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Nitric oxide - NO for short - is a gas that is both important and deadly to living things. Researchers speculate that it may have been involved in the origin of life as a precursor to oxygen in prehistoric times. However, it damages the ozone layer and can react to form nitrous oxide, a potent greenhouse gas. Reactive nitric oxide is also a signaling molecule that is toxic to many organisms. However, some microorganisms can feed on the energy-rich gas. A team from the Max Planck Institute for Marine Microbiology in Bremen has now studied how this works in more detail for the first time.

Special equipment for research

Researchers led by Paloma Garrido Amador and Boran Kartal report in the journal Nature Microbiology on two previously unknown species of microorganisms that they were able to grow and cultivate on NO. The team found the organisms at the Bremen wastewater treatment plant. "We collected sludge from the denitrification tank," Garrido Amador reports. "We brought it to our lab, put it in one of our bioreactors and started incubation by feeding it with NO." That was four years ago. "Since NO is toxic, we needed special equipment and had to be very careful with the cultures so as not to put ourselves at risk," Garrido Amador continues. But even today, he says, the plants are thriving.

Different behavior than known from model organisms

"It turned out that two previously unknown species dominated the culture," Kartal says. "We named them Nitricoxidivorans perserverans and Nitricoxidireducens bremensis." Using these species, the team sought to understand how the metabolism of microorganisms that feed on NO works. "Some of our observations make it clear that these microbes behave differently than model organisms - organisms that are easy to culture and therefore have been extensively studied," Kartal reports. "We also show that conclusions about microbial metabolism based on genomic analyses alone are limited."

What role microorganisms growing on NO play in global matter cycles is still unclear. "The enriched microorganisms were very efficient at converting NO to molecular nitrogen," Kartal says. "There was virtually no release of the greenhouse gas nitrous oxide." That's remarkable, he says, because many other microorganisms convert NO to nitrous oxide. Molecular nitrogen, on the other hand, is harmless to the climate.

Better understanding of the nitrogen cycle

In the last four years, however, these two species have not been the only ones found. The research team searched for and found more organisms that feed on NO. "By culturing and enriching more NO-breathing microorganisms, we will better understand the evolution of nitric oxide reduction and the enzymes involved. This will also allow us to decipher the role of NO in known and yet unknown processes of the nitrogen cycle and its importance in natural and artificial environments where these processes take place," Garrido Amador hopes.

Insekten wie Mehlwürmer sind reich an Proteinen und lassen sich einfach und ressourcenschonend züchten. Fachleute sind überzeugt, dass Grillen und Co. eine Alternative zur konventionellen Fleischproduktion darstellen und zur Ernährungssicherung beitragen können. Mit der Einführung der neuen Novel-Food-Verordnung sind Insekten ab 2018 auch in der EU als Lebensmittel zugelassen. Gemahlen oder im Ganzen werden die Tierchen zu Produkten wie Nudeln oder Riegeln verarbeitet. Um Mehlwürmer effizient und wirtschaftlich in großen Mengen zu züchten, fehlt es bislang jedoch an geeigneten Produktionsanlagen.

Mit KI Mehlwürmer aussortieren

Das Start-up Lower Impact aus Hannover will das ändern und die Mehlwurm-Produktion mit Hilfe Künstlicher Intelligenz effizienter und nachhaltiger machen. Gemeinsam mit Experten des Mittelstand-Digital Zentrums Hannover der Leibniz Universität Hannover hat das junge Unternehmen eine automatische Sortieranlage für Mehlwürmer entwickelt und einen Demonstrator aufgebaut.

Bisher seien für die Sortierung Siebe mit unterschiedlichen Maschenweiten eingesetzt worden. Dabei seien häufig Mehlwürmer im Sieb stecken geblieben und mussten per Hand entfernt werden, berichtet Zentrumsmitarbeiterin Anne Rathje, die gemeinsam mit Lower Impact den Demonstrator für die Sortieranlage entwickelt hat. Mit Hilfe der neuen Anlage können demnach besonders große Käferlarven, die für die weitere Zucht benötigt werden und bisher von Hand aussortiert wurden, schnell und effizient ausgewählt werden. „Diese optische Sortierung ist die einzige wirtschaftliche Lösung“, ist Rathje überzeugt.

Optische Sortierung nach Größe

Das Aussortieren der Mehlkäfer erfolgt dabei mittels Künstlicher Intelligenz. Dafür werden die Insekten auf dem Förderband durch die Anlage transportiert und von einer Kamera erfasst. Eine KI-basierte Bildauswertung klassifiziert die Mehlwürmer in Echtzeit nach ihrer Größe und bestimmt ihre Position auf dem Förderband. Diese Daten werden dann an die Ventilsteuerung weitergegeben, die zum richtigen Zeitpunkt eines der insgesamt 16 Ventile öffnet und per Druckluft den Mehlwurm vom Band bläst. Das Sortieren der Mehlwürmer sei zwar nur einer von vielen Arbeitsschritten bei der Aufzucht, so Rathje, aber der Schritt, der am schwierigsten zu automatisieren sei.

Haltungsbedingungen können optimiert werden

Mit Hilfe von KI-Bildauswertung und Druckluftsortierung wird die mühsame und teure Handverlesung der großen Mehlkäfer überflüssig. Aber nicht nur das: Die Größe der Insekten gibt auch Aufschluss über ihren Gesundheitszustand. Zusammen mit weiteren Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Art und Menge des Futters könne die Haltung der Mehlkäfer optimiert werden, so die Forschenden.

