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In ihrer Studie, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, schreibt die Gruppe um Johan Rockström vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), dass sieben von acht "sicheren und gerechten Grenzen" des Erdsystems bereits überschritten seien. Aus Sicht der Forschenden gefährdet der Mensch mit seiner aktuellen Lebensweise die Stabilität und Belastbarkeit des Planeten.

Die Studie basiert auf dem Konzept der planetaren Grenzen und einem sicheren Handlungsraum der Zivilisation. Auf einer stabilen Erde gibt es Rückkopplungen, die Störungen abfedern. Ist dieses ausgleichende System nachhaltig gestört, drohen existenzielle und irreversible Schäden, etwa eine steigende Zahl von Todesfällen, die Vertreibung von Menschen, der Verlust von Lebensmitteln, Wasser oder Ernährungssicherheit sowie chronische Krankheiten, Verletzungen oder Mangelernährung.

Bei der Biodiversität sehen die Forschenden bereits zwei Grenzen überschritten, so würden Anforderungen an natürliche Vegetation und Wasserstand nicht erfüllt. Das Gerechtigkeitskonzept des neuen Ansatzes umfasst drei Aspekte der Gerechtigkeit bei der Nutzung der globalen Gemeingüter: gegenüber anderen Lebewesen und Ökosystemen, gegenüber den kommenden Generationen und gegenüber den global verteilten Angehörigen der heutigen Generation. Um das Wohlergehen der Menschen zu gewährleisten, ist laut Studie eine gerechte globale Umgestaltung und Transformation in den Bereichen Energie, Ernährung und Stadt notwendig, die auch den Armen zugutekommen muss.

In their study, published in the journal Nature, the group led by Johan Rockström of the Potsdam Institute for Climate Impact Research (PIK) writes that seven out of eight "safe and fair boundaries" of the Earth system have already been exceeded. In the researchers' view, humans are endangering the stability and resilience of the planet with their current way of life.

The study is based on the concept of planetary boundaries and a safe space for civilisation to act. On a stable Earth, there are feedbacks that cushion disturbances. If this balancing system is sustainably disrupted, there is a threat of existential and irreversible damage, such as an increasing number of deaths, the displacement of people, the loss of food, water or food security, as well as chronic diseases, injuries or malnutrition.

In the case of biodiversity, the researchers see that two limits have already been crossed; for example, requirements for natural vegetation and water levels would not be met. The concept of justice in the new approach encompasses three aspects of justice in the use of the global commons: towards other living beings and ecosystems, towards future generations and towards the globally distributed members of the present generation. According to the study, in order to ensure human well-being, a just global transformation and transformation in the areas of energy, food and cities is necessary, which must also benefit the poor.

Vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und knapper werdender Ressourcen infolge des Klimawandels gewinnen alternative Proteinquellen zunehmend an Bedeutung. Die Bandbreite ist groß: Leguminosen, Algen, Pilze und Insekten sowie Proteine, die durch zellbasierte oder fermentative Verfahren gewonnen werden, eignen sich als Rohstoffquelle für eine gesunde, umweltbewusste und nachhaltige Ernährung. Der Weg zur Herstellung von Milch- und Fleischersatzprodukten auf Basis alternativer Proteine ist für Unternehmen jedoch oft mit Hürden verbunden. Mit der Eröffnung eines neuen Technologiezentrums in Hildesheim will der Düsseldorfer Systemanbieter für die nahrungsmittelverarbeitende Industrie GEA die Kommerzialisierung von Food-Innovationen beschleunigen.

Kommerzielle Produktion vorbereiten

Das neue „New Food Application and Technology Center of Excellence“ – kurz ATC – verfügt über eine Pilotanlage, in der Kunden die notwendigen Prozesse und Produkte für die kommerzielle Produktion vorbereiten können. Hier können Prozesse zur Herstellung neuer Lebensmittel im Pilotmaßstab evaluiert und die Produktion mit Hilfe von Zellkulturen und mikrobieller Fermentation in Kombination mit vor- und nachgelagerten Prozessen getestet werden.

„Aufbau und Skalierung einer New-Food-Produktion sind eine große Aufgabe“, erklärt Heinz Jürgen Kroner, Senior Vice President New Food bei GEA. „Häufig stecken New-Food-Anbieter noch im Labormaßstab fest – mit eigenen Anforderungen an Hygiene, Aseptik und Prozesse. Die Fertigung auf industriellem Niveau bringt jedoch weit größere technische und finanzielle Herausforderungen mit sich. Um diesen Schritt für Nahrungsmittelhersteller beherrschbar zu machen, loten unsere Prozessexperten im ATC das Potenzial für eine Massenproduktion aus.“

Pilotierung von Prozessen testen

Mit der neuen Testplattform im ATC werde „die Lücke zwischen Versuchslandschaft und Industrie geschlossen, ohne dass Kunden gleich in Großanlagen investieren müssen“, heißt es in einer entsprechenden Mitteilung der GEA. Die Pilotierung von Prozessen und Produkten für die alternative Proteinindustrie im ATC soll die Entwicklung neuer Lebensmittel sicherer und erschwinglicher machen.

Imagindairy startet mit Fermentation von Milchproteinen

Das auf alternative Proteine spezialisierte Food-Tech-Unternehmen Imagindairy aus Israel zählt zu den ersten Kunden, die die Scale-up-Möglichkeiten der Pilotanlage nutzen wollen. Es wird im neuen GEA-Technologiezentrum Milchproteine durch Präzisionsfermentation herstellen. „Wir wollen Milchprodukte ohne die Nachteile für unseren Planeten herstellen. Dafür nutzen wir die uralte Kunst der Fermentation und verbinden sie mit Wissenschaft. So schaffen wir Milchproteine, die den Geschmack, die Funktionalität, das Mundgefühl und die Nährwerte aufweisen, die wir an der Milch so schätzen“, so Eyal Afergan, Geschäftsführer von Imagindairy. „Gemeinsam mit GEA können wir den Weg ebnen, um diese Innovation schneller auf den Markt zu bringen, und zwar mit den höchstmöglichen Qualitätsstandards.“

Hydrothermalquellen sind einige der wenigen Orte, an denen in der Tiefsee genügend Energie existiert, um Leben zu ermöglichen. Formen dieser Energie sind Erdöl und Erdgas, die sich aufgrund der hohen Wärme aus dem Erdinneren aus abgelagertem organischem Material bilden. Ein Bremer Forschungsteam konnte nun nachweisen, dass an Hydrothermalquellen heimische Mikroorganismen die im Erdöl enthaltenen Alkane als Nahrungsquelle nutzen. Bislang gab es nur Vermutungen, dass bestimmte Mikroben den Alkanabbau auch in sauerstofffreier Umgebung beherrschen.

