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How can nutrients such as phosphorus and nitrogen, which are removed from the environment through the cultivation and consumption of food, be returned? This question was the focus of the ‘zirkulierBAR’ project, which was supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) from 2021 to 2024 as part of the REGION.innovativ funding programme. Following the completion of the three-year project, which was coordinated by the Leibniz Institute of Vegetable and Ornamental Crops (IGZ), the consortium has now summarised its results and findings in a handbook.

Guidelines for the sanitary and nutrient transformation

The ‘Handbook for the sanitary and nutrient transformation’ is intended to serve as a practical guide for municipalities and farmers on the path to a circular future. Its 124 pages show how new sanitation systems and treatment plants can be used to return nutrients absorbed through food to the natural cycle. The project focused on the processing of urine and solids from dry toilets into recycled fertiliser and compost.

As part of the project, a recycling plant was set up on the premises of Stadtwerke Barnim in Eberswalde to collect and clean human excrement and process it as recycled fertiliser. It is the first of its kind in Germany. In the real-life laboratory, research was carried out into whether this type of nutrient recovery is technically feasible and also ecologically sensible. In the handbook, the researchers now describe how much potential there is in the recycled fertiliser.

Contribution to fertiliser supply and environmental protection

‘If nutrients from faeces and urine are collected and processed separately and end up on the fields in a quality-assured manner, they can make an important contribution to the supply of fertilisers,’ summarises project coordinator Ariane Krause from the Leibniz Institute of Vegetable and Ornamental Crops (IGZ). ‘We can also save water and reduce water pollution. Recycled fertilisers also reduce our dependence on imports of rock phosphate and natural gas, which are used to produce synthetic fertilisers.’

The separate processing of urine and faeces not only allows important nutrients to be recycled. According to the researchers, the recycled fertiliser can also be used to replace up to 25% of mineral fertilisers in Germany, thereby reducing the carbon footprint and pressure on natural resources such as soil, water, air and nutrients.

Biobasierte Materialien bieten viel Potenzial als Grundstoffe für die Industrie, insbesondere für die Herstellung vielseitiger Kunststoffe. Ein neu gestartetes EU-Projekt verfolgt das Ziel, diese Kunststoffe mithilfe von Bakterien aus Holzresten zu produzieren. Im Fokus des Projekts „BIOPYRANIA“ stehen Pyrazin-basierte Kunststoffe. Das Forschungskonsortium wird im Rahmen des EU-Programms Horizon Europe 2021-2027 mit rund 5 Mio. Euro gefördert. In neun europäischen Ländern sind 13 Firmen und Forschungseinrichtungen beteiligt. Mit dabei ist aus Deutschland auch eine Forschungsgruppe der Universität des Saarlandes, die mit 471.000 Euro in ihrem Vorhaben unterstützt wird.

Pyrazine aus Holzresten: Basis für nachhaltige Kunststoffe

Christoph Wittmann, Professor für Biotechnologie an der Universität des Saarlandes, und sein Team möchten herausfinden, wie sie das Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum dazu bringen können, aus Holzresten die passenden „Ausscheidungsprodukte“ zu produzieren. Diese beinhalten bestimmte aromatische Verbindungen – die Pyrazine.

Sie sollen als monomere Grundstoffe für die Herstellung von Hochleistungspolymeren wie Polyamiden (PA) und Polybenzimidazolen (PBI) dienen, die sich durch geringes Gewicht, mechanische und chemische Beständigkeit sowie Vielseitigkeit auszeichnen. Diese Kunststoffe könnten in Leichtbauteilen von Elektroautos oder in speziellen Elektrolysemembranen für die grüne Wasserstoffproduktion verwendet werden. „Unser Beitrag besteht darin, den Bakterien das Holz schmackhaft zu machen, damit sie aus dessen Bestandteilen die gewünschten Biobausteine für die Polymere produzieren können“, erklärt Wittmann.

Bakterien als Motor für die skalierbare Produktion

Das Holz erhalten die Saarbrücker Biotechnologen von ihren Partnern in Estland. In der Hauptstadt Tallinn betreibt eine große Bioraffinerie die Aufspaltung von Birkenholz in Zucker- und Ligninfraktionen. Mit ihrer Expertise auf diesem Gebiet untersucht das Team nun, wie die festen Bestandteile des Holzes und der Holz-Zucker von den Bakterien verwertet werden können.

Dafür wollen die Forschenden die Mikroben so manipulieren, dass ihr Stoffwechsel Biobausteine produziert, die im industriellen Maßstab nutzbar sind. Ihr Ziel ist es, die gesamte Produktionskette – vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt – CO₂-neutral und wiederverwertbar zu gestalten, um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu fördern. „Wenn uns das gelingt, werden weitere Partner dieses Verfahren auf größere Maßstäbe skalieren“, erklärt Wittmann. An der Universität Maastricht, bei der die Projektleitung liegt, sollen die Bausteine dann zu belastbaren und leichten Pyrazin-Polymeren verarbeitet werden.

Dass die Produktion bis Ende der Förderperiode im Oktober 2028 bereits im großen Maßstab anlaufen wird, hält Wittmann jedoch für unwahrscheinlich: „Aber ich bin guter Dinge, dass wir bis dahin entscheidende Grundlagen dafür gelegt haben, dass diese Vision mittelfristig tatsächlich Realität wird.“ Im Vordergrund steht zunächst die Demonstration der technischen Machbarkeit und Skalierbarkeit.

chk

Die Fruchtbarkeit von Ackerböden einschließlich ihrer Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern, wird maßgeblich vom Humusgehalt bestimmt. Wie hoch der Anteil der abgestorbenen organischen Stoffe aus pflanzlichem, tierischem und mikrobiellem Material ist, hängt Fachleuten zufolge wiederum von der Art der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung ab. Monokultur und Düngepraxis haben jedoch dazugeführt, dass der Humusvorrat in Deutschland auf Äckern und Grünland abnimmt. Das soll sich ändern. Mit dem „Verordnungsentwurf über einen freiwilligen Zertifizierungsrahmen zur CO₂-Entnahme und Carbon Farming“ hat die EU im vergangenen Jahr den Rahmen geschaffen, um Maßnahmen zum Aufbau von Humus und zur Reduzierung der Treibhausgasemission aus Böden zu honorieren.

Humusveränderungen aus dem All nachweisen

Wie hoch der Humusgehalt ist, wird derzeit anhand von regelmäßigen Bodenproben ermittelt – eine Maßnahme, die nicht nur sehr langwierig und teuer ist. Auch Veränderungen des Humusgehaltes lassen sich damit schwer abbilden. Forschende am Thünen-Institut für Betriebswirtschaft haben nun eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe der Humusauf- und -abbau in Böden gemessen werden kann. Um Humusveränderungen im Boden nachzuweisen, wurden demnach Satellitenbilder und Daten der Bodendauerbeobachtung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) an hundert Ackerstandorten in Bayern verwendet.

