze in einem einzigen Reaktor zu kombinieren und Reaktionen dadurch ressourcen- und energieeffizienter zu gestalten“, erinnert sich Holtmann, der heute am Karlsruher Institut für Technologie die Gruppe Elektrobiotechnologie leitet. Dabei stellten sich mehrere Fragen. Zum einen ist kein Organismus in der Natur dafür gemacht, mit Elektroden Energie auszutauschen. Dennoch gibt es Mikroorganismen, die genau das können. „Aber nur weil bekannt ist, dass sie das können, wissen wir noch nicht, wie. Und wie können wir das dann nutzen? Wie machen wir daraus einen Prozess? Und wie gut ist der Prozess am Ende?“, erläutert Holtmann, womit sich das Team zunächst auseinandersetzen musste.

Nachdem die Beteiligten in der ersten Förderperiode wichtige Grundlagen legen konnten, haben sie in MES 2.0 vor allem in vier Bereichen das Wissen über die Elektrobiotechnologie näher an die Anwendung herangeführt:

Wie entstehen Biofilme an einer Elektrode?

Die meisten Mikroorganismen benötigen direkten Kontakt mit der Elektrode, um Elektronen austauschen zu können. Sie wachsen dort als Biofilme. „Wir wollten daher verstehen, wie sich diese Biofilme bilden, welche Oberflächeneigenschaften der Elektrode dazu nötig sind und wie wir das Ganze dann optimieren können“, erklärt Holtmann das erste Ziel.

Klar zeigen konnte das Team, dass die Oberflächenparameter wesentlich sind, damit ein Biofilm sich ansiedelt – und vor allem wie schnell und wie stabil. „Aber es gibt weitere Parameter, die Effekte haben“, betont der Biotechnologe. Allerdings führten die gleichen Bedingungen bei unterschiedlichen Mikroorganismen zu unterschiedlichen Reaktionen. „Mit einem Parameter lässt sich die Biofilmbildung nicht erklären“, resümiert Holtmann. „Wir haben den Prozess jetzt deutlich besser verstanden, auch wenn es kein allgemeines Rezept gibt und man den Einzelfall genau betrachten muss.“ Dennoch geht der Biotechnologe davon aus, dass eine anwendungsreife Technologie daraus wohl noch 10 bis 15 Jahre Forschung erfordern wird.

Elektroaktives Bakterium molekularbiologisch verbessert

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung war das Bakterium Shewanella oneidensis. Es ist bekannt dafür, elektroaktiv zu sein. Das Team hat diese Eigenschaften ausgebaut. „Wir haben den Organismus molekularbiologisch verbessert und so verändert, dass er neue Produkte – Glutamat und Itaconsäure – herstellen kann“, erläutert Holtmann. Glutamat erzeugt das Bakterium in solchen Mengen, dass es als neues biotechnologisches Produktionssystem nutzbar ist. Seinen Energiestoffwechsel wickelt der Einzeller komplett über eine Elektrode ab, an die er Elektronen abgibt. Auch nach Ende des Projekts will Holtmann das Bakterium weiter optimieren, sowohl mittels gerichteter Mutation als auch durch adaptive Laborevolution. „Shewanella hat viele Möglichkeiten und ist molekularbiologisch gut zugänglich“, äußert sich der Forscher zuversichtlich.

Den Machbarkeitsbeweis hat das Projekt außerdem für eine 200-Prozent-Zelle erbracht. Darunter verstehen Elektrochemiker Elektrolyse-Systeme, bei denen an Anode wie an Kathode eine Wertschöpfung erfolgt. Im Regelfall entsteht nur an einer der beiden Elektroden ein Produkt und die andere Reaktion ist lediglich eine chemisch notwendige Gegenreaktion ohne Mehrwert. Hier ist es dem Team jedoch gelungen, ein gekoppeltes System zu entwickeln: An der Anode erzeugte es Octan. Die dabei entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff nutzt ein Organismus an der Kathode, um dort Isopropanol zu bilden. Als Kohlenstoffquelle dient ihm CO₂. „Wir haben zwei Reaktionen, die gut funktionieren, die feinjustiert und sehr gut einsetzbar sind“, resümiert Holtmann. „Jetzt wollen wir das System skalieren, um es industrienah zu bringen.“ Ökonomisch attraktiv ist eine solche 200-Prozent-Zelle allemal, da sie eine sehr hohe Energieeffizienz aufweist.

Industrienaher Prozess mit Gasdiffusionselektrode

Schon heute industrienah ist der vierte Schwerpunkt des Projekts, die Entwicklung eines mikrobiellen Prozesses mit einer Gasdiffusionselektrode. Darin soll aus CO₂ der Kunststoff Polyhydroxybuttersäure (PHB) erzeugt werden. Diese Form der Elektrode ist besonders interessant, da sich Kohlendioxid in wässrigen Medien schlecht löst. In diesem Verfahren wird das Gas jedoch schon in der Elektrode selbst elektrochemisch zu Ameisensäure umgesetzt, während es dort hindurchströmt. In der Flüssigphase setzen dann Mikroorganismen die Ameisensäure um zu PHB. „Wir wollen das Verfahren in einem Folgeprojekt noch weiter verbessern“, sagt Holtmann, „aber es ist schon jetzt sehr gut skalierbar und sehr effizient“.

Insgesamt war das Projekt MES 2.0, das vom Bundesforschungsministerium mit rund 1,25 Mio. Euro gefördert wurde, aus Holtmanns Sicht sehr erfolgreich. Es gehen nicht nur mehrere Publikationen in hochrangigen Fachjournalen darauf zurück. „Wir können auch der Industrie etwas für heute anbieten, ebenso wie Ideen für die Zukunft“, betont der Biotechnologe. „Außerdem haben wir die Möglichkeiten und Grenzen der mikrobiellen Elektrosynthesen aufgezeigt.“

Autor: Björn Lohmann