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Teigwaren wie Brot gehören für viele Menschen wie selbstverständlich bei Mahlzeiten dazu. Bei 250 Millionen Menschen weltweit verursacht solche Kost jedoch gravierende Gesundheitsprobleme. Der Grund: sie leiden unter Zöliakie – einer Unverträglichkeit des in vielen Getreidearten vorkommenden Klebereiweißes Gluten. Zwar gibt es bereits glutenfreie Produkte auf dem Markt. Doch den Backwaren fehlt es dabei vor allem an Fluffigkeit. Denn das Klebereiweiß Gluten ist ein Protein, das in Teig und Brot für die Stabilität der Luftblasen sorgt und den Teigwaren Volumen verleiht. Ohne das stützende Gluten-Gerüst fällt der Teig zusammen.

Teig mit alternativen Proteinen stabilisieren

Forschende am Fachgebiet Pflanzliche Lebensmittel der Universität Hohenheim suchen daher gezielt nach alternativen Proteinen, die den Teig fluffig machen und gleichzeitig für Menschen mit Glutenunverträglichkeit geeignet sind. „Statt den Teig mit Gluten zu stützen, konzentrieren wir uns darauf, die Grenzfläche zwischen Gasbläschen und Teig mit alternativen Proteinen zu stabilisieren“, so Mario Jekle, Leiter des Fachgebietes Pflanzliche Lebensmittel an der Universität Hohenheim. Ziel der Forschenden ist es, alternative Proteine zu finden, die das Gluten-Protein direkt ersetzen können oder sich zu Ketten mit Gluten-ähnlichen Eigenschaften verknüpfen lassen.

Bei ihren Versuchen konzentrieren sich die Forschenden zum einen auf pflanzliche Proteine aus Erbse und Raps, aber auch auf schäumende Pflanzenstoffe, sogenannte Saponine, die aus Quinoa und Gänseblümchen gewonnen wurden. Diese werden in einer Gärstraße in einem ersten Schritt zunächst bedampft und anschließend in einem traditionellen Durchlaufbackofen erhitzt.

Verkettung von Proteinen und Schleimstoffen

Doch die neuen Teigwaren sollen nicht nur gesund und fluffig, sondern auch schmackhaft und nährstoffreich sein. Hier setzt das Team auf Schleimstoffe, sogenannte Arabinoxylane, die reich an Ballaststoffen sind. Arabinoxylane sind in fast allen Getreideschalen enthalten und werden auch als Kleie oder Viehfutter verwendet. Natürliche Proteine aus Reis, Mais oder Hafer sollen hierfür mit den Schleimstoffen verkettet werden.

Potenzial für Pflanzenzüchtung

Noch sind es im wahrsten Sinne kleine Brote, die vom Band der Mini-Backstraße im Hohenheimer Technikum laufen. Die Forschenden sind jedoch vom Potenzial ihrer Forschung überzeugt. So würde die Verkettung pflanzlicher Proteine mit Schleimstoffen auch Fleischersatzprodukten einen Zusatznutzen bescheren können. Perspektivisch könnten das Auflockern des Teigs und der Backvorgang auch in einem Arbeitsschritt mit Hilfe von 3D-Druckern erfolgen. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Mit seiner Forschung verfolgt das Team aber noch einen anderen Zweck: „Wenn wir die Anforderungen genau definieren, können wir zusammen mit den Pflanzenzüchtern zielgerichtet neue Erbsensorten züchten, deren Proteine sich noch besser für unseren Ansatz eignen“, erklärt Jekle.

For many people, pasta is a natural part of their meals. For 250 million people worldwide, however, such food causes serious health problems. The reason: they suffer from celiac disease - an intolerance to gluten, a protein found in many types of grain. Although there are already gluten-free products on the market, the baked goods lack the right texture. This is because gluten is a gluten protein that provides stability to air bubbles in dough and bread and gives volume to pasta. Without the supporting gluten framework, the dough collapses.

Stabilize dough with alternative proteins

Researchers at the Department of Plant Foods at the University of Hohenheim are therefore specifically looking for alternative proteins that make the dough fluffy and suitable for people with gluten intolerance. "Instead of supporting the dough with gluten, we are focusing on stabilizing the interface between the gas bubbles and the dough with alternative proteins," said Mario Jekle, head of the Department of Plant Foods at the University of Hohenheim. The researchers' goal is to find alternative proteins that can directly replace the gluten protein or can be linked to form chains with gluten-like properties.

In their experiments, the researchers focus on plant proteins from pea and rapeseed, on the one hand, but also on foaming plant substances, so-called saponins, obtained from quinoa and daisies. These are first steamed in a fermentation line and then heated in a traditional continuous baking oven.

Chaining of proteins and mucins

The new pasta should not only be healthy and fluffy, but also tasty and nutritious. Here, the team relies on mucilage substances known as arabinoxylans, which are rich in dietary fiber. Arabinoxylans are found in almost all cereal hulls and are also used as bran or cattle feed. Natural proteins from rice, corn or oats are to be linked with the mucins for this purpose.

Potential for plant breeding

The breads that roll off the conveyor belt of the mini-baking line at the Hohenheim Technical Center are still tiny. But the researchers are convinced of the potential of their research. The combination of plant proteins and mucilage could also bring further advantages for meat substitutes. In the future, 3D printers could also be used to loosen and bake the dough in a single step. But there is still a long way to go before that happens. The team is pursuing another goal with its research, however: "If we define the requirements precisely, we can work with plant breeders to specifically breed new pea varieties whose proteins are even better suited to our approach," explains Jekle.