Alkanabbau ohne Sauerstoff ist Teamarbeit

Im Fachjournal Nature Microbiology berichten die Fachleute des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen über ihre Entdeckung. Demnach ist es dem Team gelungen, Tiefseemikroben aus dem Sediment des 2.000 Meter tiefen Guyamas-Becken im Golf von Kalifornieren zu kultivieren. Die Bedingungen entsprachen denen der Hydrothermalquellen: bei 70 Grad Celsius, mit flüssigen Alkanen, aber ohne Sauerstoff. Dabei zeigte sich, dass der Alkanabbau in Abwesenheit von Sauerstoff Teamarbeit ist.

In jüngeren Jahren hatten sich bereits Hinweise gemehrt, dass bestimmte Archaeen mittels des Enzyms Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR) Alkane für ihren Stoffwechsel auch dann verwenden können, wenn kein Sauerstoff verfügbar ist. Tatsächlich konnten die Bremer anhand von DNA- und RNA-Proben nachweisen, dass der Alkanabbau in ihrem Experiment durch Archaeen der Gattung Candidatus Alkanophaga erfolgt. Allerdings benötigen sie Hilfe: Der Teil der chemischen Reaktion, der nötig ist, um die Rolle des Sauerstoffs zu ersetzen, erfolgt durch Bakterien der Gattung Thermodesulfobacterium. Sie leben in enger Verbindung mit den Archaeen.

Restliches Öl verbleibt im Meeresboden

„Dank ihrer neuentdeckten Fähigkeiten haben es Alkanophaga und ihre Verwandten auf die Kohlenwasserstoffe in den Ölreservoirs abgesehen. Das restliche Öl wird immer fester und verbleibt so im Meeresboden“, erläutert Gunter Wegener, Seniorautor der Studie. „Noch haben wir keine tiefen Ölreservoirs untersuchen können – aber damit ärgern die Archaeen sicher die Ölindustrie. Sie leisten aber auch einen wichtigen Beitrag dafür, dass natürliche Ölaustritte selten sind.“

Die in Erdöl enthaltenen flüssigen Alkane sind giftig und eines der vielen Umweltprobleme nach Unglücken von Öltankern oder Bohrplattformen. Zwar gibt es einige Bakterien, die nahe der Wasseroberfläche Alkane mit Hilfe von Sauerstoff abbauen. Doch das Öl sinkt schnell in die Tiefe und damit in sauerstoffarme Regionen des Meeres. Hier könnte der nun nachgewiesene Prozess eine Rolle für den Ölabbau spielen.

Hydrothermal vents are among the few places where there is sufficient energy in the deep sea to support life. Forms of this energy are crude oil and natural gas, which are formed from deposited organic material by the high heat from the Earth's interior. A team of researchers from Bremen has now been able to demonstrate that microorganisms indigenous to hydrothermal vents use the alkanes contained in petroleum as a food source. Until now, it was only assumed that certain microbes are capable of degrading alkanes in an oxygen-free environment.

Alkane degradation without oxygen is teamwork

In the journal Nature Microbiology, experts from MARUM - Center for Marine Environmental Sciences at the University of Bremen and the Max Planck Institute for Marine Microbiology in Bremen report on their discovery. The team succeeded in cultivating deep-sea microbes from the sediment of the 2,000-meter-deep Guyamas Basin in the Gulf of California, according to the paper. The conditions were similar to those of hydrothermal vents: at 70 degrees Celsius, with liquid alkanes but no oxygen. This showed that alkane degradation in the absence of oxygen is teamwork.

In recent years, there had already been growing evidence that certain archaea can use alkanes for their metabolism with the help of the enzyme methyl-coenzyme M reductase (MCR) even in the absence of oxygen. Indeed, using DNA and RNA samples, the Bremen team was able to demonstrate that the alkane degradation in their experiment is carried out by archaea of the genus Candidatus Alkanophaga. However, they can't do it alone: The part of the chemical reaction that replaces the role of oxygen is carried out by bacteria of the genus Thermodesulfobacterium. They live in close contact with the archaea.

Residual oil remains in the seabed

"Thanks to their abilities, Alkanophaga and their relatives target hydrocarbons in oil reservoirs. The remaining oil progressively solidifies and thus remains in the seafloor," explains Gunter Wegener, lead author of the study. "We have not yet been able to explore deep oil reservoirs - but the archaea are certainly disrupting the petroleum industry by doing so. But they also make an important contribution to ensuring that natural oil spills are rare."

The liquid alkanes contained in crude oil are toxic and one of the many environmental problems following oil tanker or drilling platform accidents. While some bacteria can break down alkanes near the water's surface with the help of oxygen, the oil quickly sinks into the depths and thus into oxygen-poor regions of the sea. This is where the process now detected could play a role in oil degradation.

Kohlendioxid (CO₂) hat als Treibhausgas einen schlechten Ruf. Um die Klimaziele zu erreichen, reicht es nach Ansicht von Experten bei weitem nicht aus, den Ausstoß des Klimagases zu reduzieren. Ein Teil muss dauerhaft gebunden werden. Ein großes Potenzial liegt daher in der stofflichen Nutzung von CO₂ als Rohstoff, denn der darin enthaltene Kohlenstoff ist ein wichtiger Grundstoff für die Industrie. Nachhaltige und innovative Wege der CO₂-Nutzung könnten also das Klima entlasten und gleichzeitig der Industrie nutzen.