Mit dem Bundesstaat Queensland im Nordosten Australiens hat die deutsche Bundesregierung Forschungsallianzen geschmiedet zu Zukunftsthemen wie Grüner Wasserstoff und Bioökonomie (zum Beispiel Bioökonomie International). Ian O'Hara ist Professor an der Queensland University of Technology in Brisbane. Als Experte für industrielle Biotechnologie koordinierte er den Aufbau einer großen Demonstrationsanlage (Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant - MRBPP). Zudem vertritt O'Hara die Regierung von Queensland als Beauftragter und Botschafter für die Biofutures-Industrie. Damit ist der industrielle Biotechnologie-Sektor gemeint, der Biochemikalien, Biokraftstoffe und Biokunststoffe erzeugt.

The German government has formed research alliances with the state of Queensland in northeastern Australia on future topics such as green hydrogen and the bioeconomy (e.g. Bioeconomy International). Ian O'Hara is a professor at the Faculty of Engineering at Queensland University of Technology. He led the development of the Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant (MRBPP) – a unique publicly accessible biomanufacturing pilot scale research facility. He represents the Queensland Government as the Biofutures Industry Envoy and acts as an ambassador for Queensland’s Biofutures industry. This refers to the industrial biotechnology sector, which produces biochemicals, biofuels and bioplastics.

Bis zu 150 Millionen Tonnen Plastik landen nach Angaben der Vereinten Nationen jährlich in den Weltmeeren. Ein trauriger Beweis für das Ausmaß der Verschmutzung sind die fünf riesigen Plastikinseln, die auf der Oberfläche schwimmen. Die allmähliche Zersetzung der Kunststoffe in Mikroplastik ist ein globales Problem und gefährdet zunehmend das Leben der Meeresbewohner. Die Verschmutzung der Umwelt durch Plastikmüll betrifft aber längst nicht mehr nur Meere und Ozeane. Auch Binnengewässer wie Bergseen sind betroffen, wie eine internationale Studie unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) zeigt.

Auch abgelegene Bergseen mit Mikroplastik vermutzt

38 Seen und Talsperren in verschiedenen Regionen der Welt und mit unterschiedlichen Umweltbedingungen hat das Forschungsteam auf Mikroplastik untersucht, die Partikel gezählt und Art und Größe der Kunststoffe analysiert. Das Ergebnis ist alarmierend: In allen untersuchten Seen und Stauseen – selbst in abgelegenen Gewässern wie dem Lake Tahoe in der Sierra Nevada oder in Bergseen – wurden die Forschenden fündig. Die Belastung mit Mikroplastik variierte von See zu See, ebenso wie die Größe der Partikel. Wie das Team im Fachmagazin Nature schreibt, wiesen 45% der untersuchten Seen mehr als ein Partikel pro Kubikmeter auf, die am stärksten belasteten Gewässer enthielten mehr als zehn Partikel pro Kubikmeter. Bei den Kunststoffen handelt es sich vor allem um Polyester, Polypropylen und Polyethylen.

Große Seen fungieren als Plastik-Fallen

Überrascht waren die Forschenden vor allem über das Ausmass der Verschmutzung in einigen Seen: Dazu gehören der Lago Maggiore (Italien), der Luganersee (Schweiz-Italien), der Lake Tahoe (USA) und der Lake Neagh (Großbritannien). In diesen großen Seen war die Mikroplastik-Konzentration höher als im subtropischen Müllstrudel. Alle vier Gewässer gehören der Studie zufolge zu den Seen mit der höchsten Mikroplastik-Belastung. "Solche Seen fungieren als 'Fallen' für Plastik und können im Laufe der Zeit erhebliche Mengen an Mikroplastik anreichern", erklärt Stella Berger, Wissenschaftlerin am IGB und Mitautorin der Studie.

In Deutschland war es der Stechlinsee in Brandenburg, der die Forschenden mit einer relativ hohen Konzentration an Mikrofasern überraschte. „Vermutlich handelt es sich dabei vor allem um Fasern von der Kleidung der Badenden“, vermutet Hans-Peter Grossart, Wissenschaftler am IGB und Mitautor der Studie. Dass gerade große Seen stark mit Mikroplastik belastet sind, hat einen Grund: Die Verweildauer des Wassers ist hier sehr lang. Es kann - wie im Lake Tahoe - 650 Jahre dauern, bis das Wasser durch Zu- und Abfluss einmal komplett ausgetauscht wird.

Seen vor Mikroplastikvermutzung schützen

„Unsere Ergebnisse zeigen zum ersten Mal ein umfassendes Bild der Plastikverschmutzung in Seen. Sie zeigen, wie wichtig es ist, Seen und Stauseen in den Kampf gegen die Mikroplastikverschmutzung einzubeziehen, sowohl für das Management als auch für den Erhalt der Ökosystemleistungen der Seen“, sagt Hans-Peter Grossart.

According to the United Nations, up to 150 million tons of plastic end up in the world's oceans every year. A sad testament to the scale of pollution are the five giant plastic islands floating on the surface. The gradual breakdown of plastics into microplastics is a global problem and increasingly endangers the lives of marine life. However, the pollution of the environment by plastic waste no longer affects only seas and oceans. Inland waters such as mountain lakes are also affected, as an international study involving the Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries (IGB) shows.

Even remote mountain lakes are polluted with microplastics

The research team examined 38 lakes and reservoirs in different regions of the world and with different environmental conditions for microplastics, counted the particles and analyzed the type and size of the plastics. The results are alarming: the researchers found microplastics in all the lakes and reservoirs they studied - even in remote bodies of water such as Lake Tahoe in the Sierra Nevada or in mountain lakes. The microplastic load varied from lake to lake, as did the size of the particles. As the team writes in the journal Nature, 45% of the lakes studied had more than one particle per cubic meter, and the most polluted waters contained more than 10 particles per cubic meter. The plastics involved are mainly polyester, polypropylene and polyethylene.

