Agriculture is responsible for around 7.7% of Germany's greenhouse gas emissions. In order to achieve the climate targets, emissions of climate-damaging gases must be drastically reduced. In agriculture, this is to be achieved with the help of carbon farming. There are many measures that remove carbon dioxide from the atmosphere and store CO2 in the soil. But how does the principle work in agricultural practice and how effective are humus certificates? Carsten Paul from the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF) studied this topic. Paul, who holds a doctorate in ecology, is convinced that the benefits of carbon farming for agriculture are as diverse as the measures it involves. Paul sees the biggest challenge with carbon farming in the fact that the measures must be implemented on a permanent basis in order to have a climate impact.
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Die Intensivierung der Landwirtschaft hat der kostbaren Ressource Boden in den vergangenen Jahrzehnten heftig zugesetzt. In der Kritik steht vor allem die Düngepraxis, die erhöhte Schadstoffeinträge zur Folge hat. 60% der landwirtschaftlichen Böden sind nach einem Bericht der EU-Kommission überdüngt. Mit einem Gesetz will die EU nun gegensteuern und die Bodenqualität durch Düngevorgaben verbessern. Die Düngemengen dem Nährstoffgehalt des Bodens anzupassen, ist für Landwirtinnen und Landwirte aktuell kaum möglich, weil tagesaktuelle Daten dafür notwendig wären. Hier setzt das Projekt „Soilmonitor“ an.
In dem von der EU geförderten Vorhaben will ein interdisziplinäres Team der Christian-Albrechts-Universität Kiel ein Messgerät entwickeln, das rund um die Uhr die wichtigsten Nährstoffwerte direkt im Boden erfasst. Das batteriebetriebene Gerät von etwa 5 cm x 3 cm x 3 cm Größe, wird dafür in den Boden eingesetzt und entnimmt sowie analysiert dort automatisch die Bodenflüssigkeit. Nitrat-, Ammonium- und Phosphatwerte sollen so in Echtzeit gemessen und die Daten direkt an ein Smartphone oder anderes digitales Endgerät übertragen werden, wo sie ausgelesen werden können.
Nährstoffe direkt im Boden erfassen
„Dieses Sensorsystem im Format einer Streichholzschachtel ermöglicht zum ersten Mal eine 24/7-Messung der Nährstoffe im Boden und damit eine optimale, datenbasierte Düngung“, so Martina Gerken, Professorin für Integrierte Systeme und Photonik an der Technischen Fakultät und Leiterin des Projekts. „Die Technologie dahinter basiert auf einem optoelektronischen Detektionschip, der von uns entwickelte organische Leuchtdioden zur optischen Auslesung nutzt. Mit hydrophilen Keramikmaterialien wollen wir die Entnahme der Bodenflüssigkeit erleichtern“, so Gerken weiter.
Düngeverhalten sofort anpassen
Der Vorteil dieses sogenannten mikrofluidischen Lab-on-a-Chip-Systems: zeitaufwendige Probenentnahmen, Laboranalysen und Wartungsarbeiten entfallen. Landwirtinnen und Landwirte könnten anhand der Daten aus dem Boden ihr Düngeverhalten sofort anpassen. „Vor allem die Nitratgehalte in Böden sind sehr variabel und erfordern daher eine neue Messtechnik, um eine passgenaue Düngung zu ermöglichen“, so Sandra Spielvogel, Professorin für Bodenkunde an der Agrar- und Ernährungswissenschaftlichen Fakultät und Teil des Projektteams. Für eine reibungslose Aufnahme der Bodenlösungen will ein Team um Spielvogel unter anderem Böden mit verschiedenen Porengrößen und -verteilungen, Lagerungsdichten und Wassergehalten untersuchen und in Feldversuchen testen. Zeynep Altintas, Professorin für Biomaterialien und Biosensortechnologien, ist im Team für den Nachweis der verschiedenen Nährstoffe zuständig. Das unternehmerische Know-how bringen Forschende um Monika Sienknecht vom Lehrstuhl vom Gründungs- und Innovationsmanagement ein.
