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Invertebrates such as flying insects play a key role in the freshwater ecosystem: they filter water, transport nutrients and break down organic material. These abilities have long made them an indicator of water quality. In a long-term study, an international team of researchers has investigated how species diversity has developed in European rivers. Led by the Senckenberg Research Institute and Natural History Museum in Frankfurt, the team analyzed rivers in 22 European countries over a period from 1968 to 2020 and tracked the development of 2,648 species of freshwater invertebrates.

Regeneration of rivers stagnates since 2010

The researchers conclude that river biodiversity did increase during the study period. However, there has been no progress since 2010. Rather, the positive trend has stagnated and many river systems have not been able to fully regenerate, the researchers report in the journal Nature.

According to the report, the increase in biodiversity in the 1990s and 2000s can be attributed to improvements in water quality and restoration projects. "In response to the poor condition of water bodies in the 1950s and 1960s, important countermeasures were taken to restore freshwater habitats, for example, with the 'U.S. Clean Water Act' of 1972 and the EU Water Framework Directive of 2000," explains senior author Ellen A.R. Welti, formerly a Senckenberg scientist and now a research ecologist in the United States at the Smithsonian's Conservation Ecology Center. "These actions led to a significant decrease in organic pollution and acidification starting around 1980."

Current measures are insufficient

According to the study, freshwater communities downstream of dams, urban areas and farmland recovered less rapidly. In addition, fauna at sites with faster warming increased less in terms of species diversity, abundance of individuals, and functional diversity. Non-native species were also found in 70% of all river sections studied. "It is also observed that the immigrated animals are better adapted to urban areas and more polluted places than the native fauna. This could lead to a loss of rare and sensitive native species," Welti said.

Significant investment needed to protect biodiversity

The researchers therefore warn that considerable investment is needed to restore biodiversity in rivers. For example, wastewater networks should be expanded and sewage treatment plants improved to prevent overflowing during heavy rainfall and thus the entry of pollutants into rivers. In addition, the research team advocates reducing the input of fertilizers and pesticides, especially from agriculture, and adapting river systems to future climatic and hydrological conditions.

"In the future, biodiversity monitoring should also be done in conjunction with environmental data collection. Only in this way can we effectively describe temporal changes within biodiversity, identify environmental factors and risk areas, and maximize the protection of biodiversity," says the study's lead author Peter Haase of the Senckenberg Research Institute and Natural History Museum Frankfurt.

Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze sind Meister der Stoffumwandlung und seit jeher wichtige Werkzeuge der Biotechnologie. Mit ihrer Hilfe lassen sich Materialien produzieren, die von Natur aus biobasiert und biologisch abbaubar sind – beispielsweise Biokunststoffe. Das Problem: Nicht alle Bakterien, die für die Biotechnologie interessant sind, bringen die gewünschte Leistung, denn sie lassen sich nur schwer bändigen. Forschende am Institut für Mikrobiologie und Molekularbiologie der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) haben nun einen Weg gefunden, Bakterien zu „zähmen“, indem sie ihre Genexpression kontrollieren.

Kontrollierte Genexpression

Bei der Genexpression wird die Neusynthese jener Proteine gesteuert, die bestimmte Aufgaben in der Zelle wahrnehmen. „Einige der bekannten Systeme zur Kontrolle der Genexpression lassen sich in Modellorganismen wie E.coli nach jahrelanger Feinabstimmung einsetzen, funktionieren aber in vielen Wildtypen von biotechnologischem Interesse nicht gut. Typische Probleme sind eine schwache oder eine unkontrollierte Expression“, erläutert Matthew McIntosh von der JLU.

Mehr Speicherplatz für nützliche Polymere

Das von McIntosh entwickelte System könnte diese Probleme lösen. Den Forschenden zufolge ist das neue System namens ACIT (Alphaproteobacteria chromosomally integrating transcription-control cassette) in der Lage, die Genkontrollmechanismen schnell an die spezifischen Bakterien und die Wachstumsbedingungen anzupassen. Wie das Team in der Fachzeitschrift „ACS Synthetic Biology“ schreibt, kann damit eine Bakterienzelle um das Hundertfache verlängert und so mehr Speicherplatz für nützliche Polymere geschaffen werden, die sich in der Zelle ansammeln.

PHB kostengünstig herstellen

Auf diese Weise könnte etwa das biologisch abbaubare Biopolymer Polyhydroxybutyrat (PHB) kostengünstig produziert werden, das zur Herstellung biologisch abbaubaren Kunststoffs benötigt wird. Darüberhinaus könnte es auch zur Kontrolle der Genexpression in weniger erforschten Bakterien eingesetzt werden. Doch nicht nur die Kunststoffproduktion würde von dem neuen ACIT-System profitieren. Eine kontrollierte Genexpression wäre den Forschenden zufolge für zahlreiche biotechnologische Anwendungen, aber auch für die Untersuchung der Genregulation und -funktion in Bakterien geeignet. Das ACIT-Systen wurde mittlerweile zum Patent angemeldet.

Microorganisms such as bacteria, yeasts or molds are masters of material conversion and have always been an important tool in biotechnology. With their help, materials can be produced that are naturally biobased and biodegradable - bioplastics, for example. But not all bacteria of interest to biotechnology work as desired, because they are difficult to "tame." Researchers at the Institute of Microbiology and Molecular Biology at Justus Liebig University Giessen (JLU) have now found a way to achieve this by controlling their gene expression.