Eine vielversprechende Technologie, um zu Klimazielen und zur Energiewende beizutragen, ist daher die Mikrobielle Elektrosynthese (MES). Dabei wird eine wässrige Nährlösung mit Mikroorganismen unter Zufuhr von Kohlenstoff mit Strom versorgt. Die Mikroorganismen nutzen dann Kohlendioxid und Strom, um wertvolle organische Verbindungen wie Ethanol oder Acetat herzustellen. Was genau bei der MES passiert und vor allem welcher biologische Prozess ihr zugrunde liegt, konnten Forscherinnen und Forscher des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) nun experimentell nachweisen.

Mikroorganismen nutzen Wasserstoff zur Biosynthese

Die Forschenden konnten zeigen, dass Bakterien die durch elektrischen Strom zugeführten Elektronen nicht direkt aufnehmen, sondern stattdessen den dabei entstehenden Wasserstoff nutzen. „Bisher hat noch niemand den Wasserstoff direkt im System gemessen“, erklärt Santiago Boto, Erstautor der Studie. „Mit unserem Design konnten wir mehrere Belege dafür sammeln, dass die Bakterien den Wasserstoff nutzen.“

Im Rahmen der Studie hatte Boto einen MES-Reaktor konstruiert, der es ermöglichte, wichtige Prozessparameter wie den Stromfluss, den an der Elektrode gebildeten Wasserstoff und den aus der Flüssigkeit entweichenden Wasserstoff mithilfe von Mikrosensoren zu kontrollieren und zu messen. Eine Reinkultur des Bakteriums Clostridium ljungdahlii wurde in verschiedenen Konzentrationen eingesetzt.

Bakterien produzieren mehr Chemikalien als gedacht

Eine hohe Aktivität der Bakterien zeigte sich nur dann, wenn „der Wasserstoff aus der Elektrode für die frei schwimmenden Bakterien frei verfügbar war“, wie die Forschenden im Fachjournal Green Chemistry berichten. Bei seinen Untersuchungen stellte das Team zudem fest, dass sich mit dieser Methode deutlich mehr wertvolle Chemikalien herstellen lassen als bisher angenommen. Nach der Optimierung des Verfahrens wurden nach Angaben der Forschenden „die bisher höchsten Acetatausbeuten aus einer bakteriellen Reinkultur“ erzielt. Dabei seien auch Aminoverbindungen entstanden, die die Bakterien normalerweise nicht produzieren, und bisher ebenfalls nicht beschriebene Reaktionen zwischen Nährmedium und Kathode beobachtet worden, die den Syntheseprozess offenbar beschleunigen.

Eventuell neue Produktionsmethode für Chemikalien

„Aminoverbindungen sind für die chemische Industrie sehr interessant, die von uns verwendeten Bakterien werden außerdem bereits industriell verwendet. Wir haben damit vielleicht eine neue Produktionsmethode für solche Chemikalien entdeckt“, so Boto. Mit ihrer Studie liefern die Forschenden also erstmals den Beweis, dass Mikroorganismen Wasserstoff für ihre Biosynthese nutzen. In einem nächsten Schritt soll der Prozess weiter analysiert und optimiert werden.

Carbon dioxide (CO2) has a bad reputation as a greenhouse gas. In order to achieve the climate targets, experts believe that it is far from enough to reduce emissions of the climate gas. Some of it must be permanently bound. There is great potential in the material use of CO2 as a raw material, because the carbon it contains is an important basic material for industry. Sustainable and innovative ways of using CO2 could therefore relieve the climate and benefit industry at the same time.

One promising technology to contribute to climate targets and the energy transition is microbial electrosynthesis (MES). In this process, an aqueous nutrient solution containing microorganisms is supplied with electricity while carbon is added. The microorganisms then use carbon dioxide and electricity to produce valuable organic compounds such as ethanol or acetate. Researchers at the Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology (Leibniz-HKI) have now been able to experimentally demonstrate what exactly happens during MES and, above all, what biological process it is based on.

Microorganisms use hydrogen for biosynthesis

The researchers were able to show that bacteria do not directly absorb the electrons supplied by electric current, but instead use the hydrogen produced in the process. "Until now, no one has measured hydrogen directly in the system," explains Santiago Boto, first author of the study. "With our design, we were able to gather multiple pieces of evidence that the bacteria use the hydrogen."

As part of the study, Boto had constructed an MES reactor that allowed key process parameters such as current flow, hydrogen formed at the electrode and hydrogen escaping from the liquid to be controlled and measured using microsensors. A pure culture of the bacterium Clostridium ljungdahlii was used at various concentrations.

Bacteria produce more chemicals than expected

The bacteria only showed high activity when "the hydrogen from the electrode was available to the free-floating bacteria," as the researchers report in the journal Green Chemistry. In its research, the team also found that this method could produce significantly more valuable chemicals than previously thought. After optimizing the process, the researchers say they achieved "the highest acetate yields to date from a pure bacterial culture." In the process, amino compounds were also formed that the bacteria do not normally produce, and reactions between the nutrient medium and the cathode that had also not been described before were observed, which apparently accelerate the synthesis process.

Possible new production method for chemicals

"Amino compounds are very interesting for the chemical industry, and the bacteria we used are also already in industrial use. We may thus have discovered a new production method for such chemicals," says Boto. With their study, the researchers have thus provided evidence for the first time that microorganisms use hydrogen for their biosynthesis. The next step will be to further analyze and optimize the process.

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch den Boden als Ressource. Doch Bebauung, Klimawandel und intensive Landwirtschaft setzen den Böden seit Jahren zu und gefährden damit das ökologische Dienstleistungssystem. Vor allem die intensive konventionelle Bewirtschaftung der Felder schadet Umwelt und Klima gleichermaßen. Dazu zählen intensive Bodenbearbeitung, einseitige Fruchtfolgen, der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln oder eine nicht an die Standortverhältnisse angepasste Düngung. Ein nachhaltiger Umgang mit der Ressource Boden ist daher wichtiger denn je. Landwirte stehen daher vor der Aufgabe, ihr Bodenmanagement den neuen Herausforderungen anzupassen. Hier setzt das Projekt „I4S - Intelligence for Soil“ an. Es wurde seit 2015 im Rahmen der Fördermaßnahme BonaRes (Boden als nachhaltige Ressource) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 7,8 Mio. Euro gefördert.