Die Biotechnologiebranche kann auch weiterhin von den positiven Effekten der Corona-Pandemie profitieren. Nach zwei Rekordjahren in Folge ging der Umsatz im Jahr 2022 im Vergleich zum Vorjahr zwar um rund 3 % auf 25 Mrd. Euro zurück. Dennoch ist das Niveau anhaltend hoch, wie die neuesten Branchenzahlen vom Biotechnologie-Branchenverband BIO Deutschland und der Wirtschaftsprüfungsgesellschaft EY zeigen. An der jährlichen Umfrage nahmen 727 private Biotech-Unternehmen und 23 deutsche börsennotierte Unternehmen teil.

Großer Bedarf an biotechnologischem Know-how

„Umsatz und FuE-Investitionen sind noch sehr hoch im Vergleich zu vor der Pandemie. Auch das beachtliche Plus beim Personal ist wohl teilweise ein Effekt des großen Bedarfs an biotechnologischem Know-how während der Pandemie“, resümiert Oliver Schacht, Vorstandsvorsitzender der BIO Deutschland. Gemäß der Umfrage sind die Investitionen in Forschung und Entwicklung (FuE) im Jahr 2022 mit 3,8 Mrd. Euro stabil geblieben. Hier war es erneut das Biotech-Unternehmen BioNTech SE, das mit seinen Impfstofferlösen sowie steigenden FuE-Investitionen die positive Entwicklung bestimmt.

Zahl deutscher Biotech-Unternehmen stagniert weiter

Sorge bereitet der Branche allerdings, dass die Zahl der Biotech-Unternehmen in Deutschland stagniert. Sie liegt bei aktuell 750. „Hier würden wir gerne eine bessere Dynamik sehen, weil dadurch auch der Technologietransfer weiter verbessert wird. Dafür brauchen wir eine gestärkte 'Third Mission' an den Hochschulen, aber auch sinnvolle Förderprogramme und Anreize für Investitionen in innovative Start-ups“, so Schacht.

Mehr Arbeitsplätze, aber Fachkräftemangel

Die Zahl der Beschäftigten ist im Jahr 2022 um 10 % auf rund 47.400 gestiegen. „Der Zuwachs bei den Mitarbeiterzahlen ist ein gutes Signal und zeigt, dass die Branche wächst. Dem steht leider aber auch ein Mangel an qualifizierten Fachkräften gegenüber. Hier sollten wir gegensteuern. Es muss leichter werden, attraktive Fachkräfte aus dem Ausland einzustellen“, sagt Viola Bronsema, Geschäftsführerin der BIO Deutschland.

Auch eine Aufwertung technischer Ausbildungsberufe und der MINT-Fächer in den Schulen sei dafür dringend notwendig, heißt es. „Unsere Branche bietet mit der Biotechnologie als Querschnitts- und Schlüsseltechnologie hochqualifizierte, zukunftssichere Arbeitsplätze für Deutschland. Es lohnt sich, diese zu sichern“, so Bronsema.

Der Sommer im Jahr 2022 war Wetterexperten zufolge der heißeste seit Beginn der Wetteraufzeichnungen. Temperaturen über 30 Grad sind längst auch in Deutschland Alltag. Auch Hitzerekorde von über 40 Grad Celsius häufen sich. Vor allem in dichtbebauten Großstädten werden Hitze und Luftverschmutzung für die Menschen zunehmend zum Problem. Mehr Grünflächen sowie Wasserstellen oder begrünte Hausfassaden können das Stadtklima nachweislich verbessern, wie Studien belegen. Auch die Bioökonomie kann Innovationen beisteuern, um die Luftqualität und das Klima in Großstädten zu verbessern, wie Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zeigen.

Algenbiofilme für Betonelemente

Im Verbundprojekt AbifFa entwickelt ein Team um Julia von Werder gemeinsam mit Partnern gegenwärtig neuartige Fassadenelemente aus Beton, die ganzjährig mit einem Algenbiofilm bedeckt sind. Es geht dabei um ein Betonsubstrat, das die Etablierung eines großflächigen Biofilms auf Fassaden ermöglicht. „Statt ungewollten Algenbewuchs mit Bioziden zu bekämpfen, wollen wir den städtischen Lebensraum bewusst gestalten und durch großflächige Biofilme gezielt zur Reduktion von Luftschadstoffen und der Dämpfung der innerstädtischen Überhitzung beitragen“, so Julia von Werder, Expertin für mineralische Baustoffe, die das Projekt an der BAM leitet. Das dreijährige Vorhaben wird bis 2024 im Rahmen des Programms „Zukunft Bau“ vom Bundesministerium für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen gefördert.

Hohe Effizenz bei Luftreinigung

Der Vorteil von Algenbiofilmen im Vergleich zu begrünten Hausfassaden mit Efeu, Wildem Wein oder Moosen ist den Forschenden zufolge der geringere Wartungsaufwand und die erhöhte Effizienz bei der Luftreinigung aufgrund ihrer speziellen Oberflächenstruktur. Außerdem sei die Beschichtung nicht nur optisch ansprechend, sondern auch kostengünstig und vollständig recycelbar, heißt es. Sie könnte beim Neubau von Gebäuden als auch bei der Sanierung von Altbauten eingesetzt werden.