Bodenfarbe macht Humusveränderung sichtbar

Wie das Team im Fachjournal Global Change Biology berichtet, sind aufgrund der hohen Qualität und Aufnahmedichte der Satellitenbilder nun erstmals Humusveränderungen in Ackerböden anhand „kleinster Veränderungen der Bodenfarbe“ aus dem All nachweisbar. „Ackerschläge, in denen am Boden eine Zu- oder Abnahme des Humusgehalts gemessen wurde, konnten aus den Satellitendaten mit hoher Genauigkeit voneinander unterschieden werden“, berichten die Forschenden.

Humusaufbau unabhängig überprüfbar

Mit der neuen Methode liefert das Team um Tom Brög auch einen Schlüssel, um künftig unabhängig überprüfen zu können, wo Maßnahmen zum Humusaufbau tatsächlich erfolgreich sind.

Corynebacterium glutamicum ist der sogenannte hidden champion unter den Bakterien. Im Vergleich zu den Laktobazillen, die als Milchsäurebakterium bekannt sind, erfährt das „Keulenbakterium“ weniger Aufmerksamkeit. Mit der Wahl zur Mikrobe des Jahres 2025 stellt die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) nun dieses eher unbekannte Bakterium ins Rampenlicht und unterstreicht damit sein großes Potenzial für die industrielle Produktion.

Weltmarktführer für Natriumglutamat-Herstellung

Vor allem für die Lebensmittel- und Futtermittelproduktion ist Corynebacterium glutamicum zu einem unverzichtbaren Produktionsorganismus geworden. Die Mikrobe erzeugt nicht nur große Mengen Aminosäuren und Proteine. Mit einer weltweiten Jahresproduktion von 3,5 Millionen Tonnen des Geschmacksstoffs Natriumglutamat ist sie nach Angaben der VAAM auch der „unbekannte Weltmarktführer“ unter den Produktionsorganismen.

Mit Natriumglutamat wird die neben süß, sauer, salzig und bitter als herzhaft geltende fünfte Geschmacksrichtung umami von speziellen Sinneszellen auf der Zunge ausgelöst. Reife Tomaten, Parmesan und Schinken enthalten den Geschmacksstoff von Natur aus. Natriumglutamat wird aber auch als Würzmittel eingesetzt, vor allem in der asiatischen Küche und in Fertigprodukten.

Potenzial für eine kreislauffähige Bioökonomie

Darüber hinaus spielt Corynebacterium glutamicum auch in der Forschung seit vier Jahrzehnten eine große Rolle. So haben Forschende den Produktionsorganismus so verändert, dass er in der Lage war, Aminosäuren auch aus Resten der Biodieselproduktion oder aus Pflanzenabfällen wie Orangenschalen zu erzeugen. „Dies mindert unsere fossile Abhängigkeit und erlaubt einen bioökonomischen Kreislauf aus nachwachsenden Rohstoffen“, begründet das VAAM-Gremium seine Wahl. Die intensive Forschung an den Corynebakterien liefere damit die Grundlage für weitere spannende Anwendungen.

Mikrobielle Produktion von Naturstoffen, Antioxidantien und Peptiden

So werden durch gentechnische Methoden und neue Ansätze der synthetischen Biologie mithilfe der Mikrobe nicht nur Aminosäuren, sondern auch andere Produkte wie gesundheitsfördernde Naturstoffe, Antioxidantien und antimikrobielle Peptide hergestellt.

Aufgrund der länglichen Keulenform der Corynebakterien zählt die Mikrobe zu den sogenannten Keulenbakterien. Die im Boden lebende Mikrobe sei robust und produktiv und für den Menschen völlig harmlos, heißt es. Zwar gibt es auch einige toxische Verwandte unter den Corynebakterien-Arten, die gefährliche Krankheiten wie Diphtherie oder Tuberkulose verursachen. Die Ähnlichkeit im Zellenaufbau mit dem verwandten Mycobacterium tuberculosis, dem Erreger der Lungentuberkulose, bietet jedoch auch einen Ansatz, um mithilfe der „Mikrobe des Jahres“ neue Medikamente zu identifizieren. „So deckt Corynebacterium glutamicum die gesamte Bandbreite vom winzigen Forschungsobjekt bis zum Industrieproduzenten im Tonnenmaßstab ab“, resümiert die VAAM.

Blumenerden enthalten gewöhnlich Torf, der durch abgestorbene Pflanzenreste in Mooren entsteht. Mit dem Torfabbau werden jedoch Lebensräume vieler Pflanzen und Tiere und auch ein wertvoller Kohlenstoffspeicher zerstört. Zwar gibt es mittlerweile alternative Pflanzsubstrate wie Kokosmark und -fasern. Doch die Rohstoffe müssen aus Indien oder Sri Lanka importiert werden. Im Projekt TOPKO wollen Forschende der Hochschule Oldenburg mit Industriepartnern nun beweisen, dass auch regionale Rohstoffe als Torfersatz für Pflanzsubstrate geeignet sind.

Regionale Biokohle-Kompost-Mischungen als torffreies Pflanzsubstrat

Im Fokus des Projektes steht die Herstellung verschiedener Pflanzen- und Hydrokohlen aus landwirtschaftlichen Rest- und Abfallstoffen. Den Forschenden zufolge wird hierfür Grünschnitt aus der Landschaftspflege und insbesondere aus der extensiven Moorbewirtschaftung wie der Paludikultur verwendet. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines marktreifen, torffreien und regionalen Gartensubstrates, das in der Landwirtschaft, in Baumschulen sowie im privaten Gartenbau eingesetzt werden kann.

Bei der Herstellung von Hydrokohle mittels Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) stehen flüssige landwirtschaftliche Reststoffe wie Gülle oder Gärreste aus Biogasanlagen im Fokus. Für die mittels Pyrolyse erzeugte Pflanzenkohle wird wiederum Grünschnitt eingesetzt. Hydro- und Pflanzenkohlen werden den Forschenden zufolge anschließend einzeln, aber auch zusammen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen mit Kompost vermengt, sodass neue Pflanzsubstrate entstehen.

Nachhaltigkeit und Marktchancen ermitteln

Ob sich die neuartigen Kohle-Kompost-Mischungen als torffreie Blumenerde eignen, wird im Rahmen des Projektes zunächst unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus und später in sogenannten Containerversuchen mit typischen Gehölzen aus der Baumschule geprüft. Darüber hinaus wollen die Forschenden mithilfe von Umweltbilanzen auch die Nachhaltigkeit des Kohlenstoffkreislaufs bewerten sowie Akzeptanz und Marktchancen der neuen Pflanzsubstrate im Rahmen sozio-ökonomischer Untersuchungen ermitteln.