Bodeneigenschaften standortspezifisch bestimmen

In dem Projekt will ein Konsortium unter Leitung des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) in Potsdam die Bodenbewirtschaftung mit Hilfe von Sensoren effizienter und nachhaltiger gestalten. Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines integrierten Systems zur standortspezifischen Steuerung der Bodenfruchtbarkeit durch ein modernes Düngemanagement. „Die kleinste Bewirtschaftungseinheit in der Landwirtschaft ist derzeit der Ackerschlag. Wir müssen aber die kleinräumigen Bodenunterschiede innerhalb der Felder stärker berücksichtigen. Denn die Bodeneigenschaften innerhalb eines Schlages können sehr unterschiedlich sein und damit auch der Düngebedarf“, erklärt Projektleiter Sebastian Vogel vom ATB. Die übliche flächeneinheitlich Bewirtschaftung führt Vogel zufolge zur Überdüngung auf Teilen der Fläche und somit zu Umweltbelastungen, während andere Teile der Fläche zu wenig Dünger erhalten und hier das Ertragspotenzial nicht ausgeschöpft wird.

Um die unterschiedlichen Bodeneigenschaften innerhalb eines Schlages kleinräumig zu ermitteln, müssten normalerweise unzählige Bodenproben genommen und im Labor untersucht werden. Für die Landwirte ein enormer Zeit- und Geldaufwand. Das Team suchte daher nach einer Möglichkeit, die Bodeneigenschaften räumlich hochauflösend zu messen, aber mit geringerem Aufwand. „Mit Bodensensoren kann man relativ schnell und kostengünstig hochaufgelöste Bodendaten gewinnen und daraus Bodeneigenschaftskarten generieren, die für eine präzisere und standortgerechte Düngebedarfsermittlung genutzt werden können“, erklärt der Geoökologe.

In der zweiten Projektphase von 2018 bis 2022 entstand eine Multisensorplattform, die den Oberboden eines Ackers detailliert kartiert. Die Arbeit der Verbundpartner wurde dabei vom BMBF mit insgesamt 4,8 Mio. Euro gefördert, das ATB-Team erhielt davon rund 1,2 Mio. Euro. Der sogenannte RapidMapper ist ein vierrädriger Anhänger, der von einem Traktor oder Geländewagen über das Feld gezogen werden kann und auf dem derzeit vier verschiedene Sensorsysteme montiert sind. Diese vier Sensoren erfassen auf Grundlage unterschiedlicher Messverfahren unter anderem die für die Landwirtschaft wichtigen Bodeneigenschaften pH-Wert, Humusgehalt und Bodentextur. Weitere Zielgrößen sind die Nährstoffe Stickstoff, Phosphor, Magnesium, Kalium, Kalzium und Schwefel.

„Leider ist es nicht möglich, diese agronomisch relevanten Bodeneigenschaften mit den Sensoren direkt zu erfassen. Stattdessen messen die Sensoren andere Bodeneigenschaften, die mit ihnen stark korrelieren. Deshalb kommt man bei der Sensorkartierung noch nicht ganz ohne zusätzliche Laboranalysen von einigen wenigen Bodenproben aus, mit denen man dann hunderte oder tausende von Sensormessungen kalibriert“, erklärt der Forscher. Hieraus ergibt sich der Forschungs- und Entwicklungsbedarf, dem sich das Projekt I4S widmet.

Die Reiskrankheit Weißblättrigkeit kennen Bäuerinnen und Bauern in Asien und Afrika schon lange. Verursacht wird sie vom Bakterium Xanthomonas oryzae, vielerorts sind erhebliche Ernteverluste die Folge. In Tansania galt der Erreger lange Zeit als unproblematisch – bis 2019. Seitdem erleiden in immer mehr Regionen des afrikanischen Landes die Reisfelder gravierende Schäden durch die Weißblättrigkeit. Ein internationales Forschungsteam mit deutscher Beteiligung will den Vormarsch der Pflanzenkrankheit nun stoppen.

Asiatische Variante nach Tansania eingeschleppt

Ursächlich für die Veränderung seit 2019 ist wohl eine asiatische Variante des Bakteriums. Darauf deuten Analysen der Genomsequenz des problematischen Xanthomonas-Stammes hin. „Vor 2019 wurden keine Stämme aus Asien in Afrika gefunden und umgekehrt, was auf eine kürzlich erfolgte Einschleppung aus Asien nach Afrika hindeutet, die nun in ganz Tansania Ertragsverluste verursacht“, berichtet Boris Szurek vom französischen IRD.

Den Analysen zufolge kann dieser Stamm nicht nur das in Reis weit verbreitete Resistenzgen iTAL blockieren und so die Pflanze erfolgreich befallen. Der Stamm injiziert auch ein bestimmtes Protein in die Zellen, um dort den Zuckertransporter SWEET11a zu aktivieren. Wie ein Schlüssel öffnet das Protein das Schloss zu den Vorratskammern der Pflanzen. Die so freigesetzten Zuckermoleküle aus den Pflanzenzellen nutzen die Bakterien, um sich zu vermehren.

Genomeditierte Reislinien sind resistent

„Um die afrikanische Reiserzeugung vor der neuen Bedrohung durch diese pathogenen Bakterien zu schützen, haben wir neue Züchtungsmethoden angewendet, um die ‚Schlösser‘ der beliebten ostafrikanischen Elitereissorte Komboka auszutauschen, damit der ‚Schlüssel‘ des Erregers die Speisekammer nicht mehr aufsperren und somit die Krankheit gar nicht erst verursachen kann“, erläutert Wolf B. Frommer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. „Die optimierten Linien weisen ein breites Resistenzspektrum gegen Vertreter aller uns bekannten asiatischen und afrikanischen Xoo-Stämme auf, darunter auch gegen die Stämme, die kürzlich in Tansania entdeckt wurden.“

Das Potential dieser Entwicklung beleuchtet Bing Yang von der Universität Missouri in den USA, der ebenfalls am Projekt beteiligt war: „Mit diesen Entdeckungen werden wir afrikanischen Wissenschaftlern helfen und neue Züchtungsmethoden einsetzen, um lokal angepasste, krankheitsresistente Reissorten zu entwickeln.“ Die Erkenntnisse können demnach auch bei der klassischen Züchtung von Sorten angewendet werden, die gegen die sich schnell ausbreitenden Stämme resistent sind – für Länder, die bisher keine Regulierungen für Züchtungen mittels Genome Editing etabliert haben. Über Details ihrer Arbeit berichten die Forschenden im Fachjournal eLife.