Alternative zu herkömmlicher Fassadenbegrünung

Mit der Algenbiofilm-Fassade will das Team nicht nur eine Alternative zur konventionellen Fassadenbegrünung schaffen, sondern auch einen Beitrag zur Beseitigung von Luftschadstoffen im innerstädtischen Bereich leisten. Zudem erwartet das Team, dass diese neuartige Fassadenbegrünung die Artenvielfalt verbessert und den sogenannten Hitzeinsel-Effekt in Großstädten dämpfen kann.

Im Rahmen des Projektes wollen die BAM-Forschenden die Rezeptur des Betons, die Porosität und die Textur der Oberfläche für eine gute Algenbesiedelung optimieren und durch die Auswahl einer gezielten Mischung verschiedener Algenspezies die Biofilme verbessern. Das Berliner Biotech-Start-up Solaga stellt als Projektpartner die speziellen Mikroalgenbiofilme bereit, die Beton-und-Naturstein-Babelsberg GmbH aus Potsdam wird schließlich Prototypen der innovativen Fassadenelemente fertigen, und an der TU Dresden erfolgt dann die ästhetische Bewertung der neuen Fassadenplatte.

According to weather experts, the summer of 2022 was the hottest since weather records began. Temperatures above 30 degrees have long been normal in Germany, and even heat records of over 40 degrees Celsius are more frequent. Especially in densely built-up cities, heat and air pollution are increasingly becoming a problem for people. Studies have shown that green spaces, but also watering holes or greened house facades, can improve the urban climate. The bioeconomy can contribute to improving air quality and the climate in large cities, as researchers at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) demonstrated.

Algae biofilms for concrete elements

In the AbifFa joint project, a team led by Julia von Werder works with partners to develop new types of concrete facade elements that are covered with an algal biofilm all year round. The project involves a concrete substrate that enables the establishment of a large-scale biofilm on facades. "Instead of combating unwanted algae growth with biocides, we want to consciously design the urban habitat and use large-area biofilms to make a targeted contribution to reducing air pollutants and dampening inner-city overheating," says Julia von Werder, an expert in mineral building materials who is leading the project at BAM. The three-year project is funded by the German Federal Ministry of Housing, Urban Development and Building until 2024 as part of the "Zukunft Bau" program.

High efficiency in air purification

According to the researchers, the advantage of algae biofilms compared to green house facades with ivy, wild vines or mosses is that they require less maintenance and are more efficient at cleaning the air due to their special surface structure. In addition, the coating is not only visually appealing, but also cost-effective and fully recyclable. It could be used both in new buildings and in the renovation of old ones.

Alternative to conventional facade greening

With the algae biofilm facade, the team not only wants to create an alternative to conventional facade greening, but also contribute to the elimination of air pollutants in inner-city areas. In addition, the team expects that this new type of facade greening will improve biodiversity and dampen the so-called heat island effect in large cities.

As part of the project, the BAM researchers want to optimize the formulation of the concrete, the porosity and the texture of the surface for good algae colonization and improve the biofilms by specifically selecting different algae species. The Berlin biotech start-up Solaga will provide the special microalgae biofilms as a project partner, Beton-und-Naturstein-Babelsberg GmbH from Potsdam will produce prototypes of the innovative facade elements, and the TU Dresden will subsequently carry out the aesthetic evaluation of the new facade panel.

Pflanzen haben im Laufe der Evolution gelernt, mit ihrer Umwelt zu kommunizieren und sich vor Bedrohungen zu schützen. Ihre Fähigkeit zur Anpassung und damit zum Überleben fasziniert Nicole van Dam. Ihre Forschung widmet die Biologin daher der Biokommunikation der Pflanzen, um den Gemüseanbau nachhaltiger zu machen. Als Expertin für chemische Pflanzenökologie interessiert sie sich dabei vor allem für die chemische Zusammensetzung von Naturstoffen und Genen, die den „natürlichen Selbstverteidigungsprozess“ der Pflanze bestimmen. Mit ihrer Forschung konnte van Dam beweisen, wie sich die chemische Zusammensetzung von Pflanzen und damit deren Kommunikation bei Umweltstress wie Hitze und Trockenheit oder in Verbindung mit Bodenpilzen verändern.

In the course of evolution, plants have learned to communicate with their environment and protect themselves from threats. Their ability to adapt and thus survive fascinates Nicole van Dam. The biologist dedicates her research to plant biocommunication in order to make vegetable cultivation more sustainable. As an expert in chemical plant ecology, she is particularly interested in the chemical composition of natural compounds and genes that determine the plant's "natural self-defense process." With her research, van Dam has been able to demonstrate how the chemical composition of plants, and thus their communication, changes under environmental stresses such as heat and drought or in combination with soil fungi.

Die Landwirtschaft ist vielerorts auf Pflanzenschutzmittel angewiesen. Sie sollen Erträge und damit die Versorgung der Menschen mit Lebensmitteln sichern. Doch der Einsatz von Pestiziden ist umstritten, weil diese nicht nur Schädlingen den Garaus machen, sondern auch Mensch und Natur schaden. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt wird daher an einer umweltfreundlichen Alternative zum Herbizid-Einsatz im Gemüsebau geforscht.