Controlled gene expression

Gene expression involves controlling the re-synthesis of those proteins that perform specific tasks in the cell. "Some of the known systems for controlling gene expression can be used in model organisms such as E. coli after years of fine-tuning, but do not work well in many wild-type organisms of biotechnological interest. Typical problems include weak or uncontrolled expression," explains Matthew McIntosh of JLU.

More storage for useful polymers

The system developed by McIntosh may solve these problems. According to the researchers, the new system, called ACIT (Alphaproteobacteria chromosomally integrating transcription-control cassette), is able to rapidly adapt gene control mechanisms to specific bacteria and growth conditions. As the team writes in the journal ACS Synthetic Biology, this can extend a bacterial cell hundreds of times, creating more storage space for useful polymers that accumulate in the cell.

Produce PHB at low cost

In this way, for example, the biodegradable biopolymer polyhydroxybutyrate (PHB), which is needed for the production of biodegradable plastics, could be produced at low cost. In addition, it could also be used to control gene expression in less studied bacteria. But it's not just plastics production that would benefit from the new ACIT system. According to the researchers, controlled gene expression is suitable for numerous biotechnological applications as well as for studying gene regulation and function in bacteria. A patent application for the ACIT system has now been filed.

Hitze, Trockenheit oder Starkregen stellen den Weinbau auch hierzulande zunehmend vor große Herausforderungen. Hinzu kommt, dass der Klimawandel verschiedene Pilzkrankheiten begünstigt. Dazu gehört der Falsche Mehltau, der immer wieder zu Ertragsausfällen führt. Die einzige Möglichkeit, die Pilzkrankheit einzudämmen, ist neben einer aufwändigen visuellen Kontrolle der frühzeitige Einsatz von Fungiziden. Dazu nutzen Winzerinnen und Winzer zunehmend Prognosesysteme wie VitiMeteo, die auf Klimadaten lokaler Wetterstationen zugreifen und den Verlauf von Pilzkrankheiten vorhersagen.

Mikroklima im Rebstock beeinflusst Pilzinfektion

Doch das von der App angezeigte Risiko einer Pilzinfektion ist in Wirklichkeit viel geringer, weil sich das Mikroklima im Weinlaub deutlich von der angezeigten Umgebungstemperatur unterscheidet. Zu diesem Ergebnis kamen Forschende des Verbundprojekts FungiSens unter der Leitung der Universität Hohenheim. Die Messungen zeigten, dass die Verteilung und die Dichte der Blätter eine wichtige Rolle für das Mikroklima spielen. So wurden im Inneren der Laubwand tagsüber höhere Temperaturen und eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit gemessen als an der Wetterstation. Solche Bedingungen können die Lebensdauer der Ausbreitungsformen des Pilzes deutlich verkürzen, so die Forschenden.

„Entscheidend für eine Infektion sind die klimatischen Bedingungen im Weinberg bzw. rund um den einzelnen Rebstock und innerhalb der Laubwand“, erklärt Christian Zörb, Leiter des Fachgebiets Qualität pflanzlicher Erzeugnisse an der Universität Hohenheim. Denn für die Vermehrung und Ausbreitung des Erregers sei Wasser auf der Blattunterseite erforderlich. Prognosemodelle greifen jedoch auf meteorologische Daten zurück, die nur in relativ großen räumlichen Abständen erfasst werden. „Zwischen den einzelnen Wetterstationen können schon mal 30 oder 40 Kilometer liegen“, erläutert der Leiter des Verbundprojektes Joachim Müller. Das Mikroklima kann daher von den Wetterstationen nicht erfasst werden. Doch gerade in steilen Weinbergen in der Nähe von Gewässern könne die Temperatur von oben nach unten extrem schwanken, ergänzt Verbundprojekt-Koordinator Steffen Schock.

Drahtlose Mikrosensoren liefern Echtzeitdaten

Abhilfe soll das im Projekt entwickelte Sensorsystem schaffen, das eine feinmaschige Messung des Mikroklimas im Rebstock ermöglicht. Dazu werden drahtlose Mikrosensoren direkt in den Rebstöcken installiert. Sie erfassen das Mikroklima und leiten die Daten in Echtzeit an das Prognosesystem VitiMeteo weiter. „So können besonders in Lagen mit extremen Geländeunterschieden, wie beispielsweise an der Neckarschleife bei Besigheim, auch kleinräumige Unterschiede präziser erfasst und abgebildet werden“, erklärt Schock.

Bessere Vorhersage durch bildgebende Verfahren

Mithilfe bildgebender Verfahren kann den Forschenden zufolge auch die Vorhersage von Pilzerkrankungen verbessert werden. Krankheitsbedingte Veränderungen im Stoffwechsel des Pflanzengewebes wurde anhand der Infrarot-Aufnahmen einer Drohne durch die Temperaturunterschiede auf der Blattoberfläche sichtbar. „Tatsächlich konnten wir einen deutlichen Temperaturanstieg im Blätterdach feststellen, lange bevor sichtbare Symptome auftraten“, so Shamaila Zia-Khan, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachgebiet Agrartechnik in den Tropen und Subtropen.