Das Vorhaben „Torffreie klimafreundliche Pflanzsubstrate aus Hydro- und Pyrolysekohlen“ (TOPKO) läuft bis 2027 und wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) mit rund 633.000 Euro gefördert.

Potting soils usually contain peat, which is formed from dead plant remains in bogs. However, peat extraction destroys the habitats of many plants and animals as well as a valuable carbon store. There are now alternative plant substrates such as coconut pulp and fibres. However, the raw materials have to be imported from India or Sri Lanka. In the TOPKO project, researchers at Oldenburg University of Applied Sciences and industrial partners now want to prove that regional raw materials are also suitable as a peat substitute for plant substrates.

Regional biochar-compost mixtures as a peat-free planting substrate

The project focuses on the production of various plant and hydro carbons from agricultural residues and waste materials. According to the researchers, green waste from landscape conservation and in particular from extensive peatland management such as paludiculture is used for this purpose. The aim of the project is to develop a market-ready, peat-free and regional garden substrate that can be used in agriculture, tree nurseries and private horticulture.

The production of hydrochar by means of hydrothermal carbonisation (HTC) focuses on liquid agricultural residues such as liquid manure or fermentation residues from biogas plants. Green cuttings are used for the biochar produced by pyrolysis. According to the researchers, hydrochar and biochar are then mixed with compost individually or together in different ratios to create new plant substrates.

Determining sustainability and market opportunities

Whether the novel coal-compost mixtures are suitable as peat-free potting soil will be tested as part of the project, initially under controlled conditions in the greenhouse and later in so-called container trials with typical trees and shrubs from the nursery. The researchers also want to use life cycle assessments to evaluate the sustainability of the carbon cycle and determine the acceptance and market opportunities of the new plant substrates as part of socio-economic analyses.

The ‘Peat-free, climate-friendly plant substrates from hydro and pyrolysis coal’ (TOPKO) project will run until 2027 and is being funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) with around 633,000 euros.

Fisch zählt zu den beliebtesten Nahrungsmitteln in Deutschland. Um die große Nachfrage zu bedienen und eine Überfischung zu vermeiden, werden Fische wie Lachs und Forelle häufig in Aquakulturen gezüchtet. Für die Aufzucht werden jedoch enorme Mengen an Wildbeständen zu Fischmehl und -öl verarbeitet und dem Futter beigemischt. Auf diese Weise werden die Zuchtfische mit den lebenswichtigen und mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren wie Docosahexaensäure (DHA) versorgt, die für eine gesunde Ernährung essenziell sind.

Nachhaltige Kost für Aquakulturfische

Bioverfahrenstechniker der Technischen Universität Berlin zeigen nun, dass die kostbaren Omega-3-Fettsäuren mithilfe von Bakterien und Algen auch aus pflanzlichen Reststoffen gewonnen werden können. Mit der nachhaltigen Kost für Aquakulturfische will das Berliner Forschungsteam verhindern, dass Zuchtfische auch weiterhin mit Wildfischen „gemästet“ werden.

Das Team um Stefan Junne setzt dabei auf sogenannte heterotrophe Mikroalgen, die in der Lage sind, DHA aus organischem Material zu synthetisieren. „Damit die Algen das DHA produzieren, müssen sie mit einem Substrat gefüttert werden. Das kann Zucker sein, der zum Beispiel aus Getreide wie Mais stammt“, erklärt Junne. „Da wir hier am Fachgebiet jedoch die Philosophie verfolgen, Nahrungsmittel möglichst nicht in biotechnologischen Prozessen zu verwenden, experimentieren wir unter anderem mit Stallstroh. Denkbar sind aber auch Essensreste und andere biologische Reststoffe wie Laub oder Grünschnitt“, betont der Forscher.

Mikroben verwandeln Stroh in Fettsäure und Dünger

Wie das Team um Junne berichtet, konnten mit Stroh bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Dafür wurden die pflanzlichen Reststoffe in einem 200-Liter-Bioreaktor aus Plexiglas mithilfe von Bakterien in kurzkettige Carboxylsäuren wie Essigsäure zersetzt und anschließend an die Mikroalgen verfüttert, damit diese es zu DHA verstoffwechseln und in ihren Zellen anreichern.

„Da wir mit Reststoffen arbeiten, müssen wir die mikrobielle Hydrolyse, also die Zersetzung des Strohs durch Bakterien, der eigentlichen Synthese der DHA in den Algen vorschalten. Wir koppeln also zwei Bioprozesse“, erklärt Stefan Junne. Bei der mikrobiellen Hydrolyse entstand den Forschenden zufolge neben flüssiger Essigsäure auch ein Feststoff, der als Dünger genutzt werden kann.

Fettsäureanteil in Fischfutterersatz mit kommerziellen Mischungen vergleichbar

Im Rahmen des Projektes „FENA – Fischmehl und -ölersatz für eine nachhaltige Aquakultur“ konnte das Team eigenen Angaben zufolge bereits knapp vier Tonnen Fischfutterersatz auf Basis von Algen herstellen. „Der Ersatz hatte eine Konzentration von circa 20 % DHA. Die Zusammensetzung der Omega-3-Fettsäuren ähnelte damit der von kommerziellen Fischöl- und Fischmehl-Mischungen“, berichtet Junne. Auch erste Fütterungsversuche waren erfolgreich und zeigen, dass Fettsäuren aus pflanzlichen Reststoffen und Algen herkömmliches Fischmehl und -öl ersetzen und Aquakulturen nachhaltig machen können.

Fish is one of the most popular foods in Germany. In order to meet the high demand and avoid overfishing, fish such as salmon and trout are often bred in aquacultures. However, enormous quantities of wild stocks are processed into fishmeal and fish oil and added to the feed. In this way, the farmed fish are supplied with vital and polyunsaturated omega-3 fatty acids such as docosahexaenoic acid (DHA), which are essential for a healthy diet.

Sustainable food for aquaculture fish

Bioprocess engineers at the Technical University of Berlin have now shown that the valuable omega-3 fatty acids can also be obtained from plant residues with the help of bacteria and algae. With this sustainable diet for aquaculture fish, the Berlin research team wants to prevent farmed fish from continuing to be ‘fattened’ with wild fish.

Stefan Junne and his team are focusing on so-called heterotrophic microalgae, which are able to synthesise DHA from organic material. ‘In order for the algae to produce DHA, they have to be fed with a substrate. This can be sugar, for example from cereals such as maize,’ explains Junne. ‘However, as we follow the philosophy here at the department of not using food in biotechnological processes wherever possible, we are experimenting with barn straw, among other things. However, food waste and other biological residues such as leaves or green waste are also possible,’ emphasises the researcher.

