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Kann Künstliche Intelligenz helfen, Landwirtschaft produktiver, nachhaltiger und kostengünstiger zu gestalten? Diese Frage steht im Mittelpunkt des neuen KI-Reallabor Agrar (RLA), das am 17. Oktober offiziell seine Arbeit aufnahm. Gemeinsam mit sieben Partnern widmet sich das Forschungsteam unter Leitung der Universität Osnabrück der Entwicklung intelligenter Technologien für eine resiliente Agrar- und Ernährungswirtschaft.

Osnabrück erhält mit FieldLab Agrar Versuchsstation

Ein zentraler Baustein ist das geplante FieldLab Agrar, ein agrartechnischer Versuchshof, der im kommenden Jahr in der Region Osnabrück entstehen soll. Dort werden neue Technologien – etwa teilautomatisierte Landmaschinen oder nachrüstbare Systeme – praktisch getestet und wissenschaftlich begleitet. „Wir wollen in einem ersten Schritt hier als einen Arbeitsschwerpunkt teilautomatisierte Technik testen und dabei auch die wirtschaftlichen Komponenten im Blick behalten“, erläutert Tim Römer vom Institut für Mathematik der Uni Osnabrück.

„Mit dem neuen KI-Reallabor Agrar setzen wir Maßstäbe“, betonte Susanne Menzel-Riedl, Präsidentin der Universität Osnabrück, bei der Auftaktveranstaltung. Angesichts von Klimawandel, steigenden Produktionskosten und Fachkräftemangel brauche es innovative Lösungen, die verschiedene wissenschaftliche Perspektiven vereinen. Ziel des Reallabors ist es, KI-Anwendungen direkt in die landwirtschaftliche Praxis zu überführen und zugleich ökonomische und rechtliche Aspekte mitzudenken.

Das KI-Reallabor Agrar versteht sich als Plattform, die Wissenschaft, Praxis und Bildung eng miteinander verknüpft. So sollen Unternehmen, Berufsschulen und Lehrkräfte in den Forschungs- und Entwicklungsprozess einbezogen werden. Neben technischen und agrarwissenschaftlichen Fachkräften sucht das Reallabor auch Juristinnen und Juristen, um den rechtlichen Rahmen für den Einsatz von KI und Robotik in der Landwirtschaft weiterzuentwickeln.

Beitrag zur Zukunftsfähigkeit der Landwirtschaft

Mit diesem umfassenden Ansatz will das KI-Reallabor Agrar einen wichtigen Beitrag zur Zukunftsfähigkeit der Landwirtschaft leisten. „Wir erhoffen uns Erkenntnisse, wie die Transformation hin zu einem nachhaltigen Agrar- und Ernährungssystem gelingen kann“, sagt Joachim Schachtner, Staatssekretär im niedersächsischen Wissenschaftsministerium.

Gefördert wird das auf fünf Jahre angelegte KI-Reallabor Agrar von der VolkswagenStiftung im Rahmen der Initiative zukunft.niedersachsen über das niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur mit insgesamt 18,9 Mio. Euro. Neben der Universität Osnabrück sind das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), die Hochschule Osnabrück, das Agrotech Valley Forum e.V., die Technische Universität Braunschweig, das Johann Heinrich von Thünen-Institut, das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. sowie das Netzwerk Ackerbau Niedersachsen e.V. beteiligt.

Can artificial intelligence help make agriculture more productive, sustainable and cost-effective? This question is the focus of the new AI Living Lab for Agriculture (RLA), which officially began its work on 17 October. Together with seven partners, the research team led by the University of Osnabrück is dedicated to developing intelligent technologies for a resilient agricultural and food industry.

Osnabrück gets FieldLab Agrar experimental station

A central component is the planned FieldLab Agrar, an agricultural experimental farm that is to be built in the Osnabrück region next year. There, new technologies – such as semi-automated agricultural machinery or retrofittable systems – will be tested in practice and scientifically monitored. ‘As a first step, we want to focus on testing semi-automated technology while also keeping an eye on the economic components,’ explains Tim Römer from the Institute of Mathematics at the University of Osnabrück.