Durch kleinräumige Messungen Fungizide einsparen

Noch ist die Entwicklung des Sensorsystems nicht abgeschlossen. Doch die Forschenden sind überzeugt, dass sich in Kombination mit bildgebenden Verfahren nicht nur die Prognose von Pilzkrankheiten im Weinbau verbessern, sondern auch der Einsatz von Fungiziden reduzieren lässt. „Sobald die kleinräumige Vorhersage von Krankheiten standardmäßig möglich ist, könnten Pflanzenschutzmittel, Maschinen und Arbeitszeit deutlich reduziert werden – ohne die Wirksamkeit zu beeinträchtigen“, sagt Joachim Müller, Leiter des Verbundprojekts.

Das Weltall als Reiseziel boomt – nicht nur die großen Raumfahrtorganisationen der Welt planen Missionen zu Mond, Mars und Co., sondern auch die Privatwirtschaft erschließt sich den Weltraum immer mehr als Wirtschaftszone der Zukunft. Gleichzeitig ist der Weltraum eine extreme und lebensfeindliche Umgebung, in der riesige Entfernungen zurückgelegt werden müssen. Wie können biologisches Wissen und biobasierte Innovationen helfen, den Weltraum zu erkunden und zu erschließen? Wo und wie können Bioökonomie und Weltraumforschung voneinander lernen? Und wie helfen Satelliten und andere Innovationen der Weltraumforschung, die Bioökonomie auf der Erde weiterzuentwickeln?

Um diese Fragen ging es beim Dialog an Deck auf der MS Wissenschaft, die am Stresemannufer des Rheins in Mainz festgemacht hatte. Die Veranstaltung „Bioökonomie im All und auf der Erde“ hatte 50 Interessierte auf das Deck des Ausstellungsschiffes angelockt. Das Abend-Event am 15. August war eine Kooperation der vom BMBF initiierten Informationsplattform bioökonomie.de und Wissenschaft im Dialog. Moderiert wurde der Abend von Katharina Linnepe.

Lebensspuren auf Venus, Mars und Titan?

In Impulsvorträgen beleuchteten drei Fachleute unterschiedliche Facetten von Bioökonomie im All und auf der Erde. Dirk Schulze-Makuch vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik an der Technischen Universität Berlin sprach über die Suche nach Leben und nahm das Publikum mit auf eine astrobiologische Reise durch das Universum. Auf der Venus sei heute kein Leben möglich – aber vor vier Milliarden Jahren könnte das anders ausgesehen haben. Indizien weisen darauf hin, dass zu dieser Zeit ein warmer Ozean auf der Venus existiert haben könnte. In der Atmosphäre unseres unwirtlichen Nachbarplaneten könnte tatsächlich auch heute noch mikrobielles Leben existieren. Missionen, die Aufklärung bringen sollen, sind bereits in Vorbereitung.

Schulze-Makuch sprach auch über Wasser und Leben auf dem Mars. Der Fund von Methan-Gas in der Marsatmosphäre deute darauf hin, dass das Gas von Mikroben produziert wurde. Der Forscher sprach auch über den Saturnmond Titan und über das Leben auf Exoplaneten. Er vertritt die Ansicht, dass sich auf vielen Planeten im Universum Leben entwickelt haben könnte. Dennoch mahnt er an, dass keiner davon so gute Bedingungen für uns bieten kann wie die Erde.

„Im Jahr 1923 wurde in Leuna die erste kommerzielle Methanol-Anlage der Welt errichtet. Wir schreiben diese Erfolgsgeschichte nun fort, indem wir genau 100 Jahre später am gleichen Ort den Herstellungsprozess von Methanol komplett neu erfinden.“ So beschreibt Christoph Zehe vom Climate-Tech-Start-up C1 das jetzt gestartete Projekt Leuna100. In ihm wollen die Beteiligten einen industrietauglichen Prozess entwickeln, um grünes Methanol herzustellen. Das Bundesverkehrsministerium fördert das Vorhaben mit 10,4 Mio. Euro über drei Jahre.

Grünes Methanol für die Schifffahrt

Als grün gilt Methanol, wenn es aus biogenen Rohstoffen oder CO₂ erzeugt wird. Für die Verkehrswende dürfte es besonders in der Schifffahrt relevant werden: Anders als im Straßenverkehr gehen Fachleute davon aus, dass kraftstoffgetriebene Verbrennermotoren hier oftmals schwierig zu ersetzen sind. Und der Blick auf die Entwicklungen im Schiffbau zeigt, dass bislang Methanol als nachhaltiger Energieträger favorisiert wird. Die ersten Schiffe dieser Bauweisen haben bereits die Werften verlassen.

Allerdings wird Methanol bislang vor allem aus den fossilen Rohstoffen Erdgas oder Kohle erzeugt. Die rund 1,1 Mrd. Tonnen CO₂, die die Schifffahrt jährlich verursacht, wären so nicht zu ersetzen. Anders sähe es aus, wenn grünes Methanol zum Einsatz käme. Die Forschung hat dazu bereits zahlreiche Einzeltechnologien entwickelt.