Umweltfreundliche Alternative zum Herbizid-Einsatz

Im Gemüsebau werden Herbizide vor allem zur Bekämpfung sogenannter Beikräuter verwendet. Ein Team um Projektleiter Edgar Remmele vom Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ) in Straubing entwickelt ein Mulchmaterial, das biobasiert und biologisch abbaubar ist und damit Ökosystem und Artenvielfalt gleichermaßen schützt.

Mulchflüssigkeit auf Basis nachwachsender Rohstoffe

„Statt chemische Pflanzenschutzmittel bringen wir eine flüssige Zwei-Komponenten-Mischung auf Basis nachwachsender Rohstoffe in Bahnen auf die Beete auf, die zu großen Teilen aus Wasser, Pflanzenöl sowie weiteren natürlichen Gelier- und Bindemitteln besteht“, sagt Projektleiter Remmele. „An der Bodenoberfläche geliert das Material, härtet aus und bildet die Mulchschicht“, so Remmele.

Die Technik, die zum Ausbringen des neuartigen Mulchmaterials zum Einsatz kommt, wurde in einem früheren von der DBU geförderten Projekt entwickelt. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das mit einem kombinierten Front- und Heckanbau am Traktor angebracht wird. Die flüssigen Komponenten werden beim Ausbringen über verschiedene Düsen miteinander vermengt.

Biologische Abbaubarkeit belegt

Doch wie funktioniert das neuartige Mulchmaterial? Die ausgehärtete Mulchschicht an der Bodenoberfläche blockiert das Sonnenlicht, und verhindert so, dass Beikräuter keimen und wachsen. Gleichzeitig wird das angebaute Gemüse vor konkurrierenden Pflanzen geschützt. Anders als herkömmliche Mulchfolien aus Plastik baut sich die biobasierte Mulchschicht nach ihrer Funktionszeit selbst ab – ohne Spuren auf dem Feld zu hinterlassen.

In zahlreichen Feldversuchen wurde die Praxistauglichkeit in den vergangenen zwei Jahren bereits erprobt und hat vielversprechende Ergebnisse geliefert. „Das Material hat in den meisten Fällen eine deutliche beikrautunterdrückende Wirkung bewiesen und sich ohne negative Auswirkungen auf die Umwelt biologisch abgebaut“, berichtet der Projektleiter. Als nächstes will das TFZ-Team die technischen und ökonomischen Aspekte für die Praxis in landwirtschaftlichen Betrieben optimieren. Unter anderem sollen Materialaufwand und Kosten reduziert und die Ausbringung des umweltfreundlichen Mulchmaterials vereinfacht werden.

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt fördert das Projekt mit insgesamt 778.000 Euro.

Das überregionale Zentrum für Translationale Pflanzenbiodiversitätsforschung (TRANSCEND) ist eine Initiative des nordrhein-westfälischen Exzellenzclusters für Pflanzenwissenschaften (CEPLAS) und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. In der neuen Forschungsallianz bündeln die Spitzenforschungseinrichtungen ihre herausragenden Kompetenzen, Ressourcen und Infrastrukturen. Die Allianz soll den Forschungsstandort Deutschland stärken und die Pflanzenforschung international konkurrenzfähiger machen. Im Fokus stehen die Entwicklung innovativer Methoden für eine schnellere Pflanzenzüchtung und umweltfreundliche Konzepte für Pflanzenschutz und -ernährung.

Die Gründungsveranstaltung von TRANSCEND fand am 7. Juni im Futurium statt und damit in direkter Nachbarschaft zum Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das auch die Schirmherrschaft für das Event übernommen hatte. Geladen hatten Andreas Graner, Geschäftsführender Direktor des IPK sowie Andreas Weber und Maria von Korff Schmising von CEPLAS. Forschende aus den Pflanzenwissenschaften und Pflanzenzüchtung sowie Fachleute aus der Chemieindustrie und Landwirtschaft sowie Kommunikatoren aus der Pflanzen- und Bioökonomieszene waren gekommen.

Bundesministerin und Staatsekretärin begrüßen Initiative

„Wir werden in TRANSCEND Themen aus dem Bereich der Biodiversität bearbeiten, die sich von der Grundlagenforschung bis hin zu angewandten Fragestellungen reichen“, sagte Andreas Graner, Geschäftsführender Direktor des IPK Leibniz-Institutes. Judith Pirscher, Staatssekretärin im BMBF, beglückwünschte die Initiatoren von TRANSCEND zur Gründung und sprach sich im Namen ihres Hauses deutlich für eine weitere Förderung der Pflanzenwissenschaften aus. Sie betonte die große Bedeutung der Pflanzenzüchtungsforschung für eine klimaresiliente Landwirtschaft und eine nachhaltige Bioökonomie. „TRANSCEND zündet den Turbo für die Pflanzenforschung“, sagte Pirscher und nannte einige der Meilensteine, die die beteiligten Institute auch dank der Förderung durch das BMBF auf dem Gebiet der Nutzpflanzengenetik bereits erreicht haben.

Klimawandel und Industrialisierung setzen Ökosysteme weltweit unter Druck – auch die wertvolle Ressource Boden. Vor allem ihre Fähigkeit, wichtige Treibhausgase zu speichern, wird beeinträchtigt. Seit langem ist bekannt, dass Mikroorganismen gerade bei der Umsetzung von organischem Kohlenstoff im Boden eine wichtige Rolle spielen. Wie sich biologische und umweltbedingte Prozesse auf die Kohlenstoffspeicherung in Böden auswirken, war bisher weitgehend unbekannt. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena liefert nun erstmals Antworten.