Great lakes serve as a plastic trap

The researchers were particularly surprised by the extent of pollution in some lakes: these include Lake Maggiore (Italy), Lake Lugano (Switzerland-Italy), Lake Tahoe (USA) and Lake Neagh (UK). In these large lakes, microplastic concentrations were higher than in subtropical waste swirls. All four bodies of water are among the lakes with the highest microplastic pollution, according to the study. "Such lakes act like 'traps' for plastic and can accumulate significant amounts of microplastics over time," explains Stella Berger, a scientist at IGB and co-author of the study.

In Germany, it was Lake Stechlin in Brandenburg that surprised the researchers with a relatively high concentration of microfibers. "These are probably mainly fibers from the clothing of bathers," suspects Hans-Peter Grossart, a scientist at the IGB and co-author of the study. There is a reason why large lakes in particular are heavily contaminated with microplastics: the residence time of the water here is very long. As in Lake Tahoe, it can take 650 years for the water to be completely replaced by inflows and outflows.

Protect lakes from microplastic pollution

"Our results show for the first time a comprehensive picture of plastic pollution in lakes. They show how important it is to include lakes and reservoirs in the fight against microplastic pollution, both for management and for the preservation of lake ecosystem services," says Hans-Peter Grossart.

Innovationen aus der Bioökonomie sind wichtige Treiber, um die großen Herausforderungen der Zukunft wie Klimawandel, Ernährungssicherung, Rohstoffknappheit und Artenverlust zu meistern. Mit der Bioökonomiestrategie hat die Bundesregierung bereits vor Jahren den Wandel hin zu einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Wirtschaftsweise eingeleitet und die Förderung bioökonomischer Innovationen auf die politische Agenda gesetzt. Die Etablierung biobasierter Technologien erfordert aber auch Akzeptanz in der Bevölkerung. In einer aktuellen Studie haben drei Forscherinnen der Universität Bonn daher untersucht, wie hoch die Akzeptanz der Bevölkerung konkret für Bioraffinerien und Aquaponik-Anlagen ist und welche Faktoren diese Akzeptanz beeinflussen.

Im Rahmen einer Online-Umfrage wurden dazu knapp 2.000 Personen befragt. Die Hälfte der Teilnehmenden kam aus dem Rheinischen Revier, einer Region, die den Strukturwandel - weg von der Kohle hin zu einer biobasierten und nachhaltigen Wirtschaft - bereits heute angeht. Mit Blick auf den geplanten Kohleausstieg im Jahr 2038 soll hier mit Unterstützung der Bundesregierung und dem Land Nordrhein-Westfalen eine "Modellregion Bioökonomie Rheinisches Revier" entstehen.

Grüne Industrie in der Nachbarschaft eher unerwünscht

Die Befragung ergab: Viele Menschen stehen der „grünen“ Industrie zwar grundsätzlich offen gegenüber, wollen sie aber nicht in der eigenen Nachbarschaft haben. Zur Überraschung der Forschenden lehnten die Teilnehmenden aus dem Rheinischen Revier Bioraffinerien und Aquaponik-Anlagen in ihrer Nachbarschaft stärker ab als Teilnehmende aus anderen Regionen Nordrhein-Westfalens. Eine Erklärung der Forscherinnen und Forscher: Durch den jahrzehntelangen Braunkohletagebau seien die Menschen hier sensibler für neue Entwicklungen. Zudem gebe es hier bereits konkrete Pläne für eine Modellregion Bioökonomie, was den anstehenden Strukturwandel für die Menschen „greifbarer“ mache.

Nachteile biobasierter Innovationen werden überschätzt

Entscheidend für die Akzeptanz sei auch, wie die Vor- und Nachteile solcher Technologien wahrgenommen werden, heißt es. Der Studie zufolge werden die Vorteile oft unterschätzt, die Nachteile dagegen überschätzt. „Viele Befragte befürchten, dass Bioraffinerien riesige Anlagen sind, wie man sie von Erdölraffinerien kennt und verbinden diese Anlagen mit Gestank“, erklärt Doktorandin und Erstautorin der Studie, Janine Macht. „Tatsächlich können Bioraffinerien aber auch viel kompakter als Großraffinerien sein und die Geruchsemissionen sind dank modernster Filtertechnologien praktisch gleich Null.“

Gefühle bestimmen Akzeptanz

Die Akzeptanz von biobasierten Technologien wie Bioraffinerien und Aquaponik-Anlagen hängt aber auch davon ab, welche Gefühle die Menschen mit diesen Technologien verbinden und welche Emotionen ausgelöst werden. So wurde die Akzeptanz von Aquaponik-Anlagen am stärksten durch positive Gefühle wie Freude und Hoffnung beeinflusst. Bei Bioraffinerien spielten dagegen negative Gefühle wie Sorge und Angst eine größere Rolle.