Die International Bioeconomy Conference ist der jährliche Treffpunkt für Entscheiderinnen und Entscheider internationaler Konzerne, Gründerinnen und Gründer erfolgreicher Start-ups sowie Akteure aus Wissenschaft und Politik. Die elfte Auflage der Konferenz lockte am 14. und 15. Juni rund 160 Teilnehmende in die Räumlichkeiten des CCE Kulturhauses in Leuna, einem klassizistischen Gebäude in direkter Nachbarschaft zum traditionsreichen Chemiepark Leuna. Veranstaltet vom Cluster BioEconomy e.V. bot die Konferenz auch in diesem Jahr ein abwechslungsreiches Programm. Die Schirmherrschaft hatte wie im Vorjahr das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) übernommen. Moderiert wurde die Veranstaltung von Michael Carl und Carolin Wendel.

„Leuna steht für Zukunft und Technologie“

„Leuna steht für Zukunft, Arbeitsplatzsicherheit und Technologie“, sagte Joachim Schulze, Vorstandsvorsitzender des BioEconomy Clusters. „Hier hat alles angefangen und hier können wir zeigen, wie wir die Weichen für die Bioökonomie als Zukunftswirtschaft stellen“, sagte er.

Per Videobotschaft meldete sich Michael Kellner, Parlamentarischer Staatssekretär im Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), zu Wort. „Die Bioökonomie liegt uns sehr am Herzen. Wichtig ist: Wir müssen Prozesse hochskalieren und eine nachhaltige Bioökonomie international vorantreiben“, so Kellner. Dabei sei eine enge Verzahnung der Nationalen Rohstoffstrategie mit der Kreislaufwirtschaftsstrategie notwendig. In der Biomasse-Strategie, die derzeit von mehreren Bundesministerien erarbeitet wird, habe die Kreislaufwirtschaft einen hohen Stellenwert, so Kellner.

Nachhaltige und effiziente Produktionssysteme in der Landwirtschaft sowie in der Lebens- und Futtermittelherstellung sind von grundlegender Bedeutung auf dem Weg zu einer erfolgreichen Bioökonomie. Vor allem ressourcenschonende Ansätze im Bereich der Düngemittelnutzung spielen dabei eine wichtige Rolle. Vielversprechend sind hier vor allem Verfahren zur Reduzierung der Düngemengen, die Rückgewinnung von Düngesubstanzen aus Abfall- und Nebenströmen der Agrar- und Lebensmittelproduktion sowie biologische Kultivierungsstrategien im Nutzpflanzenanbau. Daneben sind resiliente Produktionssystem von großer Bedeutung, um die Souveränität und Selbstversorgung – insbesondere mit proteinbasierten Lebens- und Futtermitteln – in der Europäischen Union zu gewährleisten.

BMBF engagiert sich im EU-Netzwerk Green ERA-Hub

Um die Umsetzung einer Bioökonomie auf Basis nachwachsender Rohstoffe zu fördern, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des EU-Netzwerkes Green ERA-Hub neue transnationale Forschungsprojekte im Bereich Landwirtschaft, Lebensmittelproduktion und Biotechnologie.

Im Rahmen der Richtline „Beiträge zu nachhaltigen und widerstandsfähigen Agrar- und Lebensmittelsystemen“ werden gezielt Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsvorhaben (FuEuI-Vorhaben) gefördert, die einen Beitrag für nachhaltige und effiziente Produktionssysteme in der Landwirtschaft sowie in der Lebens- und Futtermittelherstellung leisten. Die darin geförderten Verbundvorhaben sollen zugleich einen Beitrag zur Umsetzung der Nationalen Bioökonomiestrategie und zur Strategie zur Internationalisierung von Wissenschaft und Forschung leisten.

Verbesserung der Effizienz beim Düngemitteleinsatz

Im Fokus der Förderung stehen zum einen Vorhaben zur Verbesserung der Effizienz beim Düngemitteleinsatz beziehungsweise bei der Rückgewinnung und Reduzierung des Verbrauchs konventioneller Dünger. Darunter fallen beispielsweise Vorhaben, die

sich mit der Produktion und Wiedergewinnung von Düngemittelsubstanzen befassen. Dabei sollen innovative Verfahren entwickelt beziehungsweise bestehende Verfahren weiterentwickelt werden, um Düngemittel und seine Bestandteile aus Abfall- und Nebenströmen der landwirtschaftlichen Primärproduktion sowie der Lebens- und Futtermittelherstellung zurückzugewinnen.
durch innovative, landwirtschaftliche Produktionsstrategien den Düngemittelgebrauch senken, zum Beispiel durch zielgerichtete Bewirtschaftung (precision farming) unterstützt durch Lösungsansätze aus modernen Informations-und Kommunikationstechnologien, aus Modellierungen oder Entscheidungsunterstützungssystemen.
sich mit der Entwicklung oder Verbesserung organischer Düngemethoden beschäftigen, beispielsweise mit der biologischen Stickstofffixierung durch zeitlich beziehungsweise räumliche Ko-Kultivierung mit Leguminosen.

In einigen Supermärkten sind sie schon zu finden: gläserne Minifarmen, in denen auf mehreren Etagen Salat oder Kräuter in einer speziellen Nährstofflösung ohne Pestizide unter LED-Licht wachsen und frisch geerntet direkt vor Ort verkauft werden. Dieser kontrollierte und ressourcenschonende Pflanzenanbau in sogenannten vertikalen Farmen ist nicht nur nachhaltig, auch die Erträge sind Fachleuten zufolge deutlich höher. Für Unternehmen in der Lebensmittelbranche eröffnet der urbane Pflanzenanbau damit ganz neue Chancen. Die Veganz Group AG, bekannt für vegane Lebensmittel auf Erbsenbasis, hat sich jetzt die weltweiten Lizenzrechte für den Anbau von Nahrungspflanzen in den Vertical-Farming-Systemen OrbiPlant und OrbiLoop gesichert, die vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME entwickelt wurden.