Weltweit einmaliges Katalyseverfahren

Im Projekt Leuna100 sollen diese Einzelschritte nun zu einen effizienten und abgestimmten Prozess weiterentwickelt werden, und das in industriellem Maßstab. Beteiligt sind an diesem Vorhaben das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, die DBI-Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg, die Technische Universität Berlin und das projektleitende Start-up C1. C1 hat ein spezielles Katalyseverfahren mit einem hocheffizienten Katalysator entwickelt, mit dem sich grünes Methanol besonders wirtschaftlich herstellen lässt. Es ist das weltweit erste Verfahren dafür, dass dreidimensional in flüssiger Phase abläuft.

„Es gibt gerade ein sehr großes Momentum im Bereich der regenerativen Kraftstoffe, mit vielen einzelnen Innovationen“, berichtet Michael Seirig vom IWES. Was aber fehle, sei deren Verknüpfung, um wirklich einen großtechnischen Markthochlauf zu ermöglichen. „Viele verschiedene Schritte in der Erzeugung von regenerativen Kraftstoffen lassen sich elektrifizieren und so auf erneuerbare Energien umstellen. Praktisch erfordert die Defossilisierung der Produktion jedoch nicht nur die Befähigung einzelner Teilschritte, sondern die Kopplung und den lastdienlichen Betrieb als Ganzes.“ Das soll nun im Chemiepark Leuna gelingen.

Alternativen noch nicht bereit für die Großproduktion

Und wie steht es um andere biogene Kraftstoffe? „Regenerative Kraftstoffe auf Basis von grünem Wasserstoff und CO₂ bieten eine Alternative, sind aber noch nicht bereit für den Markthochlauf“, ordnet Kai Puring vom UMSICHT ein. „Genau hier setzen wir mit dem Projekt ‚Leuna100‘ an, indem wir von CO₂ bis Methanol die komplette Prozesskette innovieren und so das günstigste Verfahren zur Herstellung von grünem Methanol etablieren.”

"In 1923, the world's first commercial methanol plant was built in Leuna. We now build on this success story by completely reinventing the process of methanol production at the same site exactly 100 years later." This is how Christoph Zehe from the climate tech start-up C1 describes the Leuna100 project that has just been launched, in which those involved want to develop a process for producing green methanol that is suitable for industrial use. The German Federal Ministry of Transport is funding the project with 10.4 million euros over three years.

Green methanol for the shipping industry

Methanol is considered green if it is produced from biogenic raw materials or CO2. It is likely to be particularly relevant for the traffic turnaround in shipping: Unlike in road transport, experts assume that fuel-powered internal combustion engines are often difficult to replace here. Indeed, a look at developments in shipbuilding shows that methanol has so far been favored as a sustainable energy source. The first ships of this design have already left the shipyards.

However, up to now, methanol has mainly been produced from fossil raw materials, natural gas or coal. This cannot replace the approximately 1.1 billion tons of CO2 that shipping causes every year. The situation would be different if green methanol were used. Research has already developed numerous individual technologies for this purpose.

A worldwide unique catalytic process

In the Leuna100 project, these individual steps are now to be developed into an efficient and coordinated process on an industrial scale. The Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems IWES, the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT, the DBI-Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg, the Technical University of Berlin and the project-leading start-up C1 are involved. C1 has developed a special catalytic process with a highly efficient catalyst that can be used to produce green methanol particularly economically. It is the world's first process that takes place three-dimensionally in the liquid phase.

"There is currently a great deal of momentum in the field of renewable fuels, with many individual innovations," reports Michael Seirig from IWES. However, they all need to be linked in order to really enable a large-scale market ramp-up. "Many different steps in the production of regenerative fuels can be electrified and thus converted to renewable energies. In practice, however, the defossilization of production not only requires the enabling of individual sub-steps, but the coupling and load-bearing operation as a whole.” This should now succeed in the Leuna Chemical Park.

Alternatives not yet ready for large-scale production

What about other biogenic fuels? "Regenerative fuels based on green hydrogen and CO2 offer an alternative, but are not yet ready for the market ramp-up," says Kai Puring from UMSICHT. "This is exactly where the 'Leuna100' project comes in, in which we innovate the entire process chain from CO2 to methanol and thus establish the cheapest process for the production of green methanol."

Schimmelpilze sind nicht nur ein Gesundheitsrisiko. Sind sind auch wichtige mikrobielle Zellfabriken der Biotechnologie. Der erste Prozess dieser Art war vor mehr als 100 Jahren die Fermentation von Zitronensäure. In der Gegenwart sind zahlreiche weitere Säuren, Enzyme und pharmazeutisch wirksame Moleküle hinzugekommen. Wie produktiv diese Herstellungsprozesse sind, hängt auch von der räumlichen Struktur der Pilzgeflechte im Bioreaktor ab. Einem deutschen Forschungsteam ist es nun gelungen, diese Strukturen zu analysieren.

Problem: Zu viele Zellen für repräsentative Aussage

Wollen Forschende die vollständige 3D-Struktur eines Schimmelpilzes detailliert abbilden, gibt es nur eine ideale Methode, die Mikro-Computertomografie. Zwar verfügen zahlreiche Labore über die notwendigen Geräte. Doch was Aussagen über eine einzelne Pilzzelle erlaubt, verrät wenig über den Zustand einer großen Pilzkultur in einem Bioreaktor. Bislang war es schlicht unmöglich, hinreichend viele Einzelzellen zu untersuchen, um eine repräsentative Aussage über die räumlichen Strukturen der Gesamtkultur zu tätigen. Ein Team von Fachleuten der TU München, der TU Berlin und des Helmholtz-Zentrums Hereon hat diese Herausforderung nun bewältigt. Möglich machte das die Zusammenarbeit mit einer weiteren Forschungseinrichtung der Helmholtz-Gemeinschaft, dem DESY.

