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Tierwohl und Klimaschutz spielen beim Kauf von Lebensmitteln eine zunehmend größere Rolle. Allein der Umsatz an pflanzlichen Fleisch- und Käsealternativen steigt seit Jahren. Proteine aus Erbse, Ackerbohne oder Weizen sind jedoch nur eine Alternative, um tierische Proteine in Lebensmitteln zu ersetzen. Neue gesunde und nachhaltige Kost kann auch mithilfe von Mikroorganismen maßgeschneidert werden und damit zur Ernährungssicherung beitragen. Das Food-Tech-Start-up Formo, das auf die Herstellung tierischer Milchproteine spezialisiert ist, will nun die Eiproduktion mittels Präzisionsfermentation ins Visier nehmen.

Schätzungsweise 60% der Hühner weltweit leben dem Unternehmen zufolge in Massentierhaltung. Im Vorfeld der Markteinführung hat das Berliner Start-up gemeinsam mit der Singapore Management University (SMU) im Rahmen einer Drei-Länder-Studie die Akzeptanz von Eiern hinterfragt, die nicht von Hühnern stammen, sondern deren Proteine biotechnologisch im Labor durch Mikroorganismen erzeugt werden. Rund 3.000 Verbraucherinnen und Verbraucher aus Deutschland, Singapur und den USA nahmen an der Umfrage teil.

Mehrheit offen für mikrobielle Eiprodukte

Wie das Team in der Fachzeitschrift Frontiers schreibt, sind bis zu 61% der Befragten bereit, Laboreier zu probieren. Besonders groß war demnach die Bereitschaft bei Verbraucherinnen und Verbrauchern, die bereits Bio-Eier und Eier auf pflanzlicher Basis konsumieren. Die Gründe für die Einführung solcher Produkte waren in den drei Ländern jedoch sehr verschieden. Während Teilnehmende in Deutschland den Tierschutz als Hauptgrund für ihr Interesse nannten, standen in Singapur und den USA vor allem gesundheitliche Aspekte und Neugierde im Vordergrund.

Lukrativer Markt

„Diese Studie zeigt, dass die Verbraucher bereit sind, die Mängel der industriellen Eierproduktion anzuerkennen und sich für Alternativen zu entscheiden", so Oscar Zollman Thomas, Forscher bei der Formo Bio GmbH und Hauptautor der Studie. Die Ergebnisse der Umfrage sind für Formo auch ein Zeichen, dass im Labor hergestellte Eiprodukte „wahrscheinlich einen recht lukrativen Markt finden werden“.

Erstes Eiprodukt aus dem Labor Ende 2023

„Unsere Entscheidung, in den Eiermarkt einzusteigen, spiegelt sowohl unsere Überzeugung von unserer Proteinproduktionsplattform als auch die Fähigkeit unserer Endprodukte wider, mit konventionellen Produkten konkurrieren zu können. Die Gesellschaften auf der ganzen Welt werden sich der Realität der industriellen Tierhaltung bewusst, und wir sind uns bewusst, dass wir in der Lage sind, dagegen anzugehen", sagt Raffael Wohlgensinger, CEO von Formo. Bereits Ende 2023 will das Food-Tech-Start-up sein „Vorzeige-Eiprodukt What Came Third“ auf den Markt bringen.

Nur drei Jahre nach der Gründung von traceless materials steht das Hamburger Bioökonomie-Start-up kurz vor der großtechnischen Umsetzung seiner Technologie. Erst im Mai dieses Jahres konnte das Team um die beiden Gründerinnen Johanna Baare und Anne Lamp eine Förderung des Bundesumweltministeriums in Höhe von 5 Mio. Euro für den Bau einer ersten Demonstrationsanlage einwerben. Weitere 36,6 Mio. Euro wurden nun in einer Serie-A-Finanzierungsrunde eingesammelt.

Umsetzbarkeit der Technologie beweisen

Mit dem Geld will traceless eine Demonstrationsanlage in Hamburg errichten und die Umsetzbarkeit seiner Biomaterial-Technologie im industriellen Maßstab nachweisen. „Durch die Skalierung unserer innovativen Technologie zeigen wir, dass eine klimafreundliche, zirkuläre, resiliente und regenerative Industrie möglich ist“, so Anne Lamp, CEO und Mitgründerin von traceless. „Dass sowohl unsere Investoren als auch die Banken unsere Mission voll unterstützen, war ein entscheidendes Kriterium für uns.“

Die Finanzierungsrunde wurde vom Private-Equity-Fonds UB Forest Industry Green Growth Fund ("UB FIGG") angeführt und von Blue Ocean Fund von SWEN Capital Partners ergänzt. Ebenfalls beteiligt waren ein lokales Bankenkonsortium sowie die drei bestehenden Investoren, der Green-Tech-Investor Planet A, der Seed-Investor High-Tech Gründerfonds (HTGF) und der Deep-Tech-Investor b.value.

Biomaterial aus Agrarreststoffen

Traceless nutzt zur Herstellung des Biomaterials natürliche Polymere aus pflanzlichen Reststoffen der industriellen Getreideverarbeitung. Die neuartige Plastikalternative gibt es in Form eines Granulats. Sie kann mit Standardtechnologien der Kunststoff- und Verpackungsindustrie weiterverarbeitet werden. Optisch gleicht das Biomaterial herkömmlichem Kunststoff, es ist aber komplett kompostierbar und kann damit im Biomüll entsorgt werden. Nach Angaben von traceless werden im Vergleich zu herkömmlichem Kunststoff in Produktion und Entsorgung 91 % der CO₂-Emissionen und 89 % des fossilen Energiebedarfs eingespart.