Indoor-Anbau im Großmaßstab

Das Innovative an der Fraunhofer-Vertical-Farming-Plattformtechnologie ist, dass damit erstmals weltweit Grundnahrungsmittel in großem Maßstab regional und wirtschaftlich sinnvoll angebaut werden können. Neu ist auch, dass die Technologie „direkt mit weiterverarbeitenden Industrien gekoppelt werden kann“ und so „eine vollständige Wertschöpfung vom Anbau bis zum fertigen Lebensmittel ermöglicht“. „Mit unserem Ansatz der direkten industriellen Verwertung der Anbauprodukte schaffen wir nicht nur die Grundlage für ein profitables Geschäftsmodell, wir erreichen durch den Anbau und die Produktion von pflanzlichen Grundnahrungsmitteln unabhängig der Bedingungen durch Umwelt und Klima überall auf der Welt eine lokale Ernährungssicherheit zur Grundversorgung der Bevölkerung mit gesunden, pflanzlichen Proteinen und Kohlenhydraten“, sagt Jan Bredack, Gründer und CEO der Veganz Group AG. Für den Einsatz der Fraunhofer-Plattformtechnologien werde Veganz die Produktionsanlage zur Herstellung von strukturiertem Pflanzeneiweiß für Fleischalternativen auf Erbsenbasis entsprechend modular adaptierbar und als Gesamtkonzept verfügbar machen, heißt es.

Pflanzenzucht am Förderband

Im Gegensatz zu bisherigen Indoor-Farming-Methoden arbeitet die OrbiPlant-Technologie mit einem integrierten, wellenförmigen Fördersystem, das die jeweiligen Pflanzen fixiert und kontinuierlich im Raum neu ausrichtet. Dadurch, so die Forscherinnen und Forscher, wird die Produktion bestimmter Pflanzenhormone gesteigert, was zu einem schnelleren Blattwachstum und einer höheren Biomasse führt. Zusätzlich verfügt das System über ein aeroponisches Bewässerungssystem, bei dem die Pflanzenwurzeln in der Luft hängen und über einen Sprühnebel gezielt mit Wasser und Nährstoffen versorgt werden. Während der Kultivierung sorgen eine optimale Belichtung der Pflanzen durch modulare LED-Technologie und eine zusätzliche CO₂-Düngung für höhere Qualität und Erntemengen.

Nach diesem Prinzip funktioniert auch OrbiLoop, die kompakte InStore-Version von OrbiPlant. Im Gegensatz zu OrbiPlant dreht sich hier das Pflanzenzuchtsystem kontinuierlich in einer einzigen Förderbandschleife. Dieses kleinere Vertical-Farming-System kann in Supermärkten oder Restaurants zur autarken Pflanzenproduktion aufgestellt werden – ohne dass besondere Fachkenntnisse erforderlich sind. Auch die Anbaufläche lässt sich nach Angaben der Forscherinnen und Forscher je nach Bedarf flexibel in Höhe und Breite verstellen.

Türöffner für weltweite Indoor-Produktion

„Wir freuen uns, dass unsere patentierte OrbiPlant und OrbiLoop Vertical-Farming-Plattformtechnologie nunmehr als Türöffner für die weltweite industrielle Produktion von Lebensmittelpflanzen unter hocheffizienten Indoorbedingungen fungiert, was vor dem Hintergrund des fortschreitenden Klimawandels einen wichtigen Baustein zur Agrar- und Ernährungswende darstellt“, sagt Andreas Reimann vom Fraunhofer IME und kündigt an, die bestehende Forschungskooperation „im Hinblick auf die Erschließung und Optimierung des Vertical-Farming-Produktionsprozesses für weitere Lebensmittelpflanzen auszubauen“.

Already to be found in some supermarkets: glass mini-farms in which lettuce or herbs grow on several floors in a special nutrient solution without pesticides under LED light and are sold freshly harvested directly on site. This controlled and resource-conserving plant cultivation in so-called vertical farms is not only sustainable, but the yields are also significantly higher, according to experts. For companies in the food industry, urban plant cultivation thus opens up entirely new opportunities. Veganz Group AG, known for vegan pea-based foods, has now secured the worldwide licensing rights for growing food crops in the OrbiPlant and OrbiLoop vertical farming systems developed by the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME.

Large scale indoor cultivation

What is innovative about the Fraunhofer Vertical Farming Platform technology is that, for the first time in the world, it enables the cultivation of staple foods on a large scale in a regionally and economically viable manner. What is also new is that the technology can be "directly coupled with the processing industry" and thus "enables the complete value chain from cultivation to finished food." "With our approach of direct industrial utilization of the cultivated products, we not only create the basis for a profitable business model, but also achieve local food security for the basic supply of the population with healthy, plant-based proteins and carbohydrates through the cultivation and production of plant-based staple foods, regardless of the environmental and climate conditions in any place in the world," says Jan Bredack, founder and CEO of Veganz Group AG. To use the Fraunhofer platform technologies, Veganz will make the production plant for manufacturing structured plant protein for pea-based meat alternatives correspondingly modularly adaptable and available as an overall concept, they say.

Conveyor belt plant cultivation

Unlike previous indoor farming methods, the OrbiPlant technology uses an integrated, wave-shaped conveyor system that fixes and continuously realigns the respective plants in space. This, researchers say, increases the production of certain plant hormones, resulting in faster leaf growth and higher biomass. In addition, the system features an aeroponic irrigation system, in which plant roots are suspended in the air and supplied with targeted water and nutrients via a spray. During cultivation, optimal exposure of the plants through modular LED technology and additional CO2 fertilization ensure higher quality and yields.

OrbiLoop, the compact InStore version of OrbiPlant, also works according to this principle. Unlike OrbiPlant, here the plant growing system rotates continuously in a single conveyor loop. This smaller vertical farming system can be placed in supermarkets or restaurants for self-sufficient plant production - without the need for special expertise. According to the researchers, the cultivation area can also be flexibly adjusted in height and width as needed.