Molds are not only a health risk. They are also important microbial cell factories in biotechnology. The first process of this kind was the fermentation of citric acid more than 100 years ago. In the present, numerous other acids, enzymes and pharmaceutically active molecules have been added. How productive these manufacturing processes are also depends on the spatial structure of the fungal tangles in the bioreactor. A German research team has now succeeded in analyzing these structures.

Problem: Too few cells for representative statement

If researchers want to map the complete 3D structure of a mold in detail, there is only one ideal method: micro-computed tomography. Although numerous laboratories have the necessary equipment, what allows statements about a single fungal cell says little about the condition of a large fungal culture in a bioreactor. Until now, it has simply been impossible to examine a sufficient number of individual cells to make a representative statement about the spatial structures of the entire culture. A team of experts from the Technical University of Munich, the Technical University of Berlin and the Helmholtz Center Hereon has now mastered this challenge. This was made possible by collaboration with another research institution of the Helmholtz Association, DESY.

Digitale Technologie wie erdnahe Satelliten, Flugdrohnen oder Feldroboter liefern schon heute kontinuierlich hochaufgelöste Bilder. Die Menge an Daten, die dabei entsteht, ist jedoch viel zu groß, als dass sie manuell ausgewertet werden kann. KI-Systeme hingegen können diese Datenmengen mit Leichtigkeit bewältigen. Die Entscheidungen, die KI-Modelle treffen, sind jedoch kaum nachvollziehbar. Marina Höhne, KI-Expertin und Professorin für digitale Bioökonomie, will das ändern. Sie ist überzeugt, dass eine bessere Transparenz von KI-Systemen nicht nur das Vertrauen in die Methoden des maschinellen Lernerns verbessern würde, sondern auch den Einsatz solcher Systeme in Landwirtschaft und Bioökonomie fördern und damit zu einer nachhaltigeren Nutzung von Ressourcen beitragen kann.

Nicht nur Menschen, auch Tiere hinterlassen genetische Fingerabdrücke. Diese sogenannte eDNA (environmentalDNA) findet sich überall in der Umwelt – auf Pflanzen, im Wasser, im Boden und sogar in der Luft. Angesichts des weltweiten Verlusts der Artenvielfalt sind Forscherinnen und Forscher dabei, die Biodiversität zu erfassen, um Veränderungen zu erkennen und frühzeitig Schutzmaßnahmen ergreifen zu können. Im tropischen Regenwald, wo der Artenrückgang besonders dramatisch ist, haben sie die Biodiversität gemessen. Mit einer einfachen Methode gelang es einem internationalen Forscherteam unter Leitung des Helmholtz-Instituts für One Health (HIOH) in Greifswald, die enorme Vielfalt der Regenwaldbewohner im Kibale-Nationalpark in Uganda zu erfassen.

Mit Wattestäbchen Tier-DNA von Blättern sammeln

Ausgerüstet mit 24 Wattestäbchen durchstreiften die Forscher um Christina Lynggaard und Jan Gogarten den dicht bewaldeten Nationalpark und sammelten durch einfaches Abtupfen der Blätter die darauf hinterlassene DNA der Tiere. „Ehrlich gesagt haben wir keine großartigen Ergebnisse erwartet“, sagt Christina Lynggaard. „Der Regenwald ist heiß und feucht, und unter diesen Bedingungen wird DNA schnell abgebaut.“

50 Arten von Säugetieren und Vögeln erfasst

Umso überraschter waren die Forscherinnen und Forscher über das Ergebnis der anschließenden DNA-Sequenzierung. „Wir fanden DNA von einer überwältigenden Vielfalt an Tieren in diesen 24 Wattestäbchen – über 50 Arten von Säugetieren und Vögeln sowie einen Frosch. Und das alles nach nur 72 Minuten Blätter-Tupfen“, sagte Jan Gogarten.

Wie das Team in der Fachzeitschrift Current Biology berichtet, enthielt jedes der 24 Stäbchen die DNA von durchschnittlich acht Tierarten. Darunter waren genetische Spuren von sehr großen und bedrohten Arten wie dem Afrikanischen Elefanten, aber auch die DNA von sehr kleinen Vogelarten wie dem Sonnenvogel. Auch der Hammerkopf, ein Flughund mit einer Flügelspannweite von bis zu einem Meter, Affen wie die seltene Östliche Vollbartmeerkatze und der gefährdete Uganda-Stummelaffe sowie Nagetiere wie das Ölpalmenhörnchen wurden nachgewiesen. Spuren großer Vögel wie der Riesenturako und der vom Aussterben bedrohte Graupapagei wurden auf den Blättern ebenfalls gefunden.