Effizienz der mikrobiellen Kohlenstoffnutzung im Fokus

Um die Dynamik des Bodenkohlenstoffs zu bestimmen, wählte das Team einen neuartigen Ansatz. Aus verschiedenen Blickwinkeln wurde untersucht, wie die Effizienz der mikrobiellen Kohlenstoffnutzung, die Speicherung von organischem Kohlenstoff im Boden und verschiedene Faktoren wie Klima, Vegetation und Bodeneigenschaften zusammenhängen. Wie das Team in der Fachzeitschrift Nature berichtet, beeinflusst die Effizienz der mikrobiellen Kohlenstoffnutzung die globale Speicherung und Verteilung von Kohlenstoff im Boden mindestens viermal stärker als andere biologische Faktoren oder Umweltbedingungen.

„Wir haben festgestellt, dass die Effizienz der mikrobiellen Kohlenstoffnutzung eindeutig der wichtigste Faktor für die Speicherung von Bodenkohlenstoff ist“, sagte Feng Tao, Erstautor der Studie, der für seine Doktorarbeit als Gast am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena forschte. In der Studie wurden erstmals globale Datensätze, ein spezifisches Modell mikrobieller Prozesse, Datenassimilation, maschinelles Lernen und Meta-Analysen erfolgreich integriert, um diese Beziehung zu untersuchen und die Effizienz der mikrobiellen Kohlenstoffnutzung zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde der Anteil des Kohlenstoffs, der von den Mikroorganismen für das Wachstum verwendet wird, mit dem Anteil des Kohlenstoffs verglichen, der für den Stoffwechsel verwendet wird.

Zentrale Rolle für die Kohlenstoffspeicherung

Das Ergebnis: Wenn Mikroorganismen Kohlenstoff für ihr Wachstum nutzen, wird er in die Biomasse der Mikroorganismen eingebaut und im Boden gespeichert. Anders sieht es aus, wenn der Kohlenstoff für den Stoffwechsel genutzt wird. Dann wird er als Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt und wirkt als Treibhausgas. „Die Studie zeigt, wie wichtig Mikroorganismen und ihre Eigenschaften für die Kohlenstoffspeicherung sind und wie wir sie mit unserer neuen Strategie, die wir schon vor Jahren vorgeschlagen haben, tatsächlich erfassen und bewerten können“, erklärte Markus Reichstein, Co-Autor der Studie und Direktor am Max-Planck-Institut für Biogeochemie.

Die Studie ist ein wichtiger Beitrag, um die mikrobiellen Prozesse bei der Kohlenstoffspeicherung im Boden besser zu verstehen. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse und ihrer Abhängigkeit von Umweltfaktoren könnte den Forschenden zufolge dazu beitragen, die Rückkopplungen des im Boden gespeicherten organischen Kohlenstoffs mit dem Klimawandel vorherzusagen.

Climate change and industrialization put pressure on ecosystems worldwide - including the valuable resource soil. Especially its ability to store important greenhouse gases is being impaired. It has long been known that microorganisms play an important role in the conversion of organic carbon in the soil. However, how biological and environmental processes affect carbon storage in soils was largely unknown until now. An international team of researchers with the participation of the Max Planck Institute for Biogeochemistry in Jena now provides answers.

Focus on efficiency of microbial carbon utilization

To determine the dynamics of soil carbon, the team adopted a novel approach. They examined how microbial carbon use, soil organic carbon storage and various factors such as climate, vegetation and soil properties are related. As the team reports in the journal Nature, microbial carbon use efficiency influences global soil carbon storage and distribution at least four times more than other biological factors or environmental conditions.

"We found that microbial carbon use efficiency is clearly the most important factor for soil carbon storage," said Feng Tao, lead author of the study, who was a visiting researcher at the Max Planck Institute for Biogeochemistry in Jena, Germany, for his doctoral research. The study successfully integrated global datasets, a specific model of microbial processes, data assimilation, machine learning and meta-analysis for the first time to investigate this relationship and determine the efficiency of microbial carbon utilization. For this purpose, the fraction of carbon used by microorganisms for growth was compared to the fraction of carbon used for metabolism.

Central role for carbon storage

The result: When microorganisms use carbon for their growth, it is incorporated into the biomass of the microorganisms and stored in the soil. However, the situation is different when the carbon is used for metabolism. Then it is released into the atmosphere as carbon dioxide and acts as a greenhouse gas. "The study shows how important microorganisms and their properties are for carbon storage and how we can actually capture and assess them with our new strategy, which we proposed years ago," said Markus Reichstein, co-author of the study and director at the Max Planck Institute for Biogeochemistry.

The study is an important contribution to a better understanding of the microbial processes involved in soil carbon storage. According to the researchers, a better understanding of these processes and their dependence on environmental factors could help predict the feedback effects of soil-stored organic carbon on climate change.