Bevölkerung mitnehmen

Die Umfrage zeigt deutlich, dass Unwissenheit ein Faktor für die Ablehnung neuer Technologien ist. Vorteile wie der Nutzen für die lokale Wirtschaft, die Schaffung qualifizierter Arbeitsplätze und die Erweiterung der lokalen Lebensmittelversorgung sollten laut der Studie deutlicher herausgestellt werden. Die Kommunikation von Nutzen und Risiken geplanter Technologien sowie eine frühzeitige Beteiligung der Öffentlichkeit können demnach dazu beitragen, negative Emotionen und Risikowahrnehmungen abzubauen und kontroverse Debatten zu versachlichen. Bei der Umsetzung von Bioökonomiestrategien muss die betroffene Bevölkerung daher mitgenommen werden - so das Fazit der Studie mit dem Titel „Vergessen Sie die Menschen vor Ort nicht: Erkenntnisse zur Akzeptanz der Bürger für biobasierte Technologien“, die im Fachjournal „Technology in Science“ erschienen ist.

Innovations from the bioeconomy are important drivers for mastering the major challenges of the future, such as climate change, food security, raw material scarcity and species loss. With its bioeconomy strategy, the German government initiated the shift toward a sustainable and resource-conserving economy years ago and put the promotion of bioeconomic innovations on the political agenda. However, the establishment of bio-based technologies also requires acceptance among the population. In a recent study, three researchers from the University of Bonn therefore investigated how high the acceptance of the population is specifically for biorefineries and aquaponics plants and which factors influence this acceptance.

Almost 2,000 people were surveyed in an online poll. Half of the participants came from the Rhenish coalfield, a region that is already tackling the structural change - away from coal and toward a biobased and sustainable economy. With a view to the planned coal phase-out in 2038, a "Rhenish Revier Bioeconomy Model Region" is to be created here with the support of the federal government and the state of North Rhine-Westphalia.

Green industry, but not in the neighborhood

The survey revealed that many people are open to "green§" industry in principle, but do not want it in their own neighborhood. To the researchers' surprise, participants from the Rhenish mining area were more opposed to biorefineries and aquaponics plants in their neighborhood than participants from other regions of North Rhine-Westphalia. One explanation given by the researchers is that people here are more sensitive to new developments due to decades of open-cast lignite mining. In addition, there are already concrete plans for a bioeconomy model region here, which makes the upcoming structural change "more tangible" for the people.

Disadvantages of bio-based innovations are overestimated

A decisive factor for acceptance is how the advantages and disadvantages of such technologies are perceived. According to the study, the advantages are often underestimated, while the disadvantages are overestimated. "Many respondents fear that biorefineries are huge plants, as known from oil refineries, and associate these plants with stench," explains doctoral student and lead author of the study, Janine Macht. "But in fact, biorefineries can be much more compact than large-scale refineries, and odor emissions are virtually zero thanks to advanced filtration technologies."

The role of emotions

However, the acceptance of biobased technologies such as biorefineries and aquaponics plants also depends on what people associate with these technologies and which emotions are triggered. For example, the acceptance of aquaponics plants was most strongly influenced by positive emotions such as joy and hope. For biorefineries, on the other hand, negative feelings such as worry and fear played a greater role.

Engaging the population

The survey clearly shows that lack of knowledge is a factor in the rejection of new technologies. Pros such as the benefits to the local economy, the creation of skilled jobs and the expansion of the local food supply should be highlighted more clearly. According to the study, communicating the benefits and risks of planned technologies and involving the public at an early stage can help reduce negative emotions and risk perceptions and make controversial debates more objective. The affected population must therefore be involved in the implementation of bioeconomy strategies - this is the conclusion of the study entitled "Don't forget the local people: insights into citizen acceptance of biobased technologies", which was published in the journal Technology in Science.

Saubere Atemluft ist wichtig – auch für die sogenannten Springschwänze, eine weit verbreitete Klasse der Gliederfüßer. Für die wenige Millimeter großen Tiere gilt jedoch eine Besonderheit: Sie atmen fast alle ausschließlich über ihre Haut. Als oftmals bodenlebende Organismen stellt das die Springschwänze vor die Herausforderung, eben diese Haut möglichst frei von Verunreinigungen und Krankheitserregern zu halten, um die Atmung nicht zu gefährden. Forschende des Leibniz-Instituts für Polymerforschung in Dresden haben nun entdeckt, wie den Tieren das gelingt. Die Entdeckung könnte dazu dienen, neue Werkstoffe zu entwickeln.

Spontane Änderung der Molekülausrichtung

Zunächst war dem Forschungsteam um Carsten Werner aufgefallen, dass Springschwänze auf ihrer Haut einen hohen Anteil Cholesterin aufweisen. Im Wissenschaftsjournal „Nature“ berichten die Fachleute nun, wie diese Moleküle dazu beitragen, die Haut der kleinen Gliederfüßer rein zu halten. Mithilfe von Experimenten, atomistischen Simulationen und Analysen der Thermodynamik stellten sie fest, dass sich manchmal die Ausrichtung der Cholesterinmoleküle spontan ändert. Dadurch entsteht eine sogenannte entropische Abstoßung, die dazu führt, dass sich Proteine oder Bakterien schlechter an die cholesterinhaltige Hautoberfläche anheften können. Schon winzige Änderungen der molekularen Orientierung machten diese Effekt zunichte. Oberflächen, die fixiert waren und sich daher nicht spontan neu orientieren konnten, boten ebenfalls keinen Schutz gegen sich anheftende biologische Oberflächen.

Funktionalisierte Oberflächen mit entropischer Abstoßung

Viele Produkte oder Technologien hängen davon ab, dass ihre Oberflächen nicht durch biologisches Material verunreinigt werden. Das Forschungsteam erhofft sich daher, das in der Natur entdeckte Prinzip nun zu nutzen, um synthetische Materialien zu entwickeln, die durch eine vergleichbare entropische Abstoßung sauber gehalten werden. Bis es gelingen wird, Oberflächen entsprechend zu funktionalisieren, dürfte jedoch noch eine Menge Forschungsarbeit zu leisten sein.