Technologie überzeugt wirtschaftlich und ökologisch

„Der Ansatz von traceless, weithin verfügbare landwirtschaftliche Nebenströme zu nutzen, um fossile Kunststoffe zu ersetzen, und die finanziellen Möglichkeiten, die ihre Lösung bietet, haben uns sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch überzeugt", sagt Sakari Saarela, Partner bei UB FIGG. „Wir freuen uns darauf, Anne, Johanna und das Team beim Scale-up dieser innovativen Technologie zu begleiten." „traceless ist eine überzeugende Alternative für Anwendungen, bei denen wiederverwendbare Lösungen nicht nachhaltig sind und ein technisches Recycling nicht möglich ist", ergänzt Olivier Raybaud, Managing Director von SWEN Capital Partners.

Die von traceless entwickelte Technologie zur Herstellung des neuartigen Biomaterials ist mittlerweile zum Patent angemeldet und wurde bereits mehrfach ausgezeichnet – zuletzt mit dem Deutschen Gründerpreis. Für die Weiterentwicklung der Technologie erhielt das 2020 gegründete Jungunternehmen bereits 2021 einen Zuschuss vom Europäischen Innovationsrat (EIC) in Höhe von 2,4 Mio. Euro.

Die Zahl der Hitzetage mit Lufttemperaturen von mindestens 30 Grad Celsius nimmt als Folge des Klimawandels auch in Deutschland seit Jahren zu. Dies belegen langjährige Aufzeichnungen des Deutschen Wetterdienstes. Über die Temperaturentwicklung im Boden gibt es dagegen kaum Daten, da die Messungen sehr aufwändig sind. In einem vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) koordinierten Projekt hat ein Forscherteam nun die Entwicklung der Bodentemperatur genauer untersucht. In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Climate Change erschienen ist, gibt das Team Antworten auf die Intensität und Häufigkeit von Hitzeextremen im Boden sowie deren Ursachen und Folgen.

Hitzeextreme im Boden intensiver als in der Luft

Im Rahmen des Projekts wurden Daten aus verschiedenen Quellen wie meteorologischen Messstationen, Fernerkundungssatelliten oder Simulationen von Erdsystemmodellen zusammengeführt. Daraus speisten die Forschenden zum einen einen Index, der Auskunft über die Intensität von Hitzeextremen gibt. Konkret wurde der Index für die 10 Zentimeter dicke oberste Bodenschicht und die oberflächennahe Luft bis zwei Meter Höhe für die Jahre 1996 bis 2021 berechnet. Das Ergebnis: An zwei Dritteln der insgesamt 118 ausgewerteten meteorologischen Messstationen waren die Bodentemperaturen höher als die Lufttemperaturen. „Das bedeutet, dass Hitzeextreme im Boden viel schneller auftreten als in der Luft“, erklärt die Erstautorin der Studie, Almudena García-García. Der Studie zufolge nimmt die Intensität von Hitzeextremen im Boden in Mitteleuropa um 0,7 Grad Celsius pro Jahrzehnt schneller zu als in der Luft. Dies gilt vor allem für Deutschland, Italien und Südfrankreich.

Häufigkeit der Hitzextreme im Boden steigt doppelt schnell

Bei der Berechnung des Index für die Häufigkeit von Hitzeextremen wurde der Anteil der Tage pro Monat berücksichtigt, an denen die Tageshöchsttemperatur zwischen 1996 und 2021 über dem statistischen Grenzwert lag. Auch hier zeigte sich, dass die Zahl der Tage mit Hitzeextremen am Boden doppelt so schnell zunimmt wie in der Luft. „Gibt es zum Beispiel monatlich 10 % heiße Tage im Boden und in der Luft, wird es ein Jahrzehnt später 15 % heiße Tage in der Luft und 20 % heiße Tage im Boden haben“, erläutert Almudena García-García.

Entscheidend dafür ist die Bodenfeuchte, die von der Bodenbedeckung abhängt. Im Gegensatz zu Wäldern, in denen Bäume mit ihren Wurzeln Wasser aus tieferen Bodenschichten ziehen und so die Verdunstungsverluste im Sommer reduzieren können, steht Acker- und Grünlandflächen nur Wasser aus dem oberflächennahen Boden zur Verfügung.

Steigende Bodentemperatur verstärkt Hitzeperioden in der Luft

Mit ihrer Studie zeigen die Forschenden, dass sich die Temperaturentwicklung im Boden stark von der in der Luft unterscheidet. Die schnellere Zunahme von Hitzeextremen im Boden kann wiederum zu einem Anstieg der Lufttemperatur führen, da zusätzliche Wärme an die untere Atmosphäre abgegeben wird. „Die Bodentemperatur wirkt als ein Faktor in der Rückkopplung zwischen Bodenfeuchte und Temperatur und kann so in bestimmten Regionen Hitzeperioden verstärken“, erklärt Jian Peng, Co-Autor und Leiter des UFZ-Departments Remote Sensing.

Auswirkungen von Hitze-Extremen neu bewerten

Dieser Rückkopplungseffekt – so die Befürchtung der Forschenden – könnte sowohl das Ökosystem Boden und damit die CO₂-Speicherung als auch den für die Landwirtschaft und die Nahrungsmittelproduktion notwendigen Wasserkreislauf im Boden beeinflussen. „Angesichts dieser Ergebnisse wären Studien über die Auswirkungen von Hitze-Extremen, die vor allem die Lufttemperaturen berücksichtigen, den Faktor der Hitze-Extreme im Boden aber unterschätzt haben, neu zu bewerten“, sagt Jian Peng. Extreme Bodentemperaturen würden aber auch Hitzeperioden in der Luft verstärken, warnen die Forschenden. In Mitteleuropa würde die Erwärmung dann deutlich über 1,5 Grad liegen.