‘We are setting new standards with the new AI Living Lab for Agriculture,’ emphasised Susanne Menzel-Riedl, President of the University of Osnabrück, at the launch event. In view of climate change, rising production costs and a shortage of skilled workers, innovative solutions are needed that combine different scientific perspectives. The aim of the Living Lab is to transfer AI applications directly into agricultural practice while also considering economic and legal aspects.

The AI Living Lab for Agriculture sees itself as a platform that closely links science, practice and education. The aim is to involve companies, vocational schools and teachers in the research and development process. In addition to technical and agricultural specialists, the Living Lab is also looking for lawyers to further develop the legal framework for the use of AI and robotics in agriculture.

Contributing to the future viability of agriculture

With this comprehensive approach, the AI Living Lab for Agriculture aims to make an important contribution to the future viability of agriculture. ‘We hope to gain insights into how the transformation to a sustainable agricultural and food system can be achieved,’ says Joachim Schachtner, State Secretary in the Lower Saxony Ministry of Science.

The five-year AI Living Lab for Agriculture is being funded by the Volkswagen Foundation as part of the zukunft.niedersachsen initiative via the Lower Saxony Ministry of Science and Culture with a total of €18.9 million. In addition to the University of Osnabrück, the German Research Centre for Artificial Intelligence (DFKI), Osnabrück University of Applied Sciences, Agrotech Valley Forum e.V., the Technical University of Braunschweig, the Johann Heinrich von Thünen Institute, the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy e.V. and the Lower Saxony Arable Farming Network e.V. are also involved.

Phosphor ist ein wichtiger Rohstoff für landwirtschaftliche Dünger, muss aber teuer importiert werden. Eine vielversprechende Rohstoffquelle ist Klärschlamm, der in den Kläranlagen der Kommunen und der Industrie jährlich in großen Mengen anfällt. Bislang wird diese Ressource jedoch kaum genutzt. Im Rahmen des Vorhabens R-Rhenania, das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert wurde, entstand ein Verfahren, das Klärschlamm in hochwertigen und schadstoffarmen Dünger umwandelt. Die erste Anlage, die dieses Verfahren nun großtechnisch einsetzt, hat am 16. Oktober im oberbayerischen Altenstadt ihre Arbeit aufgenommen.

Neuer Maßstab für Phosphorrückgewinnung

Der Betreiber der neuen Phosphorrecyclinganlage, die Emter GmbH, verarbeitet jährlich bis zu fünfzigtausend Tonnen getrockneten Klärschlamm und wandelt diesen in 15.000 Tonnen hochwirksamen Phosphatdünger um. „Die Kooperation mit der BAM hat es uns ermöglicht, ein innovatives Verfahren großtechnisch umzusetzen, das Maßstäbe für nachhaltige Klärschlammverwertung und Phosphorrückgewinnung setzt – und zeigt, wie aus Abfall ein wertvoller Rohstoff wird. Diese Implementierung ist für Kläranlagen und Kommunen eine kosteneffiziente Lösung, um die zukünftige Rückgewinnungspflicht zu erfüllen“, erklärt Johann Emter, Geschäftsführer der Emter GmbH.

Die R-Rhenania-Technologie basiert auf dem sogenannten AshDec-Verfahren, das von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelt und im Rahmen des gleichnamigen Projektes weiterentwickelt wurde. Dabei wird der entwässerte Klärschlamm vor der Trocknung mit Natriumcarbonat (Soda) oder anderen Alkali-Salzen gemischt. Während dieses Prozesses wird der schwer lösliche Phosphor in eine pflanzenverfügbare Form umgewandelt und flüchtige Schwermetalle wie Cadmium, Blei und Quecksilber werden entfernt und separat aufgereinigt. „Mit der hocheffizienten Technologie leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft und zur Sicherung der Phosphorversorgung in Deutschland. In enger Zusammenarbeit mit der Firma Emter ist es gelungen, die Erkenntnisse wissenschaftlicher Forschung direkt in die Anwendung zu überführen“, sagt Christian Adam (BAM), der das Projekt in den vergangenen Jahren begleitet hat.