Door opener for worldwide indoor production

"We are pleased that our patented OrbiPlant and OrbiLoop vertical farming platform technology now acts as a door opener for the global industrial production of food crops under highly efficient indoor conditions, which is an important building block for the agricultural and nutritional turnaround against the backdrop of advancing climate change," says Andreas Reimann of Fraunhofer IME, announcing that the existing research cooperation "will be expanded with a view to opening up and optimizing the vertical farming production process for further food crops."

Seit Anfang 2022 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Verbundvorhaben SYMOBIO 2.0. Das Projekt ist Teil des deutschen Bioökonomie-Monitorings, einer gemeinsamen Initiative von BMBF, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV). Gestartet war das Monitoring 2016 mit einer Pilotphase. Es ist wichtiger Bestandteil der Nationalen Bioökonomiestrategie der Bundesregierung und soll den Transformationsprozess hin zu einer nachhaltigen, biobasierten und an natürlichen Kreisläufen orientierten Wirtschaftsweise analysieren und ihn so messbar und bewertbar machen.

Die UN-Nachhaltigkeitsziele als Richtschnur

Das Monitoring der Bioökonomie orientiert sich an den Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen. Wo und unter welchen Bedingungen werden biogene Rohstoffe erzeugt und verbraucht? Und wie trägt die Bioökonomie zu Beschäftigung und Wertschöpfung, aber auch globaler Ernährungssicherung bei? Fünf ökologische Fußabdrücke zeigen detailliert, wie sich die Bioökonomie auf Klima und Umwelt auswirkt.

Bei der Statuskonferenz am 21. und 22. Juni 2023 im Gießhaus in Kassel trafen sich die drei Verbünde des Bioökonomie-Monitorings – SYMOBIO 2.0, gefördert vom BMBF, MoBi II, gefördert vom BMEL, und MonBio, gefördert vom BMUV. Dabei stellten die Forschenden den aktuellen Stand ihrer Arbeiten vor und diskutierten mit Teilnehmenden aus Wissenschaft, Politik und Zivilgesellschaft daraus resultierende Erkenntnisse. Rund 70 Personen nahmen an der zweitägigen Konferenz teil. Organisiert wurde die Statuskonferenz vom Center for Environmental Systems Research der Universität Kassel, das auch den Verbund SYMOBIO 2.0 koordiniert und die Webseite monitoring-biooekonomie.de betreut.

Monitoring von Wald, Forstwirtschaft und Holznutzung

Das Monitoring erfasst wichtige Stoffströme biobasierter Ressourcen, beispielsweise von Rundholz und Erzeugnissen aus Holz. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass der Konsum in Deutschland die hierzulande nachhaltig nutzbare Menge an Holz übersteigt und Importe daher unumgänglich sind. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Holz für ganz unterschiedliche Zwecke wurde insbesondere die Bedeutung der Nutzung in Kaskaden diskutiert. Das bedeutet, dass Holzerzeugnisse erst stofflich und erst im allerletzten Schritt energetisch genutzt werden.

Ein Großteil biobasierter Rohstoffe stammt aus landwirtschaftlicher Produktion und Fischerei. Anhand der vorliegenden Daten wird deutlich, dass sich die landwirtschaftliche Produktion wesentlicher Kategorien von Biomassen in Deutschland in den letzten Jahren nicht stark verändert hat, während z. B. die angelandeten Tonnagen der hauptsächlich genutzten Fischarten aus der Seefischerei leicht abnahmen und die Produktion aus Aquakultur stagnierte.

Mehr als die Hälfte der in der Textilindustrie verwendeten Materialien besteht aus fossilen Rohstoffen. Besonders beliebt sind Polyester- und Polyurethanfasern, die zwar billig, aber energieintensiv und umweltbelastend hergestellt werden. Mit der Produktion von biobasierten Chemikalien im industriellen Maßstab soll nun die Wende der Textilindustrie in Richtung Nachhaltigkeit vorangetrieben werden. Dazu haben das finnische Spezialchemieunternehmen UPM Biochemicals und der deutsche Outdoor-Spezialist VAUDE eine Partnerschaft vereinbart. In enger Zusammenarbeit wollen sie Outdoor-Textilien aus nachhaltig gewonnener Waldbiomasse herstellen. Das erste Produkt: eine Fleecejacke aus holzbasiertem Polyester.

Prototyp für fossilfreie Textilien

„VAUDE ist ein Beispiel für die Abkehr von erdölbasierten Textilien und die Reduzierung von Emissionen, dem die gesamte Branche folgen muss“, sagt Michael Duetsch, Vice President Biochemicals bei UPM. „Wir stellen mit VAUDE einen Prototyp für eine Welt jenseits der Fossilien her und beweisen, dass die nächste Stufe nachhaltiger Textilien bereits jetzt möglich ist.“

Nachhaltige Polyester-Produktion in Leuna

Konkret wird das zur Herstellung von Polyester verwendete Harz, das üblicherweise zu 30% aus erdölbasiertem Monoethylenglykol besteht, vollständig durch ein neues Bio-Monoethylenglykol ersetzt. Dabei handelt es sich um eine von UMP entwickelte holzbasierte Chemikalie namens BioPura. Das innovative Material kann nach Angaben des Unternehmens „problemlos in die bestehende Polyesterproduktion integriert werden, da es molekular identisch mit seinem fossil basierten Gegenstück ist. Produziert wird BioPura am deutschen UMP-Standort im Chemiepark Leuna. Dort baut der finnische Konzern derzeit die erste industrielle Bioraffinerie zur Herstellung von Biochemikalien auf Holzbasis. Die Anlage soll insgesamt 220.000 Tonnen pro Jahr produzieren und Ende 2023 in Betrieb gehen.

"Durch die Integration der biobasierten Materialien von UPM können wir die Möglichkeiten der Kreislaufwirtschaft weiter erforschen und nutzen. Das bedeutet, weniger zu verbrauchen, Grundstoffe aus möglichst erneuerbaren Quellen zu beziehen und sicherzustellen, dass das Produkt nach seiner Nutzungsdauer in der Wertschöpfungskette verbleiben kann", so René Bethmann, Senior Innovation Manager bei VAUDE.