The number of hot days with air temperatures of at least 30 degrees Celsius has been increasing in Germany for years as a result of climate change. This is documented by long-term records of the German Weather Service. In contrast, there is hardly any data on the temperature development in the ground, as the measurements are very complex. In a project coordinated by the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ), a team of researchers has now examined the development of ground temperature in more detail. In a study published in the journal Nature Climate Change, the team provides answers to the intensity and frequency of heat extremes in the ground as well as their causes and consequences.

Heat extremes in the ground more intense than in the air

As part of the project, data from various sources such as meteorological measuring stations, remote sensing satellites or simulations of earth system models were combined. From this, the researchers fed an index that provides information about the intensity of heat extremes. Specifically, the index was calculated for the 10-centimetre-thick top layer of soil and the air near the surface up to a height of two metres for the years 1996 to 2021. The result: at two-thirds of the 118 meteorological measuring stations evaluated, the ground temperatures were higher than the air temperatures. "This means that heat extremes occur much faster on the ground than in the air," explains the first author of the study, Almudena García-García. According to the study, the intensity of heat extremes in the soil in Central Europe is increasing 0.7 degrees Celsius per decade faster than in the air. This is especially true for Germany, Italy and southern France.

Frequency of heat extremes in the soil increases twice as fast

The calculation of the index for the frequency of heat extremes took into account the proportion of days per month on which the daily maximum temperature was above the statistical limit between 1996 and 2021. Again, this showed that the number of days with heat extremes increases twice as fast on the ground as in the air. "For example, if there are 10% hot days in the ground and in the air every month, a decade later there will be 15% hot days in the air and 20% hot days in the ground," Almudena García-García explains.

The decisive factor is soil moisture, which depends on the ground cover. In contrast to forests, where trees can draw water from deeper soil layers with their roots and thus reduce evaporation losses in summer, arable land and grassland only have water available from the soil near the surface.

Rising ground temperature intensifies hot spells in the air

With their study, the researchers show that the temperature development in the ground is very different from that in the air. The faster increase of heat extremes in the ground can in turn lead to an increase in air temperature, as additional heat is released into the lower atmosphere. "Soil temperature acts as a factor in the feedback between soil moisture and temperature and can thus intensify heat periods in certain regions," explains Jian Peng, co-author and head of the UFZ department for Remote Sensing.

Reassessing the impact of heat extremes

This feedback effect – so the researchers fear – could influence both the soil ecosystem and thus the CO2 storage as well as the water cycle in the soil necessary for agriculture and food production. "In view of these results, studies on the effects of heat extremes, which mainly consider air temperatures but have underestimated the factor of heat extremes in the ground, would have to be re-evaluated," says Jian Peng. Extreme ground temperatures, however, would also intensify periods of heat in the air, the researchers warn. In Central Europe, the warming would then be well over 1.5 degrees.

Hitze, Trockenheit, Frost oder Starkregen: Wetterextreme stellen die Landwirtschaft vor große Herausforderungen und erfordern die Züchtung klimaresistenter Pflanzen. Entscheidend dafür ist vor allem das Wissen über die molekularen Mechanismen einer Pflanze. Um realistische Ergebnisse zu erzielen, sind die Forschenden auf vergleichbare und reproduzierbare Anbaubedingungen wie im Freiland angewiesen. Die neue „PhänoSphäre“ am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben bietet die Möglichkeit, feldähnliche Umweltbedingungen reproduzierbar zu simulieren.

Neue Infrastruktur für Pflanzenforschung am IPK

„Mit der PhänoSphäre können wir der Pflanzenforschung eine neue Infrastruktur am IPK anbieten, in der nicht nur die Reaktionen der Pflanze auf verschiedene, variable Umweltbedingungen untersucht, sondern auch verschiedene Wetterszenarien für eine gesamte Saison durchgespielt werden können“, sagt Thomas Altmann, Leiter der Abteilung „Molekulare Genetik“ am IPK. Für die Pflanzenforschung bedeutet das: leistungsbezogene Pflanzenmerkmale sowie kausale biologische Mechanismen in den Beständen von Pflanzen können nun unter vorgegebenen Umweltbedingungen, die denen in Testparzellen bei Feldversuchen ähneln, analysiert werden. Auch künftige Klimaszenarien können simuliert werden.

Wachstum und Entwicklung der Maispflanze simuliert

Wie realistisch die Anbaubedingungen in der IPK-PhänoSphäre sind, zeigt eine erste Studie, die in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen ist. Hier hat ein Team um den IPK-Forscher Marc Heuermann an Maispflanzen eine einzelne Anbausaison in der Anlage nachgestellt. Die Daten zur Pflanzenentwicklung in der PhänoSphäre wurden mit denen eines mehrjährigen Feldversuches und eines Anbaus im Gewächshaus verglichen. Wie das Team berichtet, kam das Wachstumsverhalten in der PhänoSphäre „sehr nahe“ an die Entwicklung der Pflanzen auf dem Feld heran.

„Der Mais im Feldanbau und die Pflanzen im Experiment benötigten die gleiche Zeit, um die maximale Wachstumsgeschwindigkeit, die Reife der Blätter und den Austrieb zu erreichen“, sagt Heuermann, Erstautor der Studie. Die Übereinstimmung zwischen der Wettersimulation und der Außenumgebung in Bezug auf Temperatur, thermisch normalisierte Zeit und Wasserdampfdruckdifferenz sei jedoch am höchsten gewesen, wenn reale Tage als Vorlage für die einjährige Simulation verwendet wurden.