Positive Düngewirkung nachgewiesen

Mit dem R-Rhenania-Verfahren steht erstmals eine Technologie zur Verfügung, um hochwirksame und schadstoffarme Düngemittel aus Klärschlamm in einem direkten Prozess herzustellen. Den Angaben nach soll der in Altenstadt produzierte Dünger künftig ausschließlich in Bayern verwertet werden. Die positive Wirkung des Recyclingdüngers – sowohl in Bezug auf die Pflanzenverfügbarkeit als auch die geringen Schadstoffgehalte – konnte bereits in Pflanzenversuchen bestätigt werden. Die notwendige Registrierung nach der EU-Chemikalienverordnung REACH soll noch in diesem Jahr abgeschlossen werden. Dann wäre der Weg für den Markteintritt frei. Eine Zulassung für den ökologischen Landbau werde vorbereitet, heißt es.

Tomaten haltbar machen oder Weizen gegen Hitzestress wappnen: Mit der Genschere CRISPR-Cas9 ist das schon heute möglich. Doch über die Chancen und Risiken neuer genomische Techniken – etwa für die Landwirtschaft – wird seit Jahren diskutiert. Auch die breite Öffentlichkeit steht solchen Innovationen skeptisch gegenüber. Das Diskursprojekt „Neuland betreten und gestalten“ will das ändern.

Gesellschaftlichen Dialog fördern

In dem vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderten Vorhaben, arbeiten Forschende und Studierende der Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle mit dem Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Hand in Hand. Das Projekt versteht sich als offene Diskursplattform (Agora). Es will innovative Technologien in der Pflanzenforschung mit gesellschaftlichem Dialog, Design und Partizipation mit Blick auf den bioökonomischen Wandel verbinden. Ziel ist es, den wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Diskurs auf dem Gebiet „als Treiber für Innovation und gesellschaftliche Teilhabe in den Lebenswissenschaften“ zu fördern und neue Wege der Zusammenarbeit und des interdisziplinären Austausches zu ebnen.

Betrachtet werden nicht nur die aktuellen Herausforderungen und Chancen des Genome Editings, sondern auch die Potenziale und Risiken neuer Technologien auf dem Gebiet der synthetischen Biologie, Biodiversität und Nachhaltigkeit. In den kommenden zwei Jahren will das Team gesellschaftlich relevante Anwendungsfelder identifizieren und diese in einem interdisziplinären Dialog kritisch beleuchten, reflektieren und weiterentwickeln.

Entwicklung neuer Diskurs-Formate als „Blaupause“

In „Neuland“ arbeiten Forschende, Designer und Designerinnen sowie Studierende aus den verschiedensten Bereichen in Formaten zusammen, „um visionäre Anwendungsszenarien zu entwickeln und diese mit unterschiedlichen Zielgruppen zu diskutieren und weiterzuentwickeln“. So sollen neue Werkzeuge geschaffen werden, die „komplexe Fragestellungen zu neuen Technologien und deren gesellschaftlichen Auswirkungen für die Öffentlichkeit zugänglich und diskussionsfähig machen“. Zugleich sollen die in „Neuland“ entwickelten Formate und Werkzeuge als „Blaupause“ für ähnliche interdisziplinäre Ansätze in Wissenschaft und Gesellschaft dienen.

Glykolat – auch Glycolsäure genannt – ist eine Basischemikalie und dient als Ausgangsstoff für die Herstellung von Konservierungsmitteln, Polymeren und Medikamenten. Bislang wird die Substanz aus fossilen, teils giftigen Rohstoffen gewonnen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden, der TU Chemnitz und der Universität Leipzig entwickeln im Projekt PhotoKon derzeit ein nachhaltiges Verfahren zur Glykolatgewinnung.