Biodiversitätsverluste erfassen

„Die Vielzahl der nachgewiesenen Tierarten und die hohe Nachweisquote pro Wattestäbchen zeigen, dass tierische DNA problemlos von Blättern abgetupft und anschließend analysiert werden kann“, so Gogarten. Der Forscher ist überzeugt, dass die Wattestäbchen-Methode „in größerem Maßstab als Informationsgrundlage dienen kann, um Biodiversität sowie ihre Verluste zu erfassen und daraus Strategien für das Wildtiermanagement abzuleiten.“

Potenzial für umfassendes Tier-Monitoring

Vor allem für sogenannte Bürgerwissenschaftsprogramme hätte die einfache Methode Lynggaard zufolge Potenzial. „Während der COVID-19-Pandemie waren Corona-Tests mit automatisierter Extraktion von Nukleinsäuren aus Millionen von Abstrichen pro Tag an der Tagesordnung, und die dafür erforderlichen Analysegeräte wurden in alle Winkel der Erde verteilt. Was wäre, wenn diese Instrumente umfunktioniert werden könnten, um mit Wattestäbchen ein umfassendes Tier-Monitoring im großen Maßstab durchzuführen?“

Ein solches Monitoring würde den Forschenden zufolge dazu beitragen, das Ausmaß der Veränderung in Ökosystemen besser zu verstehen und die Entwicklung wirksamer Managementstrategien zu unterstützen. Auch die Risiken der Übertragung von Krankheiten von Tieren auf den Menschen könnten besser eingeschätzt werden, so die Studie.

Die EU-Kommission möchte die Gentechnik-Gesetzgebung reformieren und die Auflagen für den Umgang mit genom-editierten Nutzpflanzen lockern. Die Initiative der EU-Kommission ist eine Antwort auf ein Urteil des Europäischen Gerichtshofes aus dem Jahr 2018. Der EuGH hatte entschieden, dass Pflanzen, die etwa mithilfe der Genschere CRISPR–Cas erzeugt wurden, unter die strengen Auflagen des Gentechnik-Rechts fallen. Vor allem Forschende hatten seither immer wieder die Entscheidung des EuGH kritisiert und auf die Vorteile und die Sicherheit molekularer Züchtungstechniken hingewiesen.

Am 5. Juli dieses Jahres wurde der Regulierungsentwurf der EU-Kommission offiziell vorgestellt. Dieser sieht die Deregulierung von Pflanzen vor, die mit Neuen Züchtungstechniken – den sogenannten new genomic techniques (NGT) – hergestellt wurden. Der Regulierungsvorschlag nimmt NGT-Pflanzensorten aus der bestehenden strengen Zulassung für gentechnisch veränderte Pflanzen heraus, sofern diese keine artfremden Erbanlagen enthalten und zudem als substanziell gleichwertig mit konventionell gezüchteten Pflanzen eingestuft werden können. Über den Vorschlag müssen das EU-Parlament und der Ministerrat noch abstimmen.

BMBF setzt sich für wissenschaftsbasierte Regulierung ein

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) begrüßt in einer aktuellen Terminankündigung ausdrücklich, dass „die EU-Kommission den Rechtsrahmen für Neue Züchtungstechniken ins 21. Jahrhundert holen will“. Die derzeit in der EU geltende Rechtslage sei völlig aus der Zeit gefallen und entspreche längst nicht mehr dem aktuellen Stand der Wissenschaft.

„Das Bundesministerium für Bildung und Forschung setzt sich für eine innovationsfreundliche, wissenschaftsbasierte und risikoangepasste Regulierung ein“, heißt es in der Mitteilung. „Die Neuen Züchtungstechniken sind eine riesige Chance, Pflanzen effizient, zielgerichtet und sicher zu züchten. Wir können Nutzpflanzen damit klima- oder trockenheitsresistenter machen, den Einsatz von Pestiziden verringern und Deutschland einen Spitzenplatz in der grünen Biotechnologie sichern.“

In einem Chancen-Talk mit Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger sowie zwei Fachleuten aus der Pflanzenzüchtungsforschung will das BMBF mit Interessierten die Chancen und Herausforderungen der Neuen Züchtungstechniken diskutieren. Alle Infos hierzu gibt es in dem folgenden Infokasten.

Ein Hochlastfermenter als Ergänzung zum etablierten Rührkesselfermenter könnte Biogasanlagen wirtschaftlicher machen. Zu diesem Ergebnis kommt das Projekt Bio-Smart der Fachhochschule Münster und der Firma PlanET Biogastechnik. Denn der hohe Wassergehalt von Reststoffen wie Gülle erfordert in herkömmlichen Anlagen nicht nur große Fermentationsbehälter, sondern auch viel Heizenergie.

Datenbank zu 570 geeigneten Substraten und deren Biogaserträgen

Ein Hochlastfermenter hingegen hält die für die Vergärung erforderlichen Mikroorganismen zurück und reichert sie an. Das ermöglicht höhere Durchsätze und kürzere Verweilzeiten und damit kleinere Behälter. Dadurch sinken Betriebs- und Investitionskosten. Als Rohstoffe eignen sich besonders Schweine- und Rindergülle sowie Zuckerrübensaft, aber auch Glycerin, das bei der Biodieselherstellung anfällt, und stärkehaltiges Abwasser.