Prothesen oder Kinderspielzeug, Autoteile oder Sportartikel: Die Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks scheinen grenzenlos und zeigen, wie populär diese Technologie geworden ist. Die Bandbreite der dabei verwendeten Kunststoffe wird immer größer und damit auch das Potenzial, biobasierte Produkte daraus herzustellen. Um hochkomplexe dreidimensionale Objekte drucken zu können, werden jedoch häufig sogenannte Stützstrukturen benötigt.

Diese können nach dem Druck mit Lösungsmitteln oder sogar Wasser entfernt werden. Je nachdem, welcher Kunststoff als Stützmaterial verwendet wurde, kann Mikroplastik jedoch ins Abwasser und damit in die Umwelt gelangen. Um dies zu verhindern, haben Forschende des Instituts für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart im Projekt AquaLoes ein Stützmaterial entwickelt, das biobasiert und biologisch abbaubar ist. Basis des neuen Materials ist der Biokunststoff Polyhydroxybutyrat-co-valerat – kurz PHBV. Dieser besteht aus pflanzlichen Rohstoffen wie Zucker, Stärke oder entsprechenden Rest- und Abfallstoffen und wird biotechnologisch mithilfe von Bakterien hergestellt. PHBV ist im Abwasser und auch im Meerwasser vollständig biologisch abbaubar. Allerdings ist der Biokunststoff nicht wasserlöslich.

Mischung aus PHBV, PEG und Kochsalz überzeugt

Das Problem der Wasserlöslichkeit des Trägermaterials lösten die Forschenden im Projekt, indem sie PHBV mit Kochsalz anreicherten. Mit dieser Methode gelang es, die Stützpolymere im Wasser in kleinste Fragmente zu zerlegen, die nach Angaben der Forschenden entweder herausgefiltert oder, wenn sie im Abwasser verbleiben, von Mikroorganismen in überschaubaren Zeiträumen abgebaut werden können. „Aufgrund der geringen Partikelgröße rechnen wir mit einer Abbauzeit von wenigen Monaten“, erklärt Projektleiter Christian Bonten vom IKT.

Mehr als 30 verschiedene Rezepturen aus PHBV, Salz und anderen bioabbaubaren Polymeren wurden getestet, um die Machbarkeit zu belegen. Das überzeugendste Resultat brachte schließlich eine Mischung aus 40 % PHBV, 10 % Polyethylenglykol (PEG) und 50 % hochfeinem Kochsalz. „Aus diesem Compound ließen sich auch filigrane Stützstrukturen ohne Abreißen des Filamentstranges drucken“, berichten die Forschenden. Bei Versuchen mit dem begehrten 3D-Druck-Polymer PLA überzeugte zwar das Druckergebnis. Aufgrund der hohen Haftung ließ sich das neue Supportmaterial anfangs aber nur schwer ablösen.

Neues 3D-Druck-Stützpolymer für Hobbybereich

Da die Entwicklung des neuartigen Polymers für den 3D-Druck auf den Einsatz im Hobbybereich zielt, suchte das Team nach einer Methode, die im Haushalt gut umsetzbar ist. Die Lösung: mithilfe eines haushaltsüblichen Geschirrspülers wurde das gedruckte Bauteil gespült und das Stützgerüst erfolgreich und schnell abgelöst.

Das neuartige 3D-Druck-Trägermaterial aus PHBV, Salz und weiteren Polymeren ist bereits zum Patent angemeldet. Damit das biologisch abbaubare Stützmaterial auf dem Markt bestehen kann, sind jedoch noch Verbesserungen nötig. Die Forschenden suchen deshalb Partner aus der Industrie, um den Ansatz weiterzuentwickeln.

From prostheses to children's toys, car parts or sporting goods: The possible applications of 3D printing seem limitless and show how popular this technology has become. The range of plastics used in this process is constantly growing, and with it the potential to manufacture bio-based products from them. However, in order to print highly complex three-dimensional objects, so-called support structures are often required.

After printing, these can be removed with solvents or even water. However, depending on which plastic was used as a support material, microplastics can end up in wastewater and thus in the environment. To prevent this, researchers at the Institute of Plastics Technology (IKT) at the University of Stuttgart have developed a support material in the AquaLoes project that is biobased and biodegradable. The new material is based on the bioplastic polyhydroxybutyrate-co-valerate - PHBV for short. This consists of plant-based raw materials such as sugar, starch or corresponding residual and waste materials and is produced biotechnologically with the aid of bacteria. PHBV is completely biodegradable in wastewater and seawater, but is not water-soluble.

Mixture of PHBV, PEG and common salt

The researchers solved the problem of the lack of water solubility of the support material in the project by enriching PHBV with common salt. This method succeeded in breaking down the support polymers in water into tiny fragments, which, according to the researchers, can either be filtered out or, if they remain in wastewater, degraded by microorganisms in manageable periods of time. "Due to the small particle size, we expect a degradation time of a few months," explains project manager Christian Bonten from IKT.

More than 30 different formulations of PHBV, salt and other biodegradable polymers were tested to prove feasibility. In the end, the most convincing result came from a blend of 40% PHBV, 10% polyethylene glycol (PEG) and 50% ultra-fine table salt. "From this compound, it was also possible to print filigree support structures without tearing off the filament strand," the researchers report. In tests with the 3D printing polymer PLA, the printing result was indeed convincing. However, due to the high adhesion, the new support material was initially difficult to remove.