Bessere Ergebnisse als im Gewächshaus

Der Studie zufolge brachte die Simulation auch bessere, dem Feld viel ähnlichere Ergebnisse als der Anbau im Gewächshaus. „Die Möglichkeit, in der dynamischen, aber auch kontrollierten Umgebung ein feldähnliches Wachstum und eine feldähnliche Entwicklung auszulösen, ist ein sehr wesentlicher und wichtiger Fortschritt und geht weit über die bisherigen Verbesserungen beim Anbau in standardmäßig klimatisierten Gewächshäusern hinaus“, betont Altmann.

In der PhänoSphäre können Temperaturprofile stündlich sowie Lichtqualität und -menge im Minuten- bis Sekundenbereich sowie die Bodentemperatur reguliert, Windgeschwindigkeit und -richtung und atmosphärischer CO₂-Gehalt variiert sowie die Bewölkung mithilfe einer Lichtanlage simuliert werden. Die Bewässerung der Pflanzen erfolgt automatisch. Zudem können in den Anzuchtcontainern der Hightechkammer verschiedene Bodentypen und -zusammensetzungen verwendet werden.

Simulationsprogramme werden erweitert

Mit der PhänoSphäre wird den Forschenden zufolge die Lücke zwischen den bisher etablierten Systemen zur Phänotypisierung unter kontrollierten Umgebungsbedingungen und den Feldversuchen zur Phänotypisierung geschlossen. Altmann ist daher überzeugt, dass damit künftig „systembiologische Analysen“ zur Erforschung der molekularen Mechanismen, die der Ausprägung agronomisch relevanter Merkmale wie der Widerstandsfähigkeit gegenüber ungünstigen Umweltbedingungen zugrunde liegen, unterstützt werden können. „Zudem können Hypothesen überprüft werden, die aus bioinformatischen Untersuchungen wie Netzwerkanalysen oder Modellierungen abgeleitet wurden“, sagt Altmann. Als nächstes wollen die Forschenden die Simulationsprogramme so weiterentwickeln, dass diese auch für Untersuchungen zur Ertragsstabiltät und Widerstandsfähigkeit wichtiger Kulturpflanzen mit Hinblick auf den Klimawandel genutzt werden können.

Nicht nur in der Mode, auch bei der Inneneinrichtung gibt es einen Trend zur Massenware. Dabei lohnt es sich – der Umwelt zuliebe – auch bei Einrichtungsgegenständen auf nachhaltige Materialien und Herstellungsverfahren zu achten.

Unikate statt Überproduktion

Zwei Berliner Jungunternehmer entwickelten ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung biobasierter Lampenschirme und punkten damit gleich mehrfach in Sachen Nachhaltigkeit. Zum einen fällt beim 3D-Druck wenig Produktionsabfall an, zum anderen wird nur auf Bestellung produziert. Das spart Lagerfläche und vermeidet Überproduktion. Jeder Lampenschirm ist ein Unikat und der Kunde kann selbst mitbestimmen, welche Farbe und Form sein Produkt haben soll. Ein Faktor, der die Nutzungsdauer erhöhen könnte. Gefertigt werden die Lampenschirme in Berlin, lange Transportwege aus dem Ausland entfallen.

Kompostierbares Material

Statt erdölbasierter Kunststoffe entschieden sich die Unternehmer für den biobasierten Kunststoff PLA, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke hergestellt wird und unter bestimmten Bedingungen kompostierbar ist. Der Biokunststoff wird mit Mineralien gemischt, um natürliche Farbtöne zu erzielen.

Marktreife

Die Leuchten können im Online-Shop des Start-ups bestellt werden.

Tief im Meer schlummert offenbar eine weitere biologische Lösung für das globale Plastikmüllproblem: Forschende der Universitäten Kiel, Hamburg und Düsseldorf haben in einem Mikroorganismus aus der Tiefsee ein Enzym entdeckt, das den Kunststoff Polyethylenterephthalat, kurz PET, zersetzt. PET ist der Hauptbestandteil vieler Plastikflaschen.

Bedeutung der Tiefsee-Archaeen für PET-Abbau im Meer

„Wir haben in unserer Studie eine neue genetische Ressource aus Tiefseeorganismen aus dem Reich der Archaeen entdeckt“, berichtet Ruth Schmitz-Streit, Leiterin der Arbeitsgruppe Molekularbiologie der Mikroorganismen an der Universität Kiel. PET-abbauende Enzyme sind keine Rarität mehr: Mehr als 80 verschiedene Enzyme mit dieser Fähigkeit kennt die Forschung mittlerweile. Die meisten von ihnen stammen jedoch aus Bakterien und Pilzen und nicht wie das nun entdeckte aus einer Archaee.

„Unsere Daten tragen dazu bei, das Wissen über die ökologische Rolle der Tiefsee-Archaeen und die mögliche Zersetzung von PET-Abfällen im Meer zu erweitern“, ordnet die Mikrobiologin die Bedeutung der Entdeckung ein, über die das Team im Fachjournal "Communications Chemistry" berichtet.

Außergewöhnliche Struktur des reaktiven Zentrums

Identifiziert haben die Forschenden das Enzym nicht etwa, indem sie die Tiefsee-Mikrobe im Labor kultivierten – dieser Versuch scheitert oftmals, weil sich im Labor nicht die geeigneten Bedingungen herstellen lassen. Stattdessen hat das Team die gesamte DNA aller Organismen einer Wasserprobe aus der Tiefsee analysiert. Dabei suchten die Fachleute nach Ähnlichkeiten zu den Genen der bekannten PET-abbauenden Enzyme. Das passende Gen haben die Forschenden dann in das Modellbakterium Escherichia coli eingepflanzt und so das Enzym hergestellt.