Prototyp zur Marktreife bringen
Im Rahmen des EU-Projektes will das interdisziplinäre Team einen Prototyp entwickeln und zur Marktreife bringen. „Unser langfristiges Ziel ist die Gründung eines Unternehmens, um den Soilmonitor in größerem Maßstab für Anwendungen in der Landwirtschaft und in der Bodensanierung zu produzieren. Neben einem eigenständigen System soll es auch eine Komponente geben, die sich in bestehende Systeme integrieren lässt“, sagt Gerken.
Das dreijährige Vorhaben ist im November gestartet und wird über das „EIC Transition“-Programm der Europäischen Union mit rund 2,5 Mio. Euro gefördert. „Diese EU-Förderung ermöglicht einen wichtigen Beitrag für eine effizientere und zugleich umweltschonendere Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Flächen. Sie zeigt außerdem einmal mehr das Potential, das eine starke interdisziplinäre Zusammenarbeit für die großen Fragen unserer Zeit hat“, sagt Prof. Dr.-Ing. Eckhard Quandt, CAU-Vizepräsident für Forschung und Transfer.
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Hinter den goldenen Ziffern auf unserer Mooswand verbergen sich faszinierende Geschichten, Wissenswertes zur Bioökonomie und innovative biobasierte Produkte. Nach dem 24. Dezember sind Begriffe wie Bambulator, Wurzelkleid und Rhizosphäre keine Unbekannten mehr.
Pflanzliche Roh- und Reststoffe aus Agrar- und Forstwirtschaft sind für eine nachhaltige Bioökonomie Ausgangsstoffe mit enormem Potenzial. Neben Abfällen wie Rinde, Holzreste, Stroh oder Gras zählen auch jene Pflanzen dazu, die auf Wiesen und Weiden wachsen. Den sogenannten Grünlandschnitt für die Bioökonomie im Sinne der Kreislaufwirtschaft nutzbar zu machen, steht seit einiger Zeit im Fokus des Projektes ProGrün. Hier wollen Forschende der Universität Hohenheim die im Grünlandschnitt enthaltenen Proteine als neue Rohstoffquelle etablieren – etwa für Tierfutter, Lebensmittel oder Plattformchemikalien. Das dreijährige Vorhaben wird bis 2023 vom Ministerium für Ernährung, Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg (MLR) mit insgesamt 1,07 Mio. Euro gefördert.
Proteinextrakt aus Grünschnitt für Tierfutter gewonnen
Zwei Jahre nach Projektstart können die Forschenden erste Erfolge vorweisen. In der On-Farm-Bioraffinerie auf der Versuchsstation der Universität Hohenheim am Standort Unterer Lindenhof wurden aus dem eiweißhaltigen Grünlandschnitt die ersten 50 Kilogramm eines Proteinextraktes für Futtermittel hergestellt und an Tiere verfüttert. Das Besondere: Das aus den Pflanzen von Wiesen und Weiden gewonnene Proteinfutter ist grundsätzlich auch für sogenannte Nicht-Wiederkäuer wie Hühner und Schweine geeignet, die diese – anders als Wiederkäuer wie Rinder und Schafe – bisher nicht verstoffwechseln konnten.