New 3D printing support polymer for hobby sector

Since the development of the novel polymer for 3D printing is aimed at the hobby sector, the team was looking for a process that could be easily implemented in the household. The solution: A standard household dishwasher was used to rinse the printed component and quickly remove the support material.

The novel 3D printing support material made of PHBV, salt and other polymers already has a patent pending. However, improvements are still needed so that the biodegradable support material can survive on the market. The researchers are therefore looking for partners from industry to further develop the approach.

Ob als Fleisch- oder Milchersatz: Hülsenfrüchte wie Erbsen sind wegen ihres hohen Eiweißgehalts gesund und mittlerweile fester Bestandteil vieler pflanzlicher Lebensmittel. Der Verbrauchertrend zu gesunder Ernährung lässt die Nachfrage nach veganen Lebensmitteln weiter steigen. Der Saatgutspezialist KWS Saat SE & Co. KGaA und das Berliner Start-up-Unternehmen VF Nutrition GmbH, besser bekannt unter dem Markennamen vly, haben jetzt eine mehrjährige Entwicklungspartnerschaft vereinbart.

Lebensmittelentwicklung auf Basis von Erbsenprotein vorantreiben

Ziel der Kooperation ist es, die Entwicklung von Lebensmitteln auf Basis von Erbsenprotein voranzutreiben. „Als Saatguthersteller können wir von Anfang an einen Beitrag zur Entwicklung von Lebensmitteln leisten – zum Beispiel bei der Verbesserung von Geschmack, Verarbeitungsqualität und Textur", erklärt Nigel Moore, Leiter des Bereichs Nutritional Food Ingredients bei KWS. Das Unternehmen hat nach eigenen Angaben bereits in den 1980er-Jahren mit der Züchtung gelber Erbsen begonnen und ist heute Marktführer in Frankreich, dem größten und wichtigsten europäischen Erbsenmarkt.

Anpassung pflanzengenetischer Eigenschaften bei der Züchtung erweitert

Durch die Zusammenarbeit mit vly will der Saatgutspezialist den Fokus seiner Züchtungsarbeit erweitern. Künftig soll neben Ertrag, Ressourceneffizienz und Robustheit auch die Anpassung pflanzengenetischer Eigenschaften für die Nutzung als pflanzliche Lebensmittelzutat eine Rolle in der Züchtung spielen.

Das Berliner Start-up VF Nutrition entwickelt seit 2020 Milchalternativen vor allem auf Basis von Erbsenprotein – darunter Milch- und Joghurtalternativen sowie Proteinshakes. Die Produkte der Marke vly sind nicht nur in Deutschland, sondern auch in Österreich und den Niederlanden etabliert.

Entwicklung innovativer Milchalternativen

„Unsere Zusammenarbeit zielt darauf ab, Wissen und Methoden aus der Molekularbiologie, Bioinformatik, Sensorik und Lebensmitteltechnologie zu nutzen, um Innovationen und nachhaltige Veränderungen im Bereich der Milchalternativen, insbesondere auf Basis von Erbsen, voranzutreiben und den Verbrauchern gesunde, nährstoffreiche und schmackhafte Produkte anzubieten", sagt Anna Birke, Senior Fermentation Scientist und Innovation Manager bei vly.

With their high protein content, legumes are healthy and are now an integral part of many plant-based foods. The consumer trend toward healthy eating is causing demand for vegan foods to rise further. Seed specialist KWS Saat SE & Co. KGaA and the Berlin-based start-up company VF Nutrition GmbH, better known under the brand name vly, have now agreed a development partnership lasting several years.

Advance food development based on pea protein

The aim of the cooperation is to drive forward the development of foods based on pea protein. "As a seed producer, we can contribute to the development of foods from the outset - for example, in improving taste, processing quality and texture," explains Nigel Moore, Head of Nutritional Food Ingredients at KWS. The company says it started breeding yellow peas back in the 1980s and is now the market leader in France, the largest and most important pea market in Europe.

Plant genetic trait adaptation in breeding expanded

Through the collaboration with vly, the seed specialist aims to broaden the focus of its breeding work. In the future, in addition to yield, resource efficiency and robustness, the adaptation of plant genetic traits for use as a plant food ingredient will also play a role in breeding.

Since 2020, the Berlin-based start-up VF Nutrition has been developing milk alternatives primarily based on pea protein - including milk and yogurt alternatives as well as protein shakes. The vly brand products are established not only in Germany, but also in Austria and the Netherlands.

Development of innovative milk alternatives

"Our collaboration aims to leverage knowledge and methods from molecular biology, bioinformatics, sensory science and food technology to drive innovation and sustainable change in the field of milk alternatives, particularly pea-based ones, and provide consumers with healthy, nutritious and tasty products," says Anna Birke, Senior Fermentation Scientist and Innovation Manager at vly.

Biokunststoffe, die biologisch abbaubar sind, gelten als besonders nachhaltig. Wichtige Akteure auf dem Weg zu biologisch abbaubaren Kunststoffen sind daher Bakterien, die Abfallstoffe verstoffwechseln und Biopolymere wie Polyhydroxybuttersäure (PHB) oder Polyhydroxyalkanoat (PHA) herstellen können. Bioverfahrenstechniker der TU Berlin haben jetzt einen wichtigen Meilenstein in der bakteriellen Produktion des Biokunststoffs PHA erreicht. Mithilfe eines neu entwickelten automatisierten Fütterungssystems ist es ihnen gelungen, im Labor die höchstmögliche Ausbeute an PHA zu erzielen. Das Biopolymer ist thermoplastisch verformbar und vollständig biologisch abbaubar.