Das Team untersuchte daraufhin das als PET46 bezeichnete Enzym genauer. Dabei stellte sich heraus, dass es sich strukturell stark von den bislang bekannten PET-abbauenden Enzymen unterscheidet. Speziell das reaktive Zentrum besitzt eine Art Deckel, durch den es besonders gut das Substrat binden kann. Das Enzym ist dadurch sowohl in der Lage, kurzkettige PET-Oligomere als auch langkettige PET-Polymere abzubauen.

Bedeutsam für Kompostierung und natürlichen Abbau von Plastikmüll

Das nun entdeckte Enzym ist damit dreifach von Bedeutung: Es ließe sich biotechnologisch nutzen, um PET-Kunststoffe zu recyceln oder industriell zu kompostieren: Anders als viele PET-abbauende Enzyme arbeitet PET46 effizient bei Temperaturen von 70 Grad Celsius. Außerdem dürfte das Enzym im Meer dafür sorgen, dass PET-Abfälle biologisch abgebaut werden. Und nicht zuletzt ähnelt PET dem Holzbestandteil Lignin ebenso wie das Enzym PET46 dem Lignin-abbauenden Enzym Ferulasäure-Esterase ähnelt. An Land könnte PET46 somit an der Kompostierung von Holz im Waldboden beteiligt sein.

Das Forschungsvorhaben war Teil des Projekts PASTISEA, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme BioProMare gefördert wurde.

Deep in the sea, there is apparently another biological solution to the global plastic waste problem: researchers from the universities of Kiel, Hamburg and Düsseldorf have discovered an enzyme in a microorganism from the deep sea that breaks down the plastic polyethylene terephthalate, or PET for short. PET is the main component of many plastic bottles.

Importance of deep-sea archaea for marine PET degradation

"In our study, we discovered a new genetic resource from deep-sea organisms from the realm of archaea," reports Ruth Schmitz-Streit, head of the Molecular Biology of Microorganisms working group at Kiel University. PET-degrading enzymes are no longer a rarity: research now knows of more than 80 different enzymes with this ability. However, most of them originate from bacteria and fungi and not, like the one now discovered, from an archaea.

"Our data contribute to expanding knowledge about the ecological role of deep-sea archaea and the possible decomposition of PET waste in the sea," is how the microbiologist classifies the significance of the discovery, which the team reports on in the journal "Communications Chemistry".

Unusual structure of the reactive centre

The researchers did not identify the enzyme by cultivating the deep-sea microbe in the laboratory - this attempt often fails because the appropriate conditions cannot be created in the laboratory. Instead, the team analysed the entire DNA of all organisms in a water sample from the deep sea. In doing so, the experts looked for similarities to the genes of the known PET-degrading enzymes. The researchers then implanted the matching gene into the model bacterium Escherichia coli to produce the enzyme.

The team then examined the enzyme, known as PET46, in more detail. It turned out that it is structurally very different from the PET-degrading enzymes known so far. In particular, the reactive centre has a kind of lid through which it can bind the substrate particularly well. The enzyme is thus able to degrade both short-chain PET oligomers and long-chain PET polymers.

Significant for composting and natural degradation of plastic waste

The now discovered enzyme is thus of threefold importance: It could be used biotechnologically to recycle PET plastics or to compost them industrially: Unlike many PET-degrading enzymes, PET46 works efficiently at temperatures of 70 degrees Celsius. In addition, the enzyme in the sea is likely to ensure that PET waste is biodegraded. Last but not least, PET resembles the wood component lignin just as the PET46 enzyme resembles the lignin-degrading enzyme ferulic acid esterase. On land, PET46 could thus be involved in the composting of wood in the forest soil.

The research project was part of the PASTISEA project, which was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of the BioProMare funding measure.

Lassen sich zwei Herstellungsverfahren zu einem einzigen und zugleich nachhaltigeren Prozess verbinden? Mit dieser Fragestellung ist das Projekt Linopol vor vier Jahren angetreten. Auf der einen Seite wollten die Beteiligten um Projektleiter Ulrich Schörken von der TH Köln die bislang erdölbasierte Herstellung von Polyamid 12 durch eine biobasierte Alternative ersetzen. Zum anderen sollten Abfallprodukte in der Duft- und Aromastoffherstellung vermieden und in Wertstoffe verwandelt werden. Im vergangenen Jahr gelang dem Team der Machbarkeitsnachweis.

Duftstoff und Kunststoff in einem Verfahren

In der Duftstoffherstellung wird Linolsäure gespalten, um Hexanal zu gewinnen. Der kleinere Teil mit sechs Kohlenstoffatomen ist der Duftstoff. Der größere, auf zwölf Kohlenstoffatomen basierende Teil wird jedoch entsorgt. „Wir haben uns gefragt: Können wir nicht die ganze Fettsäure nutzen?“, erinnert sich Schörken an die Entstehung der Projektidee. Das größere Spaltprodukt könnte schließlich Ausgangsverbindung für Polymere wie den Kunststoff Polyamid sein, aus dem etwa Nylon besteht. Das überzeugte auch das Bundesforschungsministerium, das das Vorhaben von März 2019 bis Juli 2022 mit 538.000 Euro förderte, als Teil des Förderprogramms „Technologie-Initiative Bioraffinerien“ im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“.

Als Ausgangsmaterial setzte das Team auf Disteln als Quelle für die Linolsäure. Disteln sind als einheimische Pflanzen, die auch auf mageren Böden wachsen, eine attraktive Art für neue bioökonomische Nutzungen. Dabei verfolgten die Forschenden zwei Ansätze parallel: die Synthese mittels Enzymen und die Chemokatalyse.