Eiweißgehalt mit Soja-Protein vergleichbar
Damit auch Nicht-Wiederkäuer das Grünfutter vertragen, war jedoch ein Zwischenschritt zur Extraktion und zum Aufschluss der verdaulichen Proteine notwendig: Zunächst musste das Gras zerkleinert und gepresst und dann aus dem Presssaft der hohe Anteil an löslichen Proteinen der pflanzlichen Struktur herausgelöst werden. Auch Zucker, Säuren und andere Substanzen wurden dabei abgetrennt, weil diese die Verdaubarkeit der Proteine beeinträchtigen. Zurückblieb ein Presskuchen mit einem hohen Proteinanteil. Die getrockneten Proteine wurden abschließend mit weiteren Tierfutterbestandteilen gemischt und pelletiert. „Aus rund 45 Tonnen frisch geschnittenen Grases kann so proteinreiches Futter mit 1.000 Kilogramm Proteinanteil hergestellt werden“, sagt Reinhard Kohlus vom Fachgebiet für Lebensmittelverfahrenstechnik und Pulvertechnologie der Universität Hohenheim. „Die Zusammensetzung der Aminosäuren in dem Proteinextrakt entspricht in etwa der von Soja“, ergänzt Markus Rodehutscord, „und ist damit im Prinzip hervorragend für die Ernährung von Hühnern und Schweinen geeignet.“
Vollständige Reststoffverwertung in On-Farm-Bioraffinerie
Mit dem Proteinfutter ist das Potenzial des Grünlandschnitts aber bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Im Projekt ProGrün will das Team auch die restliche Biomasse, konkret Presssaft und Presskuchen, nutzbar machen. „So kann der anfallende Presskuchen zur Herstellung von Graspapier oder von Fasermatten zur Isolierung dienen“, erläutert Projektkoordinatorin Andrea Kruse. Da im Presskuchen noch ausreichend Protein enthalten ist, könnte dieser auch als Futter für Rinder dienen oder in der Biogas-Anlage energetisch verwertet werden. Der Gärrest könnte wiederum als Dünger auf dem Feld landen. Eine Rohstoffquelle zur Herstellung biobasierter Kunststoffe ist dagegen der Presssaft. Die darin enthaltenen Kohlenhydrate und Zucker sind der Grundstock, aus dem sogenannte Plattformchemikalien wie HMF (5-Hydroxymethylfurfural) erzeugt werden können.
Minifarm als Bioökonomie im Kleinen
Mit der On-Farm-Bioraffinerie haben die Hohenheimer eine Demonstrationsanlage parat, die Biomasse wie Grünlandschnitt in neue Produkte für die Bioökonomie verwandeln kann. Geht es nach Andrea Kruse, könnte die Minianlage schon bald auf Bauernhöfen stehen als neue Einkommensquelle für Landwirtinnen und Landwirten. „Damit haben wir dort alles, also Gras, Bioraffinerie sowie Hühner und Schweine, um eine Bioökonomie im Kleinen aufzubauen."
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Agricultural and forestry raw materials and residues have enormous potential for a sustainable bioeconomy. These include waste such as bark, wood residues, straw or grass, but also plants that grow on meadows and pastures. The utilization of grassland cuttings for the bioeconomy in the sense of a circular economy is the focus of the ProGrün project. Researchers at the University of Hohenheim want to establish the proteins contained in grassland cuttings as a new resource - for example, for animal feed, food or platform chemicals. The three-year project is funded by the Baden-Württemberg Ministry of Food, Rural Areas and Consumer Protection (MLR) with a total of 1.07 million euros until 2023.
Protein extract for animal feed obtained from grass cuttings
Two years after the start of the project, the researchers have achieved their first successes. In the on-farm biorefinery at the University of Hohenheim's research station Unterer Lindenhof, the first 50 kilograms of a protein extract for animal feed were produced from the protein-rich grassland cuttings and fed to animals. The novelty: The protein feed obtained from the plants of meadows and pastures is in principle also suitable for so-called non-ruminants such as chickens and pigs, which - unlike ruminants such as cattle and sheep - have so far been unable to metabolize it.
Protein content comparable to soy protein
For the non-ruminants to digest the green fodder, however, an intermediate step is required to extract and break down the digestible proteins: First, the grass must be shredded and pressed, then the high content of soluble proteins in the plant structure is extracted from the pressed juice. In the process, sugars, acids and other substances are also separated because they impair the digestibility of the proteins. What remains is a press cake with a high protein content. The dried proteins are then mixed with other feed ingredients and pelleted. "A high-protein feed with a protein content of 1,000 kilograms can be produced from about 45 tons of freshly cut grass," says Reinhard Kohlus from the Department of Food Process Engineering and Powder Technology at the University of Hohenheim. "The amino acid composition of the protein extract is roughly the same as that of soy," adds Markus Rodehutscord, "and is thus in principle eminently suitable for feeding chickens and pigs."