Mikroalge verwandelt CO₂ und Licht in Basischemikalie

Dabei setzt das interdisziplinäre Team auf die Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii, die mithilfe von KI-gestütztem Screening und gezielter Mutationszüchtung für industrielle Anwendungen optimiert wird, um aus CO₂ und Sonnenlicht die Basischemikalie zu produzieren. „Diese interdisziplinäre Herangehensweise ermöglicht es uns, die natürliche Photorespiration der Algen – normalerweise ein unerwünschter Nebeneffekt – gezielt für die Glykolatproduktion zu nutzen“, erläutert Severin Sasso von der Universität Leipzig.

KI identifiziert geeignete Mutanten aus den Algenkolonien

Das Fraunhofer FEP entwickelte dafür ein neuartiges Verfahren mit niederenergetischer Elektronenstrahlung, um Mutationen präzise zu steuern. Die Universität Leipzig konnte bereits zeigen, dass die photokatalytische Glykolatproduktion grundsätzlich funktioniert. Sie entwickelt ein innovatives pH-basiertes Screening-Verfahren, das Farbindikatoren auf Agarplatten nutzt, die sich durch die Glykolatausscheidung der Algenzellen verändern, und so besonders produktive Algenzellen identifiziert. An der TU Chemnitz werden die Mutanten mithilfe neu entwickelter robotergestützter Analysen und künstlicher Intelligenz automatisch ausgewertet und die vielversprechendsten Mutanten aus den Algenkolonien ausgewählt.

Umweltfreundliche Alternative zu fossilen Chemikalien

„Durch die Isolation vielversprechender Zellfabriken können sowohl die biologischen Grundlagen zur Wirkung ionisierender Strahlung auf die Zellen untersucht als auch die Skalierung in technischen Bioprozessen umgesetzt werden“, schreiben die Forschenden. Ihren Angaben nach könnte das neue Verfahren einen wichtigen Beitrag zu einer regionalen, nachhaltigen Bioökonomie leisten, indem es CO₂ als Rohstoffquelle nutzt und fossile Chemikalien durch umweltfreundliche Alternativen ersetzt.

Glycolate – also known as glycolic acid – is a basic chemical and serves as a starting material for the production of preservatives, polymers and medicines. Until now, the substance has been obtained from fossil raw materials, some of which are toxic. Researchers at the Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology (FEP) in Dresden, Chemnitz University of Technology and Leipzig University are currently developing a sustainable process for glycolate production as part of the PhotoKon project.

Microalgae convert CO₂ and light into basic chemicals

The interdisciplinary team is focusing on the microalgae Chlamydomonas reinhardtii, which is being optimised for industrial applications with the help of AI-supported screening and targeted mutation breeding in order to produce the basic chemical from CO₂ and sunlight. ‘This interdisciplinary approach enables us to specifically utilise the natural photorespiration of algae – normally an undesirable side effect – for glycolate production,’ explains Severin Sasso from the University of Leipzig.

AI identifies suitable mutants from the algae colonies

Fraunhofer FEP has developed a novel process using low-energy electron radiation to precisely control mutations. The University of Leipzig has already demonstrated that photocatalytic glycolate production works in principle. It is developing an innovative pH-based screening method that uses colour indicators on agar plates, which change as a result of glycolate excretion by the algae cells, thereby identifying particularly productive algae cells. At Chemnitz University of Technology, the mutants are automatically evaluated using newly developed robot-assisted analyses and artificial intelligence, and the most promising mutants are selected from the algae colonies.

Environmentally friendly alternative to fossil-based chemicals

‘By isolating promising cell factories, both the biological basis for the effect of ionising radiation on the cells can be investigated and scaling can be implemented in technical bioprocesses,’ the researchers write. According to them, the new process could make an important contribution to a regional, sustainable bioeconomy by using CO₂ as a raw material source and replacing fossil-based chemicals with environmentally friendly alternatives.