Microbes convert straw into fatty acid and fertiliser

As Junne's team reports, promising results have already been achieved with straw. The plant residues were broken down into short-chain carboxylic acids such as acetic acid in a 200-litre Plexiglas bioreactor with the help of bacteria and then fed to the microalgae so that they could metabolise it into DHA and accumulate it in their cells.

‘As we are working with residual materials, we have to switch the microbial hydrolysis, i.e. the decomposition of the straw by bacteria, upstream of the actual synthesis of DHA in the algae. We are therefore coupling two bioprocesses,’ explains Stefan Junne. According to the researchers, the microbial hydrolysis produced not only liquid acetic acid but also a solid that can be used as a fertiliser.

Fatty acid content in fish feed substitutes comparable to commercial mixtures

As part of the ‘FENA - Fish meal and oil replacer for sustainable aquaculture’ project, the team says it has already been able to produce almost four tonnes of algae-based fish feed replacer. ‘The substitute had a concentration of around 20 % DHA. The composition of the omega-3 fatty acids was therefore similar to that of commercial fish oil and fishmeal mixtures,’ reports Junne. Initial feeding trials were also successful and show that fatty acids from plant residues and algae can replace conventional fishmeal and fish oil and make aquaculture sustainable.

Wie wichtig die Böden für die Menschheit und das Leben auf der Erde sind, ist vielen zu wenig bewusst. Im Boden wirken Gestein, Wasser, Luft und Lebewesen zusammen, um die fruchtbare oberste Erdschicht zu schaffen. So bilden Böden eine wichtige Grundlage für die Ernährung und die Biodiversität. Um hierfür ein Bewusstsein zu schaffen, wird jedes Jahr der „Boden des Jahres“ gekürt. In diesem Jahr steht die Rendzina im Rampenlicht.

Humusanreicherung auf Gesteinsuntergrund

Abhängig von Ausgangsgestein, Klima, Ort und Vegetation können ganz verschiedene Typen von Böden mit unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Schichtung entstehen. Rendzinen entstehen auf Kalk-, Dolomit- oder Gipsgesteinen und zeichnen sich dadurch aus, dass unter dem dunklen humusreichen Oberboden (A-Horizont) direkt der zerklüftete Gesteinsuntergrund (C-Horizont) ansteht, ein brauner B-Horizont hingegen fehlt.

Dank ihres hohen Karbonatgehalts bieten Rendzinen hervorragende Bedingungen für Bodenlebewesen, welche die Bodensubstanz schnell umwandeln und zu einer starken Humusanreicherung beitragen. Die so aufgelockerte Bodenstruktur begünstigt die Wasseraufnahme, den Luftaustausch und die Speicherung von Nährstoffen.

Trockenrasen und Buchenwälder

Für die landwirtschaftliche Nutzung sind Rendzinen wegen ihrer geringen Tiefe allerdings weniger geeignet. Das direkt unter dem Boden liegende lösliche Gestein lässt Wasser leicht versickern. So entwickelt sich häufig ein Trockenrasen mit seltenen Blütenpflanzen oder an anderen Standorten Buchenwälder.

„Die Rendzina zeigt eindrucksvoll, dass Böden weit mehr sind als landwirtschaftliche Produktionsflächen. Sie sind Lebensräume, Geologie zum Anfassen und ein wertvoller Teil unseres Natur- und Kulturerbes“, so Till Backhaus, Landwirtschaftsminister von Mecklenburg-Vorpommern beim Aktionstag zum Weltbodentag. Auf Rügen forme die Rendzina mit der Kreideküste ein unverwechselbares Wahrzeichen von Mecklenburg-Vorpommern und biete Lebensraum für die beeindruckende Flora und Fauna des UNESCO-Weltnaturerbes „Jasmunder Buchenwald“.

Doch nicht nur auf den Norddeutschen Kalkgesteinen der Kreidezeit sind Rendzinen zu finden, sondern darüber hinaus auch in Karstgebieten der Mittelgebirge und der Alpen, auf den Jurakalkflächen der Fränkischen und Schwäbischen Alb und in den Muschelkalkgebieten Thüringens.

Boden des Jahres

Mecklenburg-Vorpommern hat in diesem Jahr die Schirmherrschaft für den „Boden des Jahres“ übernommen. Er wird seit 2004 traditionell am Weltbodentag am 5. Dezember gekürt. Im Vorjahr wurde der Waldboden in den öffentlichen Fokus gerückt. Mit der Aktion, die vom Umweltbundesamt in Dessau gefördert wird, solle dem Boden ein Gesicht verliehen und so das Wissen über Böden erweitert werden.

ck/bb

Holz ist ein vielseitiger und begehrter Rohstoff in Deutschland und muss aufgrund der hohen Nachfrage in großen Mengen importiert werden. Eine Alternative zum Holz könnten Pflanzen aus Paludikultur sein, da Moorpflanzen ebenfalls wichtige Holzbestandteile wie Zellulose und Lignin enthalten. Für Baustoffe, Viehfutter und Nahrungsmittel werden Schilfrohr oder Torfmoose bereits eingesetzt. Nun könnte auch die Papierindustrie von Moorpflanzen als Holzersatzstoff profitieren. Dafür liefern Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV jetzt den Nachweis.

Neues Verfahren zur Zellstoffherstellung aus Moorpflanzen

Im Rahmen des Projektes PALUDI, das unter anderem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde, hatte ein Team um Projektleiter Fabian Kayatz die Potenziale von Moorpflanzen wie Schilf, Seggen oder Rohrglanzgras für nachhaltige Verpackungen untersucht und entsprechende Herstellungsverfahren erprobt. Dafür wurde ein ressourcenschonendes Verfahren zur Zellstoffherstellung entwickelt.

Ein Vorteil der Moorkulturen: Sie haben einen geringeren Ligningehalt als Holz. Beim Aufschluss der Pflanzenfasern müssen daher weniger Chemikalien eingesetzt werden, um die für Verpackungen erforderliche Faserqualität zu erhalten. „Je weniger Lignin vorhanden ist, also der natürliche Klebstoff in den pflanzlichen Zellwänden, desto geringer ist der Einsatz etwa von Säuren oder Laugen beim chemischen Aufschluss und desto stabiler bildet sich ein Fasernetzwerk aus“, erläutert Fabian Kayatz.

Dem Forscher zufolge verfügt der Zellstoff aus diesen Pflanzenfasern auch über bessere mechanische Eigenschaften als Zellstoff aus Mais oder Bambus. Zudem lässt sich das Lignin aus nicht verholzenden Pflanzen leichter auslösen und von den Fasern trennen, sodass weniger Energie für Aufschlussverfahren benötigt wird, als bei der herkömmlichen Papierherstellung aus Holz.