Im halbtechnischen Maßstab haben die Projektbeteiligten Versuche mit unterschiedlichen erfolgversprechenden Substrat-Reaktor-Kombinationen durchgeführt. Die Flüssigphase der Substrate wurde dabei im Hochlastfermenter behandelt, die Feststoffphase im Rührkesselfermenter. Herausgekommen ist zum einen eine Datenbank mit mehr als 570 grundsätzlich geeigneten Substraten und deren Biogaserträge. Zum anderen konnten die Forschenden die beste Konstellation ermitteln. Der günstigste Reaktortyp ist demnach der EGSB-Reaktor (Expanded Granular Sludge Bed), der sich bereits in der biologischen Abwasserreinigung etabliert hat. Das beste Substrat ist ein Mix aus Schweine- und Rindergülle, der als hochkalorischer Reststoff zugegeben wurde.

Kurze Verweilzeiten, anpassbare Biogasproduktion

Abhängig vom Substrat liegen die optimalen Verweilzeiten im Hochlastfermenter bei vier bis zwölf Tagen. Allerdings konnten die Forschenden diese Zeit auf einen Tag reduzieren, ohne den Prozess zu stark einzuschränken. Ein weiterer Vorteil der Fermenter-Kombination liegt darin, dass sich die Gasproduktion an den Bedarf anpassen lässt, indem im Hochlastfermenter das leicht abbaubare Substrat zum geeigneten Zeitpunkt zugegeben wird.

Nicht zuletzt hat das Projektteam seine Erkenntnisse dazu verwendet, ein Programm zu entwickeln, das für bestehende Biogasanlagen errechnen kann, wie Kosten und Erlöse für unterschiedliche Verfahrenskonzepte aussehen würden. Mithilfe der Software können Betreiber zudem die Prozessparameter ökonomisch optimieren.

Demonstrationsprojekt im Bioenergiepark Saerbeck

Dass das Konzept tatsächlich aufgeht, hat PlanET Biogastechnik im Münsterland belegt: Dort installierte die Firma erfolgreich eine Versuchsanlage zur Hochlastvergärung in einer Bestandsbiogasanlage im Bioenergiepark Saerbeck. Das Vorhaben wurde vom Bundeslandwirtschaftsministerium gefördert.

A high-load fermenter as a supplement to the established stirred tank fermenter could make biogas plants more economical. This is the conclusion reached by the Bio-Smart project of Münster University of Applied Sciences and the company PlanET Biogastechnik. This is because the high water content of residual materials such as liquid manure not only requires large fermentation tanks in conventional plants, but also a lot of heating energy.

Database on 570 suitable substrates and their biogas yields

A high-load digester, on the other hand, retains and enriches the microorganisms required for digestion. This enables higher throughput rates, shorter retention times and thus smaller tanks, reducing operating and investment costs. The most suitable raw materials are pig and cattle manure and sugar beet juice, but also glycerine, which is a byproduct of biodiesel production, and wastewater containing starch.

On a semi-industrial scale, the project participants carried out trials with various promising substrate-reactor combinations. The liquid phase of the substrates was treated in the high-load fermenter, the solid phase in the stirred tank fermenter. The result is a database with more than 570 basically suitable substrates and their biogas yields. The researchers were also able to determine the best constellation. According to the results, the most favorable reactor type is the EGSB reactor (Expanded Granular Sludge Bed), which is already established in biological wastewater treatment. The best substrate is a mixture of pig and cattle slurry, which was added as a high-calorific residual material.

Short residence times, adaptable biogas production

Depending on the substrate, the optimum residence time in the high-load fermenter is four to twelve days. However, the researchers were able to reduce this time to one day without restricting the process too much. Another advantage of the fermenter combination is that gas production can be adapted to demand by adding the easily degradable substrate to the high-load fermenter at the appropriate time.

Last but not least, the project team used its findings to develop a program that can calculate for existing biogas plants what costs and revenues would look like for different process concepts. With the help of the software, operators can also optimize the process parameters economically.

Demonstration project at the Saerbeck Bioenergy Park

PlanET Biogastechnik in Münsterland, Germany, has proven that the concept actually works: There, the company successfully installed a test plant for high-load fermentation in an existing biogas plant at the Saerbeck Bioenergy Park. The project was funded by the German Federal Ministry of Agriculture.

Weltweit tüfteln Forschende und Unternehmen an Methoden, um das klimaschädliche Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu binden. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Pflanzenkohle in der Landwirtschaft. Sie besteht entweder aus Pflanzen- oder Holzresten, die im sogenannten Pyrolyseverfahren bei Temperaturen von mehr als 450 Grad unter Ausschluss von Sauerstoff verkohlt werden. Diese verkohlte Biomasse kann nicht nur Kohlenstoff dauerhaft speichern, sondern auch Nährstoffe und Wasser binden. Diese Eigenschaften macht Biokohle auch als Dünger und Bodenverbesserer für die Landwirtschaft interessant.

Bio- und Betonabfälle als Rohstoff nutzen

Im Projekt ROCKCHAR will ein Forscherteam um Maria-Elena Vorrath von der Universität Hamburg nun ein neues Verfahren zur Herstellung von Pflanzenkohle entwickeln und testen. Als Rohstoff für die Herstellung von Biokohle dienen hier biologische Abfälle sowie mineralische Nebenprodukte der Industrie wie Stahlschlacken oder Betonabfälle. Im Rahmen des Projekts wollen die Forschenden nicht nur den positiven Effekt für den Boden nachweisen, sondern auch, dass die Biokohle gleichzeitig CO₂ aus der Atmosphäre aufnimmt.