Der Ökolandbau ist eine klimafreundliche Form der Landwirtschaft. Hier wird bewusst auf den Einsatz von Pestiziden verzichtet. Stattdessen kommen organische Dünger und angepasste Fruchtfolgen zum Einsatz, die das Wachstum der Pflanzen fördern und sie vor Krankheiten schützen. Doch auch der ökologische Landbau hat unter den Folgen des Klimawandels wie Trockenheit und Hitze zu leiden. Eine neue Studie mit Beteiligung des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) bietet Öko-Betrieben eine Lösung, auch bei Trockenheit ausreichend Erträge zu erzielen und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

Pflanzenmischung gegen Trockenheit im Visier

Die Forschenden hatten untersucht, wie sich im Ökolandbau – insbesondere unter trockenen Bedingungen – verschiedene Pflanzenmischungen auf Erträge und die Stickstoffverteilung im Boden auswirken. „Gerade im Herbst, wenn die Pflanzen weniger Stickstoff aufnehmen, steigt das Risiko, dass Nitrat ausgewaschen wird“, erklärt Tsvetelina Krachunova, Erstautorin der Studie und Wissenschaftlerin am ZALF.

Kombination aus Luzerne und Spitzwegerich überzeugt

Die Feldversuche fanden im ökologisch bewirtschafteten Wasserschutzgebiet Canitz bei Leipzig statt. Hier zeigte sich: Die Kombination aus Luzerne und Spitzwegerich lieferte dort doppelt so viel Futtermasse wie herkömmliche Luzerne-Gras-Mischungen, etwa mit Wiesenschwingel. Die Pflanzenmischung sorgte gleichfalls dafür, dass weniger Nitrat in tiefere Bodenschichten und damit ins Grundwasser gelangte. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Agronomy Journal veröffentlicht.

Kombianbau für trockene Regionen geeignet

Der Grund: Spitzwegerich enthält natürliche Stoffe, die die Umwandlung von Ammonium zu Nitrat im Boden verlangsamen. Dadurch bleibt mehr Stickstoff in einer pflanzenverfügbaren Form erhalten und es wird weniger ausgewaschen. Der Studie zufolge kann der Mischanbau von Luzerne und Spitzwegerich einen wichtigen Beitrag zu einer klimaangepassten und umweltschonenden Landwirtschaft leisten – besonders in Regionen mit Wasserknappheit oder in Wasserschutzgebieten.

Für die Praxis empfehlen die Forschenden daher, Spitzwegerich gezielt und in angepasster Menge auszusäen. Etwa 100 keimfähige Samen pro Quadratmeter sind der Studie zufolge ausreichend, um eine ausgewogene Mischung zu erreichen und eine Überwucherung der Luzerne zu vermeiden.

Organic farming is a climate-friendly form of agriculture. It deliberately avoids the use of pesticides. Instead, organic fertilisers and adapted crop rotations are used to promote plant growth and protect them from disease. However, organic farming also suffers from the consequences of climate change, such as drought and heat. A new study involving the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF) offers organic farms a solution for achieving sufficient yields even in drought conditions while protecting the environment.

Plant mix to combat drought

Combination of alfalfa and ribwort plantain proves effective

The field trials took place in the ecologically managed Canitz water protection area near Leipzig. The results showed that the combination of alfalfa and ribwort plantain yielded twice as much feed mass as conventional alfalfa-grass mixtures, such as those containing meadow fescue. The plant mixture also ensured that less nitrate penetrated into deeper soil layers and thus into the groundwater. The results were published in the Agronomy Journal.

Combined cultivation suitable for dry regions

The reason: ribwort plantain contains natural substances that slow down the conversion of ammonium to nitrate in the soil. This means that more nitrogen remains in a form that is available to plants and less is washed out. According to the study, mixed cultivation of alfalfa and ribwort plantain can make an important contribution to climate-adapted and environmentally friendly agriculture – especially in regions with water shortages or in water protection areas.

In practice, the researchers therefore recommend sowing ribwort plantain in a targeted manner and in appropriate quantities. According to the study, around 100 germinable seeds per square metre are sufficient to achieve a balanced mixture and prevent alfalfa from becoming overgrown.