Bakterium mit tierischen Abfällen gefüttert

Grundlage für die bakterielle Produktion von PHA sind tierische Abfälle. Das Team um Sebastian Riedel und Saskia Waldburger vom Fachgebiet Bioverfahrenstechnik nutzt dafür Abfälle aus der Gastronomie und aus der Heparinproduktion – ein Stoff, der aus der Dünndarmschleimhaut von Schweinen gewonnen wird und die Blutgerinnung hemmt, um zum Beispiel Thrombosen vorzubeugen. „Beide Prozesse sind computergesteuert automatisiert und auf den jeweiligen tierischen Abfall abgestimmt, sozusagen maßgeschneidert“, sagt Saskia Waldburger.

Als Bioplastikfabrik diente das Bakterium Cupriavidus necator. Der Kohlenstoff aus den tierischen Abfällen diente C. necator als Nahrung, um das Biopolymer herzustellen. „Das Bakterium lagert den überschüssigen Kohlenstoff als Energiereserve in Form von PHA in seinen Zellen ein. Das wird in Form von weißen Kügelchen in den Bakterienzellen gespeichert“, erklärt Waldburger.

Bakterielle PHA-Produktion in Echtzeit beobachtet

Dass die Ausbeute im Berliner Labor deutlich gesteigert werden konnte, liegt vor allem an einer neuen Technologie: der Photonendichtewellen-Spektroskopie. Damit konnte das Team den Wachstums- und Produktionsprozess in den Zellen in Echtzeit beobachten und auch steuern – zum Beispiel, wann das Wachstum der Bakterien nachlässt und wieder neues Fett zugegeben werden muss. Der Blick in die Zellen ermöglichte es dem Team auch erstmals, den genauen Zeitpunkt zu bestimmen, an dem die Bakterien das meiste PHA produziert haben und die „Ernte“ des PHA aus den Zellen beginnen kann.

„Die Überwachung der Kultivierung, also des Wachstums der Bakterien und der PHA-Produktion, ist ein wichtiger Teil unseres automatisierten Fütterungsprozesses und ein Meilenstein in unserer PHA-Forschung auf dem Weg, die PHA-Produktion aus dem Labor in die industrielle Anwendung überführen zu können“, sagt Sebastian Riedel.

Vom Labor in den Pilotmaßstab

Dank dieser Technologie konnte die PHA-Produktion schließlich von einem 3-Liter- auf einen 750-Liter-Bioreaktor – also vom Labor- auf den Pilotmaßstab – hochskaliert werden. So wurden im vergangenen Jahr mit Unterstützung eines Forschungspartners in Malaysia aus 50 Kilogramm Bakterienzellen 35 Kilogramm reines, weißes PHA-Pulver gewonnen. Daraus wollen die Forschenden zunächst Papierbeschichtungen herstellen. Das aus tierischen Abfällen gewonnene PHA könnte aber auch für Folien und Fasern verwendet werden.

Als nächsten Schritt wollen Riedel und Waldburger industriell einsetzbare Bioprozesse entwickeln, die auch andere Rohstoffe wie Raps, Zucker oder Rohglycerin für die PHA-Produktion nutzbar machen.

Gemüse, Salat und Kräuter aus dem Supermarkt sind oft in Plastik verpackt, haben wahrscheinlich lange Transportwege hinter sich und können mit Pflanzenschutzmitteln belastet sein. Durch den Anbau zu Hause lassen sich diese ökologischen Nachteile vermeiden, doch nur wenige Deutsche haben einen Garten und viele nicht einmal einen Balkon.

Minigarten für die Wohnung

Indoor-Gärten versprechen den unkomplizierten Anbau von Nutzpflanzen in der Wohnung. Weder ein grüner Daumen noch Sonnenschein sind laut Herstellern dafür nötig, um das ganze Jahr über eigene Salate, Kräuter und Cherrytomaten zu ernten.

Die Systeme sind oft wie Steckkästen aufgebaut. Statt loser Erde werden gepresste Substratkegel aus Naturfasern und Mineralien zur Anzucht der mitgelieferten Samen verwendet. Das reduziert Arbeitsaufwand und Schmutz. Der Nutzer benötigt lediglich eine Stromquelle und Wasser, um mit der Anzucht zu starten. Für die Beleuchtung sorgen energiesparende LED-Leuchten, die ebenso wie die Bewässerung über eine Smartphone-App gesteuert werden, um das Pflanzenwachstum zu optimieren. Der durchschnittliche Mehrverbrauch für den Betrieb der Geräte liegt je nach Modell bei ungefähr 5-10 kWh pro Monat.

Holz- statt Plastikgehäuse

Nachhaltigkeit steht im Fokus eines Berliner Unternehmens, das für die Herstellung der Gehäuse seiner Indoor-Gärten FSC-zertifiziertes Birkenholz aus ethisch vertretbaren europäischen Quellen verwendet. Die Minigärten werden lokal und nachhaltig produziert und es wird auf kurze Lieferketten geachtet. Auch nach Ablauf der Garantiezeit werden die Geräte laut Hersteller noch repariert.

Marktreife

Die Indoor-Gärten sind bereits in diversen Online-Shops erhältlich.