Mineralische Abfälle verbessern CO₂-Speicherung

„Zum einen wird das Kohlendioxid durch die Pflanzenreste direkt in der Pflanzenkohle gespeichert, aber darüber hinaus lösen sich die Gesteinsbestandteile im Wasser des Bodens auf. Dabei wird ebenfalls CO₂ aus dem Boden umgewandelt und über Jahrtausende gebunden“, erklärt Maria-Elena Vorrath, die in der Arbeitsgruppe „Aquatische Geochemie“ forscht und Mitglied im Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit der Universität Hamburg ist.

Potenzial für maximale Kreislaufwirtschaft

Der Einsatz von Biokohle zur Ertragssteigerung in der Landwirtschaft hat gleich mehrere Vorteile: Zum einen stehen Pflanzenabfälle meist in großen Mengen kostenlos zur Verfügung. Zum anderen wird bei der Herstellung von Biokohle die Hälfte des klimaschädlichen CO₂ in der Biomasse gespeichert und somit nicht an die Umwelt abgegeben. Die Landwirtschaft könnte so große Mengen des klimaschädlichen CO₂ einsparen. Gleichzeitig entsteht bei der Biokohleproduktion viel Energie in Form von Abwärme und Gas, die wiederum zur Stromerzeugung genutzt werden kann. „So kann eine maximale Kreislaufwirtschaft etabliert werden“, so Vorrath.

Das Projekt ROCKCHAR wird in den kommenden zwei Jahren von der Klaus Tschira Stiftung mit 80.000 Euro gefördert. Beteiligt sind neben der Universität Hamburg die Technische Universität Hamburg, die Universität Wageningen (Niederlande) sowie die Hamburger Unternehmen Novocarbo, thyssenkrupp, Sibelco und Silicate.

Die EU-Kommission möchte die Gentechnik-Gesetzgebung reformieren und die Auflagen für den Umgang mit genom-editierten Nutzpflanzen lockern. Pflanzen, die mittels Neuer Züchtungstechniken wie der Genschere CRISPR–Cas erzeugt wurden, sollen nach einem kürzlich vorgelegten Gesetzentwurf der EU-Kommission nicht mehr länger unter die strengen Auflagen des Gentechnik-Rechts fallen.

„Für mich ist es einer der wichtigsten Gesetzesvorschläge des Jahres 2023“, so Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger, „denn die derzeitige Rechtslage in der EU ist an so vielen Stellen überholt“. Die Neuen Züchtungstechniken (NZT) seien mit großen Chancen und Potenzialen verbunden, seien aber auch Technologien, die auf Ablehnung stießen.

Um das Thema einem Erkenntnis-Check zu unterziehen, habe man das Thema Neue Züchtungstechniken in den Mittelpunkt der zweiten Ausgabe des Formats Chancen-Talk gerückt, so Stark-Watzinger. Am 25. August hatte sie zwei Fachleute ins Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eingeladen, um mit ihnen über Chancen und Herausforderungen der molekularen Züchtungstechniken zu diskutieren. An dem via Livestream übertragenen Talk konnte sich das Online-Publikum mit Fragen beteiligen.

Spitzenplatz in der grünen Biotechnologie sichern

In ihrer Anmoderation wies die Bundesministerin auf das Besondere der Neuen Züchtungstechniken hin: NZT erlaubten gezielte und präzise Veränderungen im Pflanzenerbgut. „Die Genschere: Für die Wissenschaft ist sie eine Revolution, weil sie das, was die Natur über Jahrzehnte oder über Jahrhunderte auf natürlichem Wege schafft, oder der Mensch mit klassischen Züchtungen mit viel Aufwand, nun viel schneller im Labor nachbilden kann – viel kostengünstiger und so exakt wie nie zuvor", so Stark-Watzinger.

NZT bieten riesige Chancen: Nutzpflanzen können gegen Schäden durch Hitze, Dürre oder Pathogenbefall resistent gemacht werden. Sie tragen so dazu bei, den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren, schützen die Biodiversität und unterstützen die nachhaltige Landwirtschaft. „Das ist angesichts vieler Fragen wichtig, etwa wie wir die steigende Weltbevölkerung ernähren wollen und wie wir mit den Auswirkungen des Klimawandels zurechtkommen. Und nicht zuletzt sichern sie dem Forschungsstandort Deutschland einen Spitzenplatz in der grünen Biotechnologie.“

Als Teil der Fördermaßnahme „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Nachwuchsgruppen, die das biobasierte Wirtschaften aus sozial- , politik- und wirtschaftswissenschaftlicher Sicht erforschen. Es geht darum, den Wandel zu einer Bioökonomie in all seinen Facetten möglichst umfassend zu verstehen, seine Effekte zu analysieren und zu bewerten sowie Konsequenzen und Handlungsoptionen aufzuzeigen. Zu den 2023 gestarteten Nachwuchsgruppen zählt das Team von Sebastian Losacker an der Universität Gießen. Es untersucht im Projekt TRABBI den Transformationsprozess zu mehr Nachhaltigkeit im Bausektor. Das Vorhaben wird in den kommenden fünf Jahren vom BMBF mit 2,3 Mio. Euro gefördert.