Weniger Energie bei Faseraufschlussverfahren

Bei dem von den Fraunhofer-Forschenden entwickelten Aufschlussverfahren, das an Schilfrohr und anderen Paludikultur getestet wurde, kamen demnach Temperaturen unter 100° C zum Einsatz, die damit „bis zu 45 % unter den niedrigsten Werten für chemische Faseraufschlussverfahren“ liegen. Bis zu 83 % Lignin konnten nach Angaben der Forschenden aus dem eingesetzten Rohstoff herausgelöst werden. Die Zellstoffausbeute lag demnach – je nach Einstellung der Parameter – bei bis zu 53 %.

Tiegel und Schalen aus Schilfrohrfasern hergestellt

In Tests konnten die Fraunhofer-Forschenden nachweisen, dass sich die im Projekt hergestellten „flachen, fasergegossenen Papiere“ aus Paludikultur gut verarbeiten lassen und für Verfahren wie Falzen, Kleben und Bedrucken geeignet sind. Daneben hätten die Papiere auch in puncto Zugfestigkeit und Dehnbarkeit sowie mit ihren wasserabweisenden Eigenschaften überzeugt, berichtet das Team. Im Projekt entstanden mittels Faserguss- und Tiefziehverfahren bereits erste stabile Papiertiegel und Schalen aus Schilfrohrfasern, „ohne Additive zu verwenden“.

Noch wurden die Ergebnisse nur im Labormaßstab erzielt. Doch das Potenzial zeichnet sich ab: „Nach der Ernte der Moorpflanzen könnte die gewonnene Biomasse im Industriemaßstab in der Zellstofffabrik weiterverarbeitet werden. Dort würde dann die Zellstoffherstellung durch den Aufschluss der Pflanzenfasern erfolgen“, erläutert der Projektleiter.

Vor einem Einsatz in der Industrie will das PALUDI-Team das Faseraufschlussverfahren weiter optimieren. Als Erstes sollen Verpackungen für den Non-Food-Bereich wie Kosmetik, Logistik und Büromaterialien daraus produziert werden.

Beitrag zum Umwelt- und Moorschutz

„Das Potenzial der Moorpflanzen für die Herstellung von innovativen, biobasierten Verpackungen ist groß, wie wir mit unserer erfolgreichen Entwicklung von ressourcenschonenden Verfahren zur Zellstoffherstellung zeigen konnten“, resümiert Fabian Kayatz und betont, dass auch der Fortbestand der Moore unterstützt werde, indem Agrarflächen wiedervernässt und für Paludikultur genutzt werden.

Wood is a versatile and sought-after raw material in Germany and has to be imported in large quantities due to the high demand. An alternative to wood could be plants from paludiculture, as peatland plants also contain important wood components such as cellulose and lignin. Reeds and peat mosses are already being used for building materials, animal feed and food. Now the paper industry could also benefit from peatland plants as a wood substitute. Researchers at the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV have now provided proof of this.

New process for pulp production from peatland plants

As part of the PALUDI project, which was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) and others, a team led by project manager Fabian Kayatz investigated the potential of peatland plants such as reeds, sedges and reed canary grass for sustainable packaging and trialled corresponding production processes. A resource-saving process for pulp production was developed for this purpose.

One advantage of peat cultures is that they have a lower lignin content than wood. This means that fewer chemicals need to be used when breaking down the plant fibres in order to obtain the fibre quality required for packaging. ‘The less lignin is present, i.e. the natural adhesive in the plant cell walls, the lower the use of acids or alkalis during chemical pulping, for example, and the more stable a fibre network is formed,’ explains Fabian Kayatz.

According to the researcher, pulp made from these plant fibres also has better mechanical properties than pulp made from maize or bamboo. In addition, the lignin from non-lignifying plants is easier to extract and separate from the fibres, meaning that less energy is required for pulping processes than in conventional paper production from wood.

Less energy for pulping processes

The pulping process developed by the Fraunhofer researchers, which was tested on reeds and other paludicultures, used temperatures below 100°C, which is ‘up to 45% below the lowest values for chemical pulping processes’. According to the researchers, up to 83% lignin could be extracted from the raw material used. The pulp yield was therefore – depending on the parameter settings – up to 53%.

Jars and trays made from reed fibres

In tests, the Fraunhofer researchers were able to prove that the ‘flat, fibre-cast papers’ made from paludiculture produced in the project can be processed well and are suitable for processes such as folding, gluing and printing. The team reports that the papers also impressed in terms of tensile strength and elasticity as well as their water-repellent properties. The project has already produced the first stable paper jars and trays from reed fibres using fibre casting and deep-drawing processes, ‘without the use of additives’.

The results have still only been achieved on a laboratory scale. But the potential is becoming apparent: ‘After harvesting the peatland plants, the biomass obtained could be further processed on an industrial scale in the pulp factory. Pulp would then be produced there by breaking down the plant fibres,’ explains the project manager.

The PALUDI team wants to further optimise the fibre disintegration process before it is used in industry. The first step will be to produce packaging for the non-food sector, such as cosmetics, logistics and office materials.

Contribution to environmental and peatland protection

‘The potential of peatland plants for the production of innovative, bio-based packaging is huge, as we have been able to demonstrate with our successful development of resource-saving processes for pulp production,’ summarises Fabian Kayatz, emphasising that the continued existence of peatlands is also supported by rewetting agricultural land and using it for paludiculture.

Der Bodenpilz Mortierella alpina ist in der Biotechnologie kein Unbekannter: Er wird bereits genutzt, um langkettige Fettsäuren herzustellen, die als Nahrungsergänzung beispielsweise für Babynahrung dient. Jenaer Forschende berichten nun, dass der Bodenpilz auch der Schlüssel zu einer nachhaltigen Landwirtschaft sein könnte. Im Rahmen einer Studie hat ein Team um Hannah Büttner vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI) mit Forschenden vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien die Wirkweise des Bodenorganismus genauer untersucht und nun erstmals näher beschrieben.

Molekularer Wirkmechanismus der Malpinine aufgeklärt

Bekannt ist, dass der Pilz bioaktive Moleküle namens Malpinine produziert, mit denen er sich auf natürliche Weise gegen im Boden lebende Fressfeinde wie Fadenwürmer verteidigt. Der molekulare Wirkmechanismus dahinter war bisher unbekannt und kann nun erstmals nachvollzogen werden. Die Forschenden hatten dafür die Wirkung der Malpinine an Modell-Nematoden untersucht. Mithilfe bildgebender Verfahren wie Fluoreszenzmikroskopie und Raman-Spektroskopie gelang es eigenen Angaben zufolge, die Naturstoffe live in den Fadenwürmern – auch Nematoden genannt – zu verfolgen.