Geeignete Enzyme für den biotechnologischen Prozess gesucht

Für den biotechnologischen Weg mussten die Projektbeteiligten zunächst die geeigneten Enzyme identifizieren. Eine Lipoxygenase sollte im ersten Schritt die Linolsäure peroxidieren. Dabei stellte sich heraus, dass etwa käufliche Lipoxygenase aus Soja besser funktioniert als die rekombinant, sprich biotechnologisch selbst erzeugten Enzyme. Im zweiten Schritt würde eine Hydroperoxid-Lyase das Zwischenprodukt zur Oxocarbonsäure umwandeln. Hydroperoxid-Lyasen sind so empfindlich, dass es sie nicht im Handel gibt und die Forschenden sie selbst herstellen mussten. Die vielversprechendsten Ergebnisse wurden mit einer neuen Hydroperoxid-Lyase aus Papaya erzielt, die rekombinant in E. coli produziert wurde. Schließlich erzeugt eine Transaminase daraus die Aminocarbonsäure – den Polyamidbaustein. Einige Omega-Transaminasen sind in der Literatur beschrieben, die langkettige hydrophobe Substrate umsetzen können. So fand das Forschungsteam gleich sieben verschiedene Enzyme, die es erfolgreich ausprobierte.

Insbesondere die Hydroperoxidlyase erwies sich als Flaschenhals. „Das Enzym ist schwer herstellbar, sehr empfindlich und sowohl substrat- als auch produktinhibiert“, berichtet Schörken. Zudem sind die erzeugten Oxosäuren sehr reaktiv. „Die Substanzen verschwinden daher schnell und wir hatten anfangs Probleme, unsere Produkte zu identifizieren“, erinnert sich der Projektleiter. Die dritte Herausforderung bestand darin, dass das Endprodukt der Enzymkaskade, die 12-Amino-Oxododecensäure, sowohl zwitterionisch als auch hydrophob ist und sich weder in wässriger Lösung noch in organischen Lösungsmitteln leicht extrahieren lässt.

Can two manufacturing methods be combined into a single and at the same time more sustainable process? This was the question the Linopol project set out to answer four years ago. On the one hand, the team led by project manager Ulrich Schörken from the Technical University of Cologne aimed to replace the previously petroleum-based production of polyamide 12 with a biobased alternative. On the other hand, they were looking to avoid waste products in the production of fragrances and flavorings and turn them into recyclable materials. Last year, the team succeeded in proving the proof of concept.

Fragrance and plastic in one process

In fragrance production, linoleic acid is separated to yield hexanal. The smaller part, with six carbon atoms, is the fragrance. However, the larger part, based on twelve carbon atoms, is discarded. "We asked ourselves: Can we use the whole fatty acid?" Schörken explains, recalling the genesis of the project idea. The larger cleavage product could eventually be a starting compound for polymers such as the plastic polyamide, which is used to make nylon, for example. The idea also convinced the German Federal Ministry of Education and Research, which funded the project with 538,000 euros from March 2019 to July 2022 as part of the "Biorefineries Technology Initiative" funding program under the "National Research Strategy Bioeconomy 2030."

The team relied on thistles as a source of linoleic acid. As native plants that also grow on poor soils, thistles are an attractive species for new bioeconomy uses. The researchers pursued two approaches in parallel: synthesis using enzymes and chemocatalysis.

Suitable enzymes needed for the biotechnological process

For the biotechnological route, the project participants first had to identify suitable enzymes. In the first step, a lipoxygenase was to peroxidize linoleic acid. It turned out that commercially available lipoxygenase from soy works better than the recombinant, i.e. biotechnologically self-generated enzymes. In the second step, a hydroperoxide lyase would convert the intermediate to oxocarboxylic acid. Hydroperoxide lyases are so sensitive that they are not commercially available and thus the researchers had to produce them themselves. The most promising results were obtained with a new hydroperoxide lyase from papaya, produced recombinantly in E. coli. Finally, a transaminase produces the aminocarboxylic acid - the polyamide building block. Several omega transaminases are described in the literature that can convert long-chain hydrophobic substrates. The research team found as many as seven different enzymes, which they tried out successfully.

Hydroperoxide lyase in particular proved to be a bottleneck. "The enzyme is difficult to produce, very sensitive and both substrate- and product-inhibited," Schörken reports. In addition, the oxo acids produced are very reactive. "The substances therefore disappear quickly, and we initially had difficulties identifying our products," recalls the project manager. The third challenge was that the end product of the enzyme cascade, 12-amino oxododecenoic acid, is both zwitterionic and hydrophobic and cannot be easily extracted both in water solution and in organic solvents.

Ob in Lebensmittelverpackungen, Kosmetika, Pflanzenschutzmitteln oder Outdoor-Textilien: Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen – kurz PFAS – sind in vielen Produkten enthalten. Diese industriell hergestellten Chemikalien sind nicht nur besonders widerstandsfähig gegen Öl und Wasser, sondern auch gegen Temperaturen und Chemikalien. So vielfältig die Einsatzmöglichkeiten von PFAS sind, so gefährlich sind diese Substanzen, wenn sie in die Umwelt gelangen, da sie dort nicht auf natürliche Weise abgebaut werden können. So konnten PFAS an mehr als 70 % der Grundwassermessstellen in der EU nachgewiesen werden. Auch Erkrankungen und Todesfälle werden Untersuchungen zufolge auf PFAS zurückgeführt.