Clean air is important - also for the so-called springtails, a widespread class of arthropods. The animals, which are only a few millimeters in size, have a special feature: they almost all breathe exclusively through their skin. As organisms that frequently live on the ground, springtails face the challenge of keeping this very skin as free as possible from pollutants and pathogens so as not to endanger their respiration. Researchers at the Leibniz Institute of Polymer Research in Dresden have now discovered how the animals manage this. The discovery could be used for the development of new materials.

Spontaneous change of molecular orientation

Initially, the research team led by Carsten Werner noticed that springtails have a high proportion of cholesterol on their skin. In the journal Nature, the experts now report how these molecules help keep the skin of the small arthropods clean. Using experiments, atomistic simulations and analyses of thermodynamics, they found that the orientation of the cholesterol molecules sometimes changes spontaneously. This creates what is known as entropic repulsion, which makes it harder for proteins or bacteria to attach to the cholesterol-containing skin surface. Even tiny changes in molecular orientation nullified this effect. Surfaces that were fixed and therefore could not spontaneously realign themselves also offered no protection against adhering biological surfaces.

Functionalized surfaces with entropic repulsion

Many products or technologies depend on their surfaces not being contaminated by biological material. The research team therefore now wants to use the principle discovered in nature to develop synthetic materials that are kept clean by a comparable entropic repulsion. However, a great deal of research work is likely to be needed before surfaces can be functionalized in this way.

Papier oder Verpackungen bestehen in der Regel aus Zellstoff, der aus Holz gewonnen wird. Die Papierherstellung ist jedoch sehr energieintensiv. Zudem wächst Holz nur langsam nach und die Nachfrage ist in den letzten Jahren gestiegen – denn der Rohstoff ist längst auch für andere Industriezweige zu einer wichtigen Quelle für nachhaltige Produkte wie biobasierte Kunststoffe geworden. Doch es gibt Alternativen. Denn Cellulose lässt sich auch aus anderen Pflanzen wie Gras gewinnen.

Einjahrespflanzen als Alternative zum Rohstoff Holz

Forschende der Hochschule München wollen nun sogenannte Einjahrespflanzen als Rohstoff für die Papierherstellung nutzen. Ein Team von Studierenden um Helga Zollner-Croll von der Fakultät für Technische Systeme, Verfahren und Kommunikation hat sich Hopfen, Hanf und das als Chinaschilf bekannte Miscanthus-Gras vorgenommen, um daraus Zellstoff für die Papierherstellung zu gewinnen.

Einer der schwierigsten Schritte bei der herkömmlichen Papierherstellung ist die Trennung der Holzfasern vom Lignin, um ein optimales Ergebnis bei der Zellstoffgewinnung zu erzielen. Dafür werden nicht nur viel Energie und Wasser, sondern auch Chemikalien benötigt. Um den Ligningehalt von Hopfen, Hanf und Miscanthus zu bestimmen, haben die Forschenden das Pflanzenmaterial zunächst getrocknet und zerkleinert. Die Analyse ergab, dass im Vergleich zu Holz, das einen Ligningehalt von 30 % hat, der Ligninanteil bei Hanf mit 12 bis 14 % und bei Miscanthus und Hopfen mit jeweils 22 % deutlich geringer ist.

Zellstoffgewinnung durch Kochungen

Um den Zellstoff zu gewinnen, wandte das Team verschiedene Kochverfahren an. „Wir haben jeweils kleine Mengen von Hopfen, Hanf und Miscanthus drei Zellstoff-Kochungen unterzogen: dem Natural-Pulping-Verfahren mit Methansäure, dem Acetosolv-Verfahren mit Essigsäure und der Soda-Kochung mit Natronlauge“, erklärt Zollner-Croll.

Miscanthus überzeugt mit hoher Ausbeute

Anschließend wurden die Fasereigenschaften und die Ausbeuten mit Daten aus der Zellstoffherstellung aus Kiefern- und Fichtenholz verglichen. Dabei stand vor allem der Faseranteil im Zellstoff im Vordergrund. Mit einer Ausbeute von 86 % überzeugte hier vor allem Miscanthus. Bei der Zellstoffgewinnung aus Holz durch Sulfatkochung wird laut den Forschenden nur eine Ausbeute von etwa 55 % erreicht, der Rest ist Lauge. „Damit bestätigt sich das große Potenzial von Einjahrespflanzen und Gräsern“, resümiert Zollner-Croll. Als nächstes wollen die Münchner Forschenden Versuche mit größeren Mengen Pflanzenmaterial durchführen.

Paper or packaging usually consists of pulp obtained from wood. However, paper production is very energy-intensive. Moreover, wood grows only slowly and demand has increased in recent years, as the raw material has long since become an important source for sustainable products such as bio-based plastics. But there are alternatives: Cellulose can also be obtained from other plants such as grass.

Annual plants as an alternative to wood as a raw material

Researchers at Munich University of Applied Sciences now want to use so-called annual plants as raw material for paper production. A team of students led by Helga Zollner-Croll from the Faculty of Technical Systems, Processes and Communication has set its sights on hops, hemp and the miscanthus grass known as Chinese reed, with the aim of using them to produce pulp for paper manufacturing.

One of the most difficult steps in conventional paper production is the separation of the wood fibers from the lignin in order to achieve an optimum result in pulp extraction. This requires not only a lot of energy and water, but also chemicals. To determine the lignin content of hops, hemp and miscanthus, the researchers first dried and crushed the plant material. The analysis showed that compared to wood, which has a lignin content of 30%, the lignin content of hemp is significantly lower at 12 to 14% and of miscanthus and hops at 22% each.