„Wir konnten beobachten, wie sich die Malpinine gezielt im Verdauungstrakt der Würmer ansammeln“, erläutert die Erstautorin der Studie Hannah Büttner vom Leibniz-HKI. „Die Nematoden starben aber nicht sofort, sondern stellten die Nahrungsaufnahme ein. Dies führte schließlich zu einer zwar langsamen, aber effektiven Kontrolle der Würmer.“

Aminosäure Dehydrobutyrin tötet Fadenwürmer

Wie das Team im Journal of the American Chemical Society berichtet, ist es die „ungewöhnliche Aminosäure Dehydrobutyrin“, die maßgeblich für die wurmtötende Wirkung der Malpinine verantwortlich ist. „Dehydrobutyrin besitzt eine reaktive Doppelbindung und könnte deshalb Reaktionen mit Molekülen eingehen, die für die Funktion des Nematodendarms essenziell sind“, erklärt Co-Autor Johannes Raßbach vom Institut für Pharmazie der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

In Folge dieser Reaktionen könnten etwa wichtige enzymatische Prozesse im Verdauungstrakt der Schädlinge gestört oder die Membranstruktur beeinträchtigt werden. Versuche der Forschenden haben demnach gezeigt, dass „Varianten der Malpinine, bei denen die Aminosäure durch eine weniger reaktive Struktur ersetzt wurde, ihre Wirkung komplett verloren“. „Dies weist darauf hin, dass genau diese Struktur für die biologische Aktivität unerlässlich ist. Ohne sie ist die Verbindung wirkungslos“, sagt Raßbach.

Pestizide in der Landwirtschaft ersetzen

Die Jenaer Forschungsgruppe ist daher überzeugt, dass Mortierella alpina aufgrund seiner bioaktiven Moleküle die Landwirtschaft nachhaltiger machen und herkömmliche Pestizide im Kampf gegen Fadenwürmer ersetzen kann. Bis zu einem Einsatz als natürlicher Schädlingsbekämpfer müsse der Bodenpilz allerdings noch weiter erforscht werden, heißt es.

Die Studie wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereiches „ChemBioSys“ und des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt.

The soil fungus Mortierella alpina is no stranger to biotechnology: It is already being used to produce long-chain fatty acids, which are used as food supplements for baby food, for example. Researchers from Jena now report that the soil fungus could also be the key to sustainable agriculture. As part of a study, a team led by Hannah Büttner from the Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology – Hans Knöll Institute (Leibniz-HKI) and researchers from the Leibniz Institute of Photonic Technology have investigated the mode of action of the soil organism in more detail and have now described it for the first time.

Molecular mechanism of action of malpinins elucidated

It is known that the fungus produces bioactive molecules called malpinins, with which it naturally defends itself against predators living in the soil, such as nematodes. The molecular mechanism of action behind this was previously unknown and can now be understood for the first time. The researchers investigated the effect of malpinins on model nematodes. Using imaging techniques such as fluorescence microscopy and Raman spectroscopy, they were able to track the natural substances live in the nematodes.

‘We were able to observe how the malpinins accumulate specifically in the digestive tract of the worms,’ explains the first author of the study Hannah Büttner from the Leibniz-HKI. ‘However, the nematodes did not die immediately, but stopped feeding. This ultimately led to a slow but effective control of the worms.’

Amino acid dehydrobutyrin kills nematodes

As the team reports in the Journal of the American Chemical Society, it is the ‘unusual amino acid dehydrobutyrin’ that is largely responsible for the worm-killing effect of malpinins. ‘Dehydrobutyrin has a reactive double bond and could therefore enter into reactions with molecules that are essential for the function of the nematode intestine,’ explains co-author Johannes Raßbach from the Institute of Pharmacy at Friedrich Schiller University Jena.

As a result of these reactions, important enzymatic processes in the digestive tract of the pests could be disrupted or the membrane structure impaired. According to the researchers, experiments have shown that ‘variants of malpinins in which the amino acid was replaced by a less reactive structure completely lost their effect’. ‘This indicates that precisely this structure is essential for biological activity. Without it, the compound is ineffective,’ says Raßbach.

Replacing pesticides in agriculture

The Jena research group is therefore convinced that Mortierella alpina's bioactive molecules can make agriculture more sustainable and replace conventional pesticides in the fight against nematodes. However, further research into the soil fungus is needed before it can be used as a natural pest control agent.

The study was carried out as part of the ‘ChemBioSys’ Collaborative Research Centre and the ‘Balance of the Microverse’ Cluster of Excellence at Friedrich Schiller University Jena.

In der holzverarbeitenden Industrie fallen große Mengen Holzabfälle an, die bisher entweder kostenintensiv entsorgt oder energetisch genutzt werden. So darf mit Holzschutzmitteln behandeltes Altholz derzeit nur in speziellen Großkraftwerken verbrannt werden, da die Abluft von den gesundheitsschädlichen Substanzen gereinigt werden muss. Im Projekt „H2Wood – BlackForest“ haben Fraunhofer-Forschende und ihre Partner für die stark von Holzverarbeitung geprägte Region Schwarzwald nun gezielt nach alternativen Nutzungsmöglichkeiten für Holzabfälle gesucht.

Biowasserstoffproduktion aus Holzabfällen

Im Fokus stand die Nutzung von regionalem Rest- und Altholz zur biotechnologischen Erzeugung von grünem Wasserstoff und anderen biobasierten Stoffen wie Lignin oder Carotinoide. Dafür wurden in dem seit 2021 laufenden Projekt eigens zwei miteinander verknüpfte Fermentationsverfahren mit wasserstoffproduzierenden Bakterien und Mikroalgen etabliert.

Lignin als Koppelprodukt gewonnen

Holzabfälle wie alte Paletten oder Gartenzäune wurden hierfür zunächst in einem Ethanol-Wasser-Gemisch unter hohem Druck in ihre Grundbestandteile wie Lignin, Cellulose und Hemicellulose zerlegt. Außerdem wurden Störstoffe aus Klebstoffen und Lacken von den Holzfasern getrennt. „Bei der Fraktionierung des Holzes werden die Holzfasern von Lignin befreit, das neben Cellulose und Hemicellulose 20 % bis 30 % der Holzzellwandsubstanz bildet. Dieses Lignin, als eines der Koppelprodukte, ist vielseitig einsetzbar – etwa in Verbundwerkstoffen. Ein Anwendungsbeispiel sind Verschalungen im Auto“, sagt Ursula Schließmann, Projektkoordinatorin und stellvertretende Institutsleiterin am Fraunhofer IGB in Stuttgart.

CO₂ als Nahrungsquelle für Bakterien und Mikroalgen

Die in der Holzfaserfraktion enthaltene Cellulose wurde den Forschenden zufolge dann in einzelne Zuckermoleküle wie Glucose gespalten. Mit der Glucose wurden dann Bakterien im Fermenter gefüttert, wo diese Wasserstoff und CO₂ produzierten. Das aus dem Gasgemisch abgetrennte Kohlendioxid wurde den Forschenden zufolge wiederum genutzt, um Mikroalgen im Photobioreaktor zu vermehren.