Complete recycling of residues in on-farm biorefinery
The potential of grassland cuttings is far from exhausted with the protein feed, however. The ProGrün team also wants to make use of the remaining biomass, specifically pressed juice and press cake. "The resulting press cake can, for example, be used to produce grass paper or fiber mats for insulation," explains project coordinator Andrea Kruse. Since there is still sufficient protein in the press cake, it could also serve as feed for cattle or be used for energy in the biogas plant. The fermentation residue could in turn be used as fertilizer in the fields. One source of raw materials for the production of biobased plastics, on the other hand, is pressed juice. The carbohydrates and sugars it contains are the base from which so-called platform chemicals such as HMF (5-hydroxymethylfurfural) can be produced.
Farm as a small-scale bioeconomy
With the on-farm biorefinery, the Hohenheim researchers have a pilot plant that can transform biomass such as grassland cuttings into new products for the bioeconomy. According to Andrea Kruse, the mini plant could soon be on farms as a new source of income for farmers. "This way, we have everything - grass, biorefinery, and chickens and pigs - to build a bioeconomy on a small scale."
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Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Bioökonomie spielt die Biotechnologie eine zentrale Rolle. Schon heute stecken in vielen Produkten und Verfahren des Alltags biotechnologische Innovationen. Das Portfolio reicht vom Waschmittel über Biosprit bis hin zur Abwasserreinigung. Doch in der öffentlichen Wahrnehmung werden Neuerungen aus der Biotechnologie mitunter kritisch gesehen. Ein Beispiel ist die Gentechnik. Der Transformationsprozess kann aber nur gelingen, wenn solche Innovationen auch bei den Verbraucherinnen und Verbrauchern Akzeptanz finden. Doris Fuchs ist überzeugt: Information und Dialog sind der Schlüssel dazu. Die Politikwissenschaftlerin leitete gemeinsam mit dem Mikrobiologen Bodo Philipp das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt BIOCIVIS. Darin untersuchte eine Team der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, wie der Nutzen solcher bioökonomischer Technologien gesellschaftlich gesichert und gleichzeitig die Beteiligung der Bevölkerung realisiert werden kann.
Im Jahr 2020 gab es den Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung der Genschere CRISPR/Cas. Für einen Nobelpreis war das recht nah am eigentlichen Zeitpunkt der Entdeckung – ein Zeichen für hohe Relevanz. Die Genschere ermöglicht es, höchst präzise Erbgut zu bearbeiten. Das Potenzial reicht von der Behandlung von Erbkrankheiten bis zur schnellen Anpassung wichtiger Nahrungspflanzen an den Klimawandel. Doch CRISPR ist in der Ursprungsform kein von Menschen erdachtes Verfahren, sondern ein natürlicher Mechanismus. Den hat jetzt ein Forschungsteam der Universität Bonn untersucht und neue Erkenntnisse gewonnen.
Schere für Phagen-Ergbut
In der Natur ist CRISPR eine Funktion des bakteriellen Immunsystems und dient dazu Phagen abzuwehren. Phagen sind für Bakterien in etwa das, was Viren für uns Menschen sind. CRISPR erkennt, wenn Phagen die Bakterienzelle angreifen und zerschneidet die Erbsubstanz des Eindringlings. Könnte der Phage seine Erbsubstanz intakt ins bakterielle Genom integrieren, würde das Bakterium automatisch damit neue Phagen herstellen und die Infektion verbreiten. Um künftig besser gewappnet zu sein und Phagen noch schneller zu erkennen, speichert das Bakterium die Bruchstücke des Phagenerbguts in einer Art Archiv.