Pulp extraction by cooking

To obtain the pulp, the team used different cooking processes. "We subjected small amounts of each of hops, hemp and miscanthus to three pulp cooking processes: the natural pulping process with methanoic acid, the acetosolv process with acetic acid and soda cooking with caustic soda," Zollner-Croll explains.

Miscanthus convinces with a high yield

Fiber properties and yields were then compared with data from pine and spruce pulp production. The main focus was on the fiber content of the pulp. With a yield of 86%, Miscanthus was particularly convincing here. According to the researchers, pulping wood by sulfate cooking only achieves a yield of about 55%, the rest being lye. "This confirms the great potential of annual plants and grasses," Zollner-Croll sums up. Next, the Munich researchers plan to conduct trials with larger quantities of plant material.

Das Bundesforschungsministerium unterstützt junge Forschende dabei mit eigenen Arbeitsgruppen innovative Ideen anzupacken. Das Ziel ist, die Bioökonomie neu und noch nachhaltiger zu gestalten. Drei weitere Projekte gehen nun in der zweiten Ausschreibungsrunde der Förderinitiative „Kreativer Nachwuchs forscht für die Bioökonomie“ an den Start.

Mit ihren vielversprechenden Projektvorschlägen setzten sie sich in einem anspruchsvollen Wettbewerb durch. Für die Realisierung der Projektideen erhalten sie vom Bundesforschungsministerium jeweils bis zu drei Millionen Euro für einen Zeitraum von fünf Jahren.

Grünschnitt als Rohstoff

Wie können wir bisher ungenutzte Restbiomassen umweltbewusst verwerten? Dieser Frage widmet sich das Team um Korbinian Kaetzl von der Universität Kassel. Als Rohstoffquelle werden in dem Projekt Bio4Act Grünschnitt von Gras- und Naturschutzflächen verwendet, auf denen keine Tiere weiden und die anderweitig nicht genutzt werden. Mit einem neuartigen Technologiekonzept will man insbesondere biogene Aktivkohle zur Abwasserreinigung in Kläranlagen erzeugen.

Die am stärksten belasteten Seen übertrafen sogar die subtropischen Ozeanwirbel - eine Region, die als Sammelstelle für Mikroplastik und Müll in den Weltmeeren gilt. Die Untersuchungen ergaben, dass 45% der Seen mit mehr als einem Partikel pro Kubikmeter belastet waren. Einige der am stärksten betroffenen Seen, wie der Lago Maggiore in Italien, der Luganer See in der Schweiz und der Lake Tahoe in den USA, werden auch als Trinkwasserquellen genutzt.

Das Forschungsteam untersuchte verschiedene Seentypen und fand heraus, dass insbesondere große, tiefe Seen aufgrund der langen Verweilzeit des Wassers regelrechte Mikroplastiksenken sind. Im Lake Tahoe beispielsweise dauert es rund 650 Jahre, bis das gesamte Wasser einmal ausgetauscht ist. Solche Seen können im Laufe der Zeit erhebliche Mengen an Mikroplastik anreichern. In Deutschland war es der Stechlinsee, der die Forschenden überraschte. Dabei handelt es sich um einen natürlichen See ganz im Norden von Brandenburg, mit 70 Metern ist er der tiefste See des Landes. Im Stechlinsee wurden relativ hohe Konzentrationen von Mikroplastik in Form von Mikrofasern gefunden. Das sei überraschend, da das Ufer des Sees weitgehend natürlich sei und zusätzlich noch von Buchenwäldern umgeben. Die Forschenden gehen daher davon aus, dass Badegäste die Fasern durch ihre Kleidung ins Wasser eingebracht haben.

Die Verschmutzung mit Mikroplastik gefährdet nicht nur das Trinkwasser, sondern hat auch negative Auswirkungen auf Wasserorganismen und das Ökosystem. Kunststoffe können sich auf biogeochemische Kreisläufe auswirken, und Plastikansammlungen an der Wasseroberfläche können die Freisetzung von Treibhausgasen wie Methan begünstigen. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, Seen und Stauseen in den Kampf gegen die Mikroplastikverschmutzung einzubeziehen, um das Ökosystem zu erhalten. Prof. Hans-Peter Grossart, Wissenschaftler am IGB und Mitautor der Studie, betont die Wichtigkeit, Seen sowohl in das Management als auch in den Schutz von Ökosystemdienstleistungen einzubeziehen.

Ob Hering, Zander oder Lachs: Fisch ist beliebt und rangiert auf der Liste der gesunden Lebensmittel ganz oben. 12,7 Kilogramm wurden nach Angaben des Statistischen Bundesamtes 2021 pro Kopf in Deutschland gegessen. Damit ist die Nachfrage nach Fisch und Fischerzeugnissen weiterhin hoch – und dieser Trend wird sich fortsetzen, da die sogenannten blauen Lebensmittel eine wichtige und ressourcenschonende Proteinquelle sind. Das Problem: Der Bedarf kann längst durch den heimischen Fischfang nicht mehr gedeckt werden, weil Bestände in Nord- und Ostsee vor allem Dorsch und Hering überfischt sind. Das Gros der essbaren Fische kommt daher mittlerweile aus kommerziellen Fisch-Farmen. Doch auch die Zucht in Aquakultur-Anlagen steht hinsichtlich Tierwohl und Umweltbelastung in der Kritik.