„Die Stoffwechselprodukte der Bakterien, also der vermeintliche Abfallstrom CO₂, stellt also die Nahrung für die Mikroalgen dar und geht nicht als schädliches Klimagas in die Abluft“, erklärt die Projektkoordinatorin. „Die Mikroalgen synthetisieren daraus unter Lichteinfluss Carotinoide beziehungsweise Pigmente als weitere, von unterschiedlichen Industriebranchen verwertbare Koppelprodukte“. In einem weiteren Schritt seien die Mikroalgen in einen speziell dafür entwickelten Reaktor überführt worden, in dem sie mittels direkter Photolyse Wasserstoff freisetzen, heißt es.

The wood-processing industry produces large quantities of wood waste, which until now has either been disposed of at great expense or utilised for energy. Waste wood treated with wood preservatives can currently only be incinerated in special large-scale power plants, as the exhaust air has to be cleaned of the harmful substances. In the ‘H2Wood – BlackForest’ project, Fraunhofer researchers and their partners have now specifically sought alternative uses for wood waste in the Black Forest region, which is heavily characterised by wood processing.

Biohydrogen production from wood waste

The focus was on the use of regional residual and waste wood for the biotechnological production of green hydrogen and other bio-based substances such as lignin or carotenoids. Two linked fermentation processes with hydrogen-producing bacteria and microalgae were established specifically for this purpose in the project, which has been running since 2021.

Lignin obtained as a by-product

Wood waste such as old pallets or garden fences were first broken down into their basic components such as lignin, cellulose and hemicellulose in an ethanol-water mixture under high pressure. In addition, impurities from adhesives and varnishes were separated from the wood fibres. ‘When the wood is fractionated, the wood fibres are freed from lignin, which forms 20 % to 30 % of the wood cell wall substance alongside cellulose and hemicellulose. This lignin, as one of the by-products, can be used in a variety of ways – for example in composite materials. One application example is car panelling,’ says Ursula Schließmann, project coordinator and deputy institute director at the Fraunhofer IGB in Stuttgart.

CO₂ as a food source for bacteria and microalgae

According to the researchers, the cellulose contained in the wood fibre fraction was then broken down into individual sugar molecules such as glucose. The glucose was then fed to bacteria in the fermenter, where they produced hydrogen and CO₂. According to the researchers, the carbon dioxide separated from the gas mixture was in turn used to propagate microalgae in the photobioreactor.

‘The metabolic products of the bacteria, i.e. the supposed CO₂ waste stream, are therefore food for the microalgae and are not released into the exhaust air as a harmful greenhouse gas,’ explains the project coordinator. ‘The microalgae synthesise carotenoids or pigments from this under the influence of light as further by-products that can be utilised by various industrial sectors.’ In a further step, the microalgae were transferred to a specially developed reactor in which they release hydrogen by means of direct photolysis.

Das interdisziplinäre Fachgremium Think Tank Zukunftsorientierte Bioökonomie will als „Sprachrohr“ die Bioökonomie in Deutschland weiter voranbringen und der Politik mit Empfehlungen zur Seite stehen. Im Vorfeld der Bundestagswahl im Februar macht sich die neu gegründete Initiative in einem Positionspapier für eine Weiterentwicklung der Bioökonomie in Deutschland stark und fordert von der künftigen Bundesregierung ein „entschlossenes Handeln“, um „Deutschlands Wirtschaft nachhaltiger, resilienter und zukunftsfähiger zu machen“. Zu den Mitgliedern des Fachgremiums gehören unter anderem ehemalige Mitglieder der Bioökonomieräte der Bundesregierung sowie der Bioökonomie-Länderinitiativen.

Acht Forderungen für eine starke Bioökonomie in Deutschland

„Wer die Bioökonomie stärkt, stärkt den Wirtschaftsstandort Deutschland“, lautet die Botschaft der Initiative. Die Bioökonomie sei ein wichtiger Schlüssel, um die Wirtschaft zukunftsfähig und nachhaltig zu gestalten, und liefere die Antwort auf globale Herausforderungen wie Klimawandel, Ressourcenknappheit und den Rückgang der Biodiversität, betonen die beiden Hauptinitiatorinnen des Positionspapiers und ehemaligen Vorsitzenden des Bioökonomierates, Iris Lewandowski von der Universität Hohenheim in Stuttgart und Daniela Thrän vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. „Deutschland muss jetzt handeln, um seine internationale Führungsrolle zu behaupten und die Weichen für kommende Generationen zu stellen.“

Mit dem Positionspapier will das Gremium Impulse für die kommende Bundestagswahl setzen. Es fordert von der Politik eine „klare politische Weichenstellung zugunsten der Bioökonomie“ und formuliert acht Maßnahmen, wie die Transformation gelingen kann.

Wettbewerbsfähigkeit stärken und Innovationen fördern

So fordert die Initiative, die Wettbewerbsfähigkeit und Resilienz durch bioökonomische Lösungen zu stärken, entsprechende Innovationen zu fördern, faire Marktbedingungen zu schaffen, um nachhaltige Produkte nicht zu benachteiligen sowie durch widerstandsfähige Pflanzensorten und innovative landwirtschaftliche Verfahren die Ernährungssicherheit zu stärken.

Bioinspirierte Lösungen nutzen und Kreislaufwirtschaft etablieren

Im Weiteren verweisen die sechs Autorinnen und Autoren auf die Vorteile natürlicher Prozesse, die ihrer Ansicht nach kostengünstige und ökologische Ansätze zur Förderung von Biodiversität und Klimaschutz bieten. Neben der Nutzung von der Natur inspirierter Lösungen müsse eine zirkuläre und nachhaltige Wirtschaft gefördert werden, um eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren, heißt es. „Nach dem Vorbild der Natur sollten Abfälle gar nicht erst entstehen und alle Stoffströme geschlossen werden. Die Bioökonomie fördert eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft, indem biogene und auch nicht biogene Abfälle und Reststoffe in hochwertige Materialien, wie beispielsweise Bioplastik, Chemikalien oder Düngemittel umwandelt werden. Aus einer linearen wird damit eine zirkuläre und nachhaltige Wirtschaft“, erklärt Markus Wolperdinger, Mitautor und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

Um das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) fixieren und für den Aufbau von Biomasse nutzen zu können, ist eine effiziente Katalyse notwendig. Hierfür lassen sich sowohl die Elektro- als auch die Biokatalyse einsetzen, die ihre jeweiligen Vor- und Nachteile haben. Die Biokatalyse etwa stellt selektiv nur ein Produkt her, ist jedoch viel empfindlicher als die Elektrokatalyse. Mit hybriden Katalysatoren könnten sich die Vorteile beider Verfahren nutzen lassen.