Transformation in der chemischen Industrie ist möglich

Mit dieser Partnerschaft will UMP zeigen, dass „transformative Schritte in der chemischen Industrie hin zu erneuerbaren Materialien jetzt möglich sind“. Neben der Zusammenarbeit mit VAUDE wurden weitere Kooperationen entlang der Wertschöpfungskette für die Herstellung der Fleecejacke auf Holzfaserbasis geschlossen. Indorama Ventures, eines der weltweit führenden Chemieunternehmen, wird laut UMP an seinem deutschen Standort in Guben ein Polyestergarn polymerisieren und spinnen, das BioPura enthält. In einem zweiten Schritt wird der italienische Textilhersteller Pontetorto mit Sitz in Prato dieses Garn zu einem neuartigen, biobasierten Polyestergewebe verarbeiten, aus dem VAUDE das Kleidungsstück fertigen wird.

More than half of the materials used in the textile industry are made from fossil raw materials. Polyester and polyurethane fibers, which are cheap but energy-intensive and pollute the environment, are particularly popular. The production of bio-based chemicals on an industrial scale is now intended to drive the textile industry's turnaround toward sustainability. To this end, the Finnish specialty chemicals company UPM Biochemicals and the German outdoor specialist VAUDE have agreed on a partnership. Working closely together, they want to produce outdoor textiles from sustainably sourced forest biomass. The first product: a fleece jacket made from wood-based polyester.

Prototype for fossil-free textiles

"VAUDE is an example of moving away from petroleum-based textiles and reducing emissions that the entire industry needs to follow," says Michael Duetsch, Vice President Biochemicals at UPM. "With VAUDE, we are prototyping a world beyond fossils and proving that the next level of sustainable textiles is already possible."

Sustainable polyester production in Leuna

Specifically, the resin used to produce polyester, which typically consists of 30% petroleum-based monoethylene glycol, is being completely replaced by a new bio-monoethylene glycol. This is a wood-based chemical developed by UMP called BioPura. According to the company, the innovative material "can be easily integrated into existing polyester production, as it is molecularly identical to its fossil-based counterpart. BioPura is produced at UMP's German site in the Leuna Chemical Park. There, the Finnish company is currently building the first industrial biorefinery for the production of wood-based biochemicals. The plant is expected to produce a total of 220,000 metric tons per year and go on stream at the end of 2023.

"By integrating UPM's bio-based materials, we can further explore and exploit the opportunities of the circular economy. This means using less, sourcing basic materials from the most renewable sources possible and ensuring that the product can remain in the value chain after its useful life," says René Bethmann, Senior Innovation Manager at VAUDE.

Transformation in the chemical industry is possible

With this partnership, UMP wants to show that "transformative steps in the chemical industry towards renewable materials are now possible". In addition to the collaboration with VAUDE, other collaborations along the value chain for the production of the wood fiber-based fleece jacket have been established. Indorama Ventures, one of the world's leading chemical companies, will polymerize and spin a polyester yarn containing BioPura at its German site in Guben, according to UMP. In a second step, Italian textile manufacturer Pontetorto, based in Prato, will process this yarn into a novel, bio-based polyester fabric, which VAUDE will use to make the garment.

Deutschland hat bereits am 4. Mai alle verfügbaren Ressourcen für dieses Jahr verbraucht. Das geht aus Berechnungen der gemeinnützigen Organisation Global Footprint Network hervor, die jedes Jahr für jedes Land einen nationalen und einen globalen Erdüberlastungstag – den sogenannten Earth Overshoot Day – ermittelt. Ein „weiter so“ ist nicht möglich. Einen Ansatz zur Transformation bietet die Bioökonomie: Sie setzt nicht nur auf die effiziente Nutzung biologischer Ressourcen, sondern auch darauf, Produkte und Rohstoffe in Kreisläufen zu halten. Die Studie „Modell Deutschland Circular Economy“ zeigt nun erstmals umfassend, wie die deutsche Wirtschaft von einer ressourcenschonenden und nachhaltigen Kreislaufwirtschaft profitieren kann. Das über 300 Seiten starke Dokument wurde vom WWF Deutschland gemeinsam mit dem Öko-Institut, dem Fraunhofer ISI und der FU Berlin erarbeitet.

Rohstoffverbrauch Deutschlands über dem EU-Durchschnitt

„Unser Hunger nach Ressourcen scheint bisher unstillbar – und dies hat uns direkt in die zunehmende Dreifachkrise aus Erderhitzung, Artensterben und Umweltverschmutzung geführt“, sagt Rebecca Tauer, Programmleiterin Circular Economy beim WWF Deutschland. Demnach hat Deutschland 2018 mit 16,4 Tonnen pro Kopf rund 13 % mehr Rohstoffe verbraucht als der EU-Durchschnitt. 40 % der Treibhausgase gehen der Studie zufolge allein auf die Entnahme und Verarbeitung von Rohstoffen zurück. Rohstoffe seien zwar für eine erfolgreiche Energie- und Mobilitätswende notwendig, verursachten aber hohe Umweltschäden und seien hinsichtlich Versorgungsrisiko und wirtschaftlicher Bedeutung kritisch. Die Einhaltung der Klimaziele sei „ohne eine Reduktion des Rohstoffverbrauchs nicht möglich“, schreiben die Autoren.

Nutzen für Transformation größer als Kosten

Sie sind überzeugt, dass „der gesamtgesellschaftliche Nutzen einer Circular Economy deutlich höher ist als die damit einhergehenden sozio-ökonomischen Kosten der Transformation". Das Fazit: Die Transformation der deutschen Gesellschaft zu einer Circular Economy hätte große positive Effekte auf den Klima-, Ressourcen- und Biodiversitätsschutz. Durch die Circular Economy könnten demnach die Treibhausgasemissionen um bis zu 26 % reduziert und der Rohstoffkonsum um bis zu 27 % bis zum Jahr 2045 gesenkt werden. Zudem würde die deutsche Wirtschaft erheblich an Versorgungssicherheit gewinnen und ihre Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen reduzieren.