Praxisrelevante Forschungsergebnisse

Welchen Fisch kann man also noch essen? Wie ressourcenschonend sind Fischerei und Aquakultur? Und was muss getan werden, damit Fisch, Meeresfrüchte und Algen in einem sich ändernden Klima zu einer nachhaltigen Entwicklung beitragen? Antworten auf solche Fragen liefert eine neue Broschüre, die im Rahmen des Forschungsverbundes „Küstenmeerforschung Nordsee-Ostsee“ KüNO III entstanden ist. Das Handbuch mit dem Titel „Fisch, Meeresfrüchte und Algen im Klimawandel – ‚Blaue‘ Lebensmittel als Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung“ enthält praxisrelevante Forschungsergebnisse von fünf der insgesamt sechs Vorhaben, die im KüNO-Dachprojekt CoTrans vom Norddeutschen Küsten- und Klimabüro am Helmholtz Zentrum Hereon gebündelt und seit 2013 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert werden. Das Forschungsprojekt will im Spannungsfeld zwischen Anpassung an die Folgen des Klimawandels, nachhaltiger Ressourcennutzung und Erhalt natürlicher Lebensräume Entscheidungswissen und wissenschaftsbasierte Handlungsempfehlungen bereitstellen.

Handlungsfelder „blauer“ Lebensmittel und Nachhaltigkeitsziele

Das mehr als 220 Seiten umfassende Handbuch liefert Fakten zu kursierenden Meinungen, schildert die Auswirkungen des Klimawandels auf Fischerei und Aquakultur und wie es um die Fischbestände in Nord- und Ostsee steht. Darin beschreiben wird aber auch, welches Potenzial in einer ökologisch nachhaltigen Produktion „blauer“ Lebensmittel steckt. Vor allem werden in dem Handbuch konkrete Handlungsfelder „blauer“ Lebensmittel im Hinblick auf die Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen beschrieben, diskutiert und konkretisiert. Darauf basierend werden schließlich Handlungsoptionen für Politik, Wissenschaft, Wirtschaft sowie Konsumentinnen und Konsumenten abgeleitet.

Konsumverhalten ändern

„So können wir alle beispielsweise durch Änderungen im Konsumverhalten – weg vom Aquakulturlachs und Thunfisch, hin zu Hering, Makrele, Sardelle, Muscheln und Algen – zu einer nachhaltigen Nutzung ,blauer‘ Lebensmittel beitragen“, sagt Autorin Insa Meinke. Doch nicht nur eine Veränderung des Konsumverhaltens ist für eine nachhaltige Nutzung mariner Lebensmittel notwendig. Da auch Fischerei und Aquakultur zu den weltweiten CO₂-Emissionen beitragen, ist den Autoren zufolge „die weltweite Reduktion von Treibhausgasemissionen als auch die regionalspezifische Minderung aller anderen direkten menschlichen Einflüsse auf marine und küstennahe Ökosysteme“ für eine nachhaltige Entwicklung mariner Lebensmittel vom zentraler Bedeutung. In Fischerei und Aquakultur sollten daher gleichermaßen Treibhausgasemissionen vermieden, negative Klimafolgen verringert und Potenziale, die sich durch den Klimawandel ergeben, ausgelotet und genutzt werden.

Derzeit droht durch den brennenden Autofrachter "Fremantle Highway" in der Nordsee eine Umweltkatastrophe, sollte das Schiff auseinanderbrechen und Öl ins Meer gelangen. Experten schätzen, dass jährlich bis zu 1.500 Millionen Liter Öl in die Meere fließen. Die Explosion auf der Bohrinsel Deepwater Horizon im Jahr 2010 und die daraus resultierende Ölpest im Golf von Mexiko ist bis heute eine der schlimmsten Umweltkatastrophen in der Geschichte. Tagelang strömten damals bis zu 800 Millionen Liter Rohöl ins Meer, verschmutzten das Ökosystem und wurden unzähligen Tieren zum Verhängnis.

Ein internationales Forschungsteam der Universitäten Stuttgart und Tübingen sowie der China West Normal University und der University of Georgia hat nun untersucht, inwiefern sich solche Ölkatastrophen umweltschonend bekämpfen lassen. Die Forschenden berichten im Fachjournal "ACS EST Water".

Bisher kommen nach Ölunfällen in der Regel chemische Dispersionsmittel zum Einsatz. Die Substanzen lösen zwar größere Ölklumpen auf, spalten sie in kleinere Tröpfchen und sorgen dafür, dass sich die Ölmenge nicht an der Meeresoberfläche ansammelt.

Frühere Studien haben jedoch gezeigt, dass dabei auch ölabbauende Mikroorganismen verdrängt werden, die auf natürliche Weise ölverseuchte Gebiete reinigen können. „In einer im Jahr 2015 veröffentlichten Studie aus den USA haben wir jedoch gezeigt, dass – anders als erhofft – chemische Dispersionsmittel im Tiefseewasser aus dem Golf von Mexiko den mikrobiellen Ölabbau verlangsamen können“, sagt Sara Kleindienst, die bis Juni 2022 an der Universität Tübingen forschte und jetzt an der Universität Stuttgart arbeitet. Die Studie zeigte damals auch, dass sich natürliche Ölverwerter der Gattung Marinobacter ohne chemische Dispersionsmittel sogar vermehrten.

Biotenside als Alternative zu chemischen Dispersionsmitteln

Doch was ist die umweltfreundlichste Methode, um solche Ölkatastrophen zu bekämpfen? Ein Team um die Umweltmikrobiologin Sara Kleindienst ist überzeugt, dass Biotensiden eine vielversprechende Alternative zu chemischen Dispersionsmitteln sein können. Der Grund: Biotenside werden durch Mikroorganismen gebildet und können so bewirken, dass Ölkomponenten leichter für den Abbau zugänglich werden. Der mikrobielle Ölabbau, der maßgeblich für die Aufreinigung verantwortlich ist, kann dadurch gesteigert werden, wie die Forschenden berichten.