Neue Katalyse für die Methanolgewinnung

Einem Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum und der Universidade Nova de Lisboa in Portugal ist es nun gelungen, solch eine hybride Katalyse zu entwickeln. Im Fachjournal „Angewandte Chemie“ beschreibt es seinen Ansatz zur Herstellung von Methanol aus CO₂.

Methanol ist ein wertvoller Syntheserohstoff in der chemischen Industrie, der auch als Lösungsmittel und Treibstoff Verwendung findet. Ganz einfach lässt sich Methanol allerdings nicht erzeugen. „Um zu Methanol zu gelangen, braucht es viele Schritte der Reduktion, denn Kohlenstoffdioxid ist die höchstoxidierte Form des Kohlenstoffs“, erklärt der leitende Autor der Studie, Wolfgang Schuhmann.

Enzyme gewährleisten Selektivität

Um diese Schritte in die richtige Bahn zu lenken, kombinierten die Forschenden die Elektro- und Biokatalyse. Der erste Reaktionsschritt in der hybriden Katalysekaskade von CO₂ zu Formiat (Ameisensäure) läuft an der Gasdiffusions-Elektrode elektrokatalytisch ab. In den weiteren Schritten ist der verwendete Silber-Bismutoxid-Katalysator allerdings nicht selektiv genug. Bis zu 16 Produkte können neben Methanol entstehen.

Deshalb übernimmt der Biokatalysator die weiteren Schritte. Um die empfindlichen Enzyme Formaldehyd-Dehydrogenase und Alkohol-Dehydrogenase zu stabilisieren, haben die Forschenden sie in eine Polymermatrix eingebettet. So wurde Formiat schrittweise in Formaldehyd und schließlich Methanol umgewandelt.

Diese Enzyme können den Forschenden zufolge zwar genau diese Reaktion katalysieren und nur Methanol als Endprodukt liefern. Allerdings benötigen sie als Kofaktor für die Reaktion NAD (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid). Ein drittes Enzym, die Diaphorase, wird daher eingesetzt, um die verbrauchten Kofaktoren zu reduzieren und somit zu regenerieren.

Machbarkeitsnachweis für hybride Katalyse

Der hybride Enzym-Elektrokatalysator soll das weltweit erste Beispiel für eine hybride Reaktionskaskade unter Verwendung einer Gasdiffusions-Elektrode darstellen. „Die Arbeit belegt, dass solche hybriden Kaskaden prinzipiell möglich sind und komplexe, vielschrittige Reaktionen selektiv möglich machen“, erklärt Schuhmann.

Weitere Arbeiten zur Optimierung der Katalyse werden bis Ende 2025 im Projekt „Catalytic cascade reactions“ durch das Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert.

Traditionell zum Jahresauftakt lädt das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) zu Beginn der Grünen Woche zur Welternährungskonferenz nach Berlin. Rund 2.000 Vertreter aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft diskutierten in diesem Jahr vom 15. bis 18. Januar im CityCube wieder über globale Fragen der Agrar- und Ernährungspolitik. Im Fokus der nunmehr 17. Auflage des Global Forum for Food and Agriculture (GFFA) steht das Thema „Bioökonomie nachhaltig gestalten“.

Nachhaltige Bioökonomie fair gestalten

„Eine nachhaltige, zirkuläre Bioökonomie schützt Ressourcen, trägt zum Kampf gegen die Klimakrise bei, stärkt die Ernährungssicherung und eröffnet neue Einkommensmöglichkeiten“, so Bundesminister für Ernährung und Landwirtschaft, Cem Özdemir. „Damit dies gelingt, müssen wir den Wandel gemeinsam und in internationaler Zusammenarbeit gestalten. Deshalb möchte ich das GFFA für einen konstruktiven Austausch mit den Agrarministerinnen und -ministern weltweit nutzen – mit dem Ziel, eine nachhaltige Bioökonomie zu gestalten.“ Darüber hinaus kann die Bioökonomie zum Erreichen von 11 der insgesamt 17 Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen (SDG) beitragen.

Im Rahmen des dreitägigen Treffens haben die Teilnehmenden in verschiedenen Sessions darüber diskutiert, wie der Ausbau einer kreislauffähigen Bioökonomie beschleunigt werden kann. Das Ziel: die Ernährungssicherheit stärken, die Klimakrise bekämpfen und Innovationen fördern. Zugleich sollen Rahmenbedingungen geschaffen werden, um eine nachhaltige Bioökonomie fair zu gestalten. Die Diskussionsrunden fokussierten vier zentrale Themen der Bioökonomie, um die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten.

Biomasse nachhaltig erzeugen und nutzen

Roh- und Reststoffe aus Land- und Forstwirtschaft oder Aquakultur sowie Mikroorganismen und Insekten dienen der Bioökonomie weltweit als Grundlage zur Entwicklung und Herstellung neuer nachhaltiger Produkte und Verfahren. Beim Thema „Biomasse nachhaltig erzeugen – Zielkonflikte lösen“ geht es beim GFFA um eine nachhaltige Biomassenutzung, die Grundlage für eine zukunftsfähige Bioökonomie ist. Anhand verschiedener Beispiele will die Konferenz das Verständnis dafür verbessern und eine „Einigung auf gemeinsame Grundprinzipien anstreben“.

Beim Thema „Biomasse nachhaltig nutzen – Welternährung sichern“ geht es darum, wie Rohstoffeinsparung und Abfallvermeidung zu einem effizienten und verantwortungsbewussten Umgang mit den natürlichen Ressourcen führen können. Im Rahmen der Sessions wurde anhand konkreter Beispiele erörtert, wie Stoffkreisläufe in der Bioökonomie geschlossen werden können, wie das Kaskadenprinzip effektiv genutzt werden kann und wie Lebensmittelverluste und -verschwendung reduziert werden können.

Innovationen fördern und faire Rahmenbedingungen schaffen

Forschung und Innovation gelten als Treiber der Bioökonomie. Mithilfe biologischer Verfahren kann schon heute der Einsatz chemischer Pflanzenschutzmittel oder von Pestiziden reduziert oder die Produktion von Lebensmitteln und Textilien nachhaltiger werden. Solche innovativen Anwendungen seien trotz ihres großen Potenzials noch nicht in der breiten Praxis angekommen, heißt es. Beim Thema „Innovationen stärken – Kommunikation fördern“, wollen die Teilnehmenden der Welternährungskonferenz voneinander lernen und darüber diskutieren, wie der Wissensaustausch auf diesem Gebiet gefördert und welche Hürden dafür überwunden werden müssen.

Mit dem zunehmenden Einsatz biogener Roh- und Reststoffe wie Stroh, Grünschnitt oder Holz müssen auch neue Wertschöpfungsketten etabliert und dafür sozial, ökologisch und ökonomisch gerechte Rahmenbedingungen geschaffen werden. Wie das gelingen kann, wurde beim Thema „Faire Rahmenbedingungen gestalten – den Wandel nutzen“ debattiert.