Ethylen ist einer der wichtigsten Ausgangsstoffe der chemischen Industrie und wird unter anderem zur Produktion zahlreicher Kunststoffe wie Polyethylen (PE) verwendet. Die Herstellung der Plattformchemikalien, die auf fossilen Rohstoffen basiert, verursacht jedoch große Mengen Treibhausgase. Forschende des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und der Technischen Universität Kaiserslautern sind nun einem bakteriellen Enzym auf die Spur gekommen, das der Schlüssel für eine nachhaltige Ethylen-Produktion sein könnte, ohne CO₂-Emissionen zu produzieren.

Struktur des Bakterienenzyms aufgeklärt

Vor einigen Jahren hatten Forschende im Bakterium Rhodospirillum rubrum das Enzym Methylthioalkan-Reduktase entdeckt, mit dessen Hilfe die Mikrobe unter sauerstofffreien Bedingungen Ethylen erzeugen konnte, ohne dass CO₂ entsteht. Wie der katalytische Mechanismus der sauerstofffreien Produktion in den sogenannten Metalloenzymen außerhalb von Zellen erfolgt, war bislang aber unklar. Unter Leitung des Marburger Max-Planck-Forschers Johannes Rebelein ist es jetzt gelungen, das Enzym Methylthioalkan-Reduktase aus dem Bakterium außerhalb der Zelle aufzureinigen und seine Struktur aufzuklären.

Ethylen-Produktion ohne CO₂-Freisetzung

Das Enzym produziert unter sauerstofffreien Bedingungen Ethylen, ohne CO₂ freizusetzen. Wie die Forschenden im Fachjournal Nature berichten, nutzt es dafür überraschenderweise große, komplexe Eisen-Schwefel-Cluster, wie man sie bisher nur aus den sogenannten Nitrogenasen kannte. „Das Enzym ist das erste Nicht-Nitrogenase-Enzym, von dem bekannt ist, dass es diese Metallcluster enthält“, erklärt Ana Lago-Maciel, Doktorandin und Erstautorin der Studie. Nitrogenasen sind die einzig bekannten Enzyme, die Stickstoff aus der Luft für biologische Prozesse nutzbar machen.

Vielseitiges Enzym mit großem Potenzial für Kunststoffproduktion

Der Studie zufolge kann das bakterielle Enzym neben Ethylen auch andere Kohlenwasserstoffe wie Ethan oder Methan bilden. Damit könnte es für biotechnologische Prozesse von großer Bedeutung sein. „Tatsächlich hat das Enzym eine bemerkenswerte Vielseitigkeit“, erklärt der Projektleiter Rebelein. Das Team sieht darin eine mögliche Grundlage für neue, CO₂-freie Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen. „Unsere Arbeit liefert die Grundlage, um diese Enzyme biotechnologisch zu zähmen und ihr Produktspektrum an unsere Bedürfnisse anzupassen“, so Rebelein.

Ethylene is one of the most important raw materials in the chemical industry and is used, among other things, in the production of numerous plastics such as polyethylene (PE). However, the production of platform chemicals based on fossil raw materials generates large amounts of greenhouse gases. Researchers at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg and the Technical University of Kaiserslautern have now discovered a bacterial enzyme that could be the key to sustainable ethylene production without CO₂ emissions.

Structure of the bacterial enzyme elucidated

Several years ago, researchers discovered the enzyme methylthioalkane reductase in the bacterium Rhodospirillum rubrum, which enabled the microbe to produce ethylene under oxygen-free conditions without generating CO₂. However, it was previously unclear how the catalytic mechanism of oxygen-free production in the so-called metalloenzymes outside cells works. Under the leadership of Marburg-based Max Planck researcher Johannes Rebelein, scientists have now succeeded in purifying the enzyme methylthioalkane reductase from the bacterium outside the cell and elucidating its structure.

Ethylene production without CO₂ release

Under oxygen