Für ihre Versuche nutzte das Team Oberflächenwasser aus der Nordsee. Im Labor wurde das Meerwasser dann entweder mit einem Biotensid Rhamnolipid oder einem Dispersionsmittel jeweils mit und ohne Öl behandelt. Mithilfe radioaktiver Markierungen konnte das Team verfolgen, wie die Mikroorganismen das Öl abbauen. „Unsere Untersuchungen mit radioaktiv markierten Kohlenwasserstoffen oder einer radioaktiv markierten Aminosäure zeigten, dass die höchsten mikrobiellen Raten der Kohlenwasserstoffoxidation und der Proteinbiosynthese in den mit Rhamnolipid behandelten Öl-Mikrokosmen auftraten“, sagt Lu Lu, die ehemals an der Universität Tübingen und jetzt an der China West Normal University forscht.

Biotenside stimulieren mikrobiellen Ölabbau

Der Studie zufolge wirkten Biotenside und Dispersionsmittel auch sehr verschieden auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften. „Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass der Einsatz von Biotensiden gegenüber chemischen Dispersionsmitteln andere mikrobielle Ölabbauer stimulieren kann, sowohl im Wachstum als auch in den Aktivitäten – und dies kann sich wiederum auf den Reinigungsprozess nach Ölkatastrophen auswirken“, sagt Lu.

Die Forschenden sehen daher großes Potenzial für den Einsatz von Biotensiden bei zukünftigen Ölkatastrophen in der Nordsee oder in ähnlichen nährstoffreichen Habitaten im Ozean. „Eine visionäre Weiterführung unserer Arbeit wäre die Entwicklung von Produkten, die auf Biotensiden basieren und die eine effektive und umweltfreundliche Bekämpfung von Ölkatastrophen leisten können“, sagt Kleindienst.

Phosphor ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzen. In vielen Böden ist er jedoch nicht in ausreichender Menge vorhanden, so dass er entweder über Dünger zugeführt werden muss oder die Pflanzen nicht optimal wachsen können. Da die Phosphorreserven schwinden, wird seit Jahren intensiv an alternativen Düngemitteln geforscht. Als vielversprechender Kandidat gilt Biochar, eine spezielle Pflanzenkohle, die bei der Verbrennung von Biomasse entsteht. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun untersucht, wie sich das Zusammenspiel von dieser Biokohle und Mykorrhizapilzen auf das Pflanzenwachstum auswirkt.

Im Fokus standen dabei die am weitesten verbreiteten Symbiosepilze, die arbuskulären Mykorrhizapilze, kurz AMP. Über das Feinwurzelsystem der AMP im Boden, die so genannten Hyphen, gelangen wichtige Nährstoffe wie Phosphate und Stickstoff in die Pflanze. Im Gegenzug versorgt die Pflanze den Symbiosepilz mit Kohlenhydraten, die er aus der Photosynthese gewinnt.

Ausgangsstoff für Biokohle für Pflanzenaktivität entscheidend

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Pflanzen, die mit Biokohle gedüngt werden, sehr unterschiedlich auf den alternativen Dünger reagieren. Denn als Ausgangsmaterial können Holzreste, Hühnermist, aber auch Laub verwendet werden. Während einige dadurch besser wuchsen, zeigten andere sogar toxische Reaktionen. Die Forscherinnen und Forscher am KIT konnten nun nachweisen, dass die Herkunft der Biokohle-Biomasse entscheidend für die Symbiose mit AMP und damit für die Pflanzenaktivität ist.

Hühnermist-Biokohle beeinträchtigt Symbiose

Dazu hatten die Forschenden zum einen die alleinige Wirkung von Biokohle aus Weizenstroh und Hühnermist untersucht. „Die Tomatensetzlinge, die wir mit Hühnermist-Biokohle gedüngt haben, sind wie erwartet schnell und prächtig gewachsen. Sie hatten viel Phosphat zur Verfügung, das sie direkt verwerten konnten“, erklärt Natalia Requena, Expertin für molekulare Phytopathologie am JKIP. In einem zweiten Versuch wurden die Tomatenpflanzen mit dem Wurzelpilz besiedelt. Die Genexpressionsanalyse zeigte deutlich, dass die phosphatreiche Biokohle aus Hühnermist die Symbiose zwischen Tomate und Wurzelpilz beeinträchtigte. Ein molekularer Austausch fand kaum statt.

Biokohle aus Weizenstroh schützt vor Krankheitserregern

Die Biokohle aus Weizenstroh hingegen führte zur Überraschung der Forschenden sogar zu einer lebhaften Symbiose mit dem AMP. „Eine derart komplexe molekulare Antwort der Pflanzen hatten wir nicht erwartet“, sagt Requena. Ihr Fazit: „Langfristig sind diese mit Biokohle aus Weizenstroh gedüngten Pflanzen dadurch kompatibler mit anderen Mikroorganismen und damit auch besser gegen Krankheitserreger geschützt."

Mit Hilfe der Genexpressionsanalyse wollen die KIT-Forscher nun weiter nach Markern in den Genen der Pflanzen suchen, um weitere Antworten auf das Pflanzenwachstum zu finden. „Wenn wir diese entschlüsseln, können wir Pflanzen langfristig so programmieren, dass sie weniger Phosphat und damit weniger Mineraldünger benötigen“, sagt Requena.