Bis dahin ist die natürliche Funktion von CRISPR gut bekannt. Bekannt war auch schon, dass die sogenannte Typ-III-Variante der Genschere kleine Signalmoleküle herstellt, wenn sie Phagen-Erbgut entdeckt. Diese Signalmoleküle mobilisieren die gesamte Immunabwehr des Bakteriums, um den Angriff möglichst breit abzuwehren. Es ist dieser Signalmechanismus, den Forschende der Universität Bonn gemeinsam mit Teams der Universität St. Andrews in Schottland und des European Molecular Biology Laboratory in Hamburg nun erstmalig genauer in seinem Ablauf beschrieben haben.
Signalkaskade für breite Immunreaktion
Wie die Biologen im Fachjournal „Nature“ berichten, bindet das Signalmolekül an ein Protein namens CalpL. Dadurch erhält das die Funktion eines Enzyms aus der Gruppe der Proteasen. Die heißen so, weil sie bestimmte Proteine abbauen können. Das ist jedoch nicht alles. „Proteasen werden auch im menschlichen Immunsystem benutzt, um Informationen rasend schnell weiterzugeben“, sagt Niels Schneberger vom Uniklinikum Bonn und einer der beiden Erstautoren der Studie.
Weitere Untersuchungen führten zum Zielprotein der Protease: CalpT. Es „sichert“ ein drittes Protein, CalpS. Fällt CalpT aus, weil die Protease es zerschneidet, kann CalpS seine Wirkung entfalten. „CalpS ist ein gut bewachter Sigma-Faktor“, erläutert Christophe Rouillon, Gastwissenschaftler am Uniklinikum und weiterer Erstautor der Studie. „Solche Proteine führen zur Anschaltung von bestimmten Genen, was den Stoffwechsel der Bakterie auf Verteidigung umstellt.“ Welche Gene das genau sind, ist nun Gegenstand weiterer Forschung.
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In 2020, the Nobel Prize in Chemistry was awarded for the discovery of the CRISPR/Cas gene scissors. The awarding of the prize took place only shortly after the actual date of discovery - a sign of high relevance. The gene scissors make it possible to edit genetic material with extreme precision. Applications range from the treatment of hereditary diseases to the rapid adaptation of important food crops to climate change. However, CRISPR in its original form is not a process devised by humans, but a natural mechanism. A team of researchers at the University of Bonn has now studied this mechanism and gained new insights.
Phage genome scissors
In nature, CRISPR is a function of the bacterial immune system, which serves to defend against phages. Phages are to bacteria what viruses are to us humans. CRISPR detects when phages attack the bacterial cell and cuts off the invader's genetic material. If the phage could integrate its genetic material intact into the bacterial genome, the bacterium would automatically use it to produce new phages and spread the infection. To be better prepared and to be able to recognize phages even faster, the bacterium stores the fragments of the phage genetic material in a kind of archive.
Up until this step, the natural function of CRISPR is well known. Just like the fact that the so-called type III variant of the gene scissors produces small signal molecules when it discovers the genetic material of phages. These signal molecules mobilize the bacterium's entire immune defenses to repel the attack as broadly as possible. Researchers at the University of Bonn, together with teams from the University of St. Andrews in Scotland and the European Molecular Biology Laboratory in Hamburg, have now described this signaling mechanism in more detail for the first time.
Signaling cascade for broad immune response
As the biologists report in the journal Nature, the signal molecule binds to a protein called CalpL and thus has the function of an enzyme from the group of proteases. The name comes from the fact that they can degrade certain proteins. But that's not all: "Proteases are also used in the human immune system to pass on information at a rapid pace," says Niels Schneberger of the University Hospital Bonn and one of the two first authors of the study.
Further investigations led to the target protein of the protease: CalpT. It "secures" a third protein, CalpS. If CalpT precipitates because the protease cuts it, CalpS can exert its effect. "CalpS is a well-guarded sigma factor," explains Christophe Rouillon, a visiting scientist at the university hospital and another first author of the study. "Such proteins lead to the switching on of specific genes, which sets the bacterium's metabolism to defense." Exactly which genes these are is now the subject of further research.
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