Forschung an PFAS-freien Lösungen

Die EU-Kommission will daher besonders kritische Vertreter der sogenannten Ewigkeits-Chemikalien verbieten. Gleichzeitig fördert sie die Forschung an umweltfreundlichen Alternativen, um PFAS ersetzen zu können. Im EU-Projekt ZeroF entwickeln derzeit Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC gemeinsam mit Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen aus acht Ländern PFAS-freie Lösungen für Lebensmittelverpackungen und Textilien. Das Fraunhofer-Team bringt dabei seine Expertise in der Entwicklung von omniphoben (öl- und wasserabweisenden) und abriebfesten Beschichtungen für Textilien ein.

ORMOCER-Lack als PFAS-Ersatz

Konkret geht es um das vom Fraunhofer ISC entwickelte hybride und vielseitig einsetzbare Basismaterial ORMOCER, das hier in Form eines Lacks zum Einsatz kommen und mit cellulosebasierten Materialien des Projektpartners VTT kombiniert werden soll. „Die Herausforderung für uns besteht vor allem darin, eine wasserabweisende Beschichtung für Textilien herzustellen, die gleichzeitig als wasserbasierte Lösung appliziert werden kann, da dies eine Vorgabe der Textilindustrie ist“, erklärt Claudia Stauch, Projektleiterin am Fraunhofer ISC. „Das ORMOCER als hybrides Material erlaubt es uns, anorganische und organische Materialeigenschaften zu kombinieren und so unendlich viele Stellschrauben für diese komplexe Fragestellung zu generieren.“

Mithilfe dieser Technologie können daher auch der biobasierte Anteil von Materialien erhöht und Produkte damit nachhaltiger gemacht werden. Bei zahlreichen Anwendungen konnten die Forschenden bereits beweisen, dass sich Produkte mit ORMOCER-Beschichtungen nicht nur gut verarbeiten lassen, sondern auch gute Oberflächen- und Barriereeigenschaften mitbringen und sich besser recyceln lassen.

Unterstützung bei Umsetzung von PFAS-freien Alternativen

Ob sich die im EU-Projekt ZeroF entwickelten Materialien in der Industrie durchsetzen, hängt den Forschenden zufolge entscheidend von deren Akzeptanz ab. Das Fraunhofer-Team unterstützt daher bereits Unternehmen bei der Umsetzung von umweltfreundlichen und wirtschaftlichen PFAS-Alternativen. „Nicht immer wird der volle Funktionsumfang von PFAS auch wirklich benötigt. Für manche der jetzigen Anwendungsfelder, in denen es nur um ein oder zwei Schlüsseleigenschaften aus dem ganzen PFAS-Spektrum geht, gibt es bereits jetzt gute und kurzfristig einsetzbare Lösungen“, erklärt Strauch.

Whether in food packaging, cosmetics, pesticides or outdoor textiles: per- and polyfluorinated alkyl substances – PFAS for short – are contained in many products. These industrially produced chemicals are not only particularly resistant to oil and water, but also to temperatures and chemicals. As diverse as the applications of PFASs are, these substances are equally dangerous when they enter the environment, where they cannot be degraded naturally. PFASs have been detected in more than 70% of groundwater monitoring wells in the EU. Studies have also attributed illnesses and deaths to PFASs.

Research on PFAS-free solutions

The EU Commission therefore wants to ban particularly critical representatives of the so-called Forever Chemicals. At the same time, it is promoting research into environmentally friendly alternatives to replace PFAS. In the EU project ZeroF, researchers from the Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC are currently working with industrial companies and research institutes from eight countries to develop PFAS-free solutions for food packaging and textiles. The Fraunhofer team is contributing its expertise in the development of omniphobic (oil- and water-repellent) and abrasion-resistant coatings for textiles.

ORMOCER lacquer as PFAS substitute

Specifically, the hybrid and versatile base material ORMOCER developed by Fraunhofer ISC is to be used here in the form of a coating and combined with cellulose-based materials from the project partner VTT. "The main challenge for us is to produce a water-repellent coating for textiles that can be applied as a water-based solution at the same time, as this is a requirement of the textile industry," explains Claudia Stauch, project manager at Fraunhofer ISC. "The ORMOCER as a hybrid material allows us to combine inorganic and organic material characteristics and thus generates endless possibilities for solving this complex issue."

This technology can therefore also be used to increase the biobased content of materials and thus make products more sustainable. In numerous applications, the researchers have already been able to prove that products with ORMOCER coatings are not only easy to process, but also have good surface and barrier characteristics and are easier to recycle.

Support for the implementation of PFAS-free alternatives

According to the researchers, whether the materials developed in the EU ZeroF project will become established in industry depends decisively on their acceptance. The Fraunhofer team is therefore already supporting companies in the implementation of environmentally friendly and economical PFAS alternatives. "The full range of functions of PFAS is not always really needed. For some of the current fields of application, where only one or two key characteristics from the entire PFAS spectrum are needed, there are already good solutions that can be used in the short term," explains Strauch.

Kohlendioxid aus Industrieprozessen nicht in die Atmosphäre zu entlassen, sondern chemisch aufzuwerten, dieser Ansatz soll einen kleinen Beitrag zur Klimaneutralität der Wirtschaft leisten. Gegenüber möglichen Ewigkeitsspeichern für CO₂ ist das auch ökonomisch interessant, weil keine Entsorgungskosten anfallen, sondern sogar ein Gewinn erzielt werden kann. Dementsprechend intensiv wird an entsprechenden CO₂-Nutzungsverfahren geforscht. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen hat nun einen besonders vielversprechenden Ansatz entdeckt und im Fachjournal "Angewandte Chemie" vorgestellt.

Archaee aus dem Umfeld von Ölfeldern

In der Natur gibt es einige Mikroorganismen, die CO₂ aus der Luft fixieren und für ihren Stoffwechsel nutzen können. Unterschiedliche Forschungsgruppen haben in den vergangenen Jahren entsprechende Organismen identifiziert und teils darauf basierend biotechnologische Prozesse entwickelt. Das Bremer Team setzt auf die Archaee Methermicoccus shengliensis, eine Methan produzierende Mikrobe, die im Wasser um Tiefsee-Ölquellen lebt und sich bei Temperaturen von 65 Grad Celsius wohlfühlt.

Zunächst haben die Forschenden das Enzym identifiziert, das CO₂ in Ameisensäure verwandelt. Ameisensäure ist für die chemische Industrie interessant, weil sie vielen chemischen Verbindungen als Ausgangsstoff dient und auch als Energiespeicher genutzt werden kann. „Wir wussten, dass solche Enzyme sauerstoffempfindlich sind. Deshalb mussten wir, um es von anderen Proteinen zu trennen, unter einer sauerstofffreien Haube ohne Umgebungsluft arbeiten – ziemlich kompliziert, aber es ist uns gelungen“, berichtet Olivier Lemaire.

Not releasing carbon dioxide from industrial processes into the atmosphere, but upgrading it chemically, this approach is intended to make a small contribution to the climate neutrality of the economy. Compared to possible eternal storage facilities for CO₂, this is also economically interesting because no disposal costs are incurred and a profit can even be made. Accordingly, intensive research is being conducted on appropriate CO₂ utilisation processes. A team from the Max Planck Institute for Marine Microbiology in Bremen has now discovered a particularly promising approach and presented it in the scientific journal "Angewandte Chemie" ("Applied Chemistry").

Archaee aus dem Umfeld von Ölfeldern

In nature, there are some microorganisms that can fix CO₂ from the air and use it for their metabolism. Various research groups have identified such organisms in recent years and developed biotechnological processes partly based on them. The Bremen team relies on the archaea Methermicoccus shengliensis, a methane-producing microbe that lives in the water around deep-sea oil wells and feels comfortable at temperatures of 65 degrees Celsius.

First, the researchers identified the enzyme that converts CO₂ into formic acid. Formic acid is interesting for the chemical industry because it serves as a starting material for many chemical compounds and can also be used as an energy store. "We knew that such enzymes are sensitive to oxygen. Therefore, to separate it from other proteins, we had to work under an oxygen-free bonnet without ambient air – quite complicated, but we succeeded," Olivier Lemaire reports.

Biogas ist eine der Komponenten, die bei der Energiewende fossile Rohstoffe ersetzen sollen. Es entsteht, indem mikrobielle Gemeinschaften Biomasse vergären. Im Grundsatz sind die daran beteiligten Prozesse gut verstanden, doch wie sich die mikrobiellen Gemeinschaften zusammensetzen, war bislang nur in Teilen erforscht. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus - Senftenberg (BTU) hat sich dieser Aufgabe angenommen – und eine wichtige Entdeckung gemacht.

Auffällige, noch nicht beschriebene Bakteriengruppe entdeckt

Innerhalb des von der EU finanzierten Projekts Micro4Biogas haben die Beteiligten für 45 Biogasanlagen die technischen und biochemischen Parameter erfasst. Außerdem nahmen sie 80 Proben und analysierten die darin lebenden Mikroorganismen. Dazu sequenzierte das Team die DNA der jeweiligen Proben und identifizierte die darin vorkommenden Mikroben, indem es das sogenannte 16s-rRNA-Gen mit Referenzdatenbanken abglich. Dieses Gen kommt in allen Mikroorganismen vor, variiert jedoch leicht zwischen den unterschiedlichen Stämmen und kann daher zur Identifikation genutzt werden. Dabei fiel eine häufig vorkommende Gruppe von Bakterien auf, deren 16s-rRNA zwar schon in anderen Studien erwähnt wurde, die aber noch nicht im Labor gezüchtet und untersucht worden war.

Bei der anschließenden vollständigen Sequenzierung der Metagenome von 30 Proben – der Gesamtheit der DNA aller Mikroben darin – ließ sich das Bakterium jedoch nicht nachweisen. Offensichtlich gab es in den Datenbanken noch keine vollständige Sequenz zum Vergleich. Mühsam isolierte das Team daher die spezifische DNA des unbekannten Bakteriums aus der Masse und stellte fest, dass es zu einer bis dahin unbekannten Ordnung gehört. Die Forschenden tauften sie Darwinibacteriales.

Wahrscheinliche Interaktion mit methanogenen Archaeen

„Interessanterweise waren Mitglieder der Darwinibacteriales in allen 80 Proben vorhanden, trotz der Unterschiede und der Entfernung zwischen diesen Anlagen“, erklärt Christian Abendroth von der BTU. Die Forschenden vermuten, dass bestimmte Mitglieder dieser Ordnung mit methanogenen Archaeen wechselwirken. Wenn sich das bestätigt, haben die nun beschriebenen Bakterien eine zentrale Bedeutung für die Biogaserzeugung. Dieses Wissen wiederum könnte ein Ansatzpunkt sein, die Biogasproduktion zu optimieren.

„Dies ist ein schönes Beispiel für etwas, das uns vor der Nase lag, das für die Biogaserzeugung wesentlich ist, uns aber lange verborgen blieb“, resümiert Manuel Porcar, Micro4Biogas-Koordinator von der spanischen Universität Valencia. Die bisherige Arbeit mündete bereits in zwei Publikationen auf bioRxiv, die sich als Preprints noch in der Begutachtung befinden – eine speziell zu den Darwinibacteriales sowie eine über die gesamte Analyse der 80 Proben. Doch die Auswertung der 80 Proben ist noch lange nicht abgeschlossen – und könnte weitere Überraschungen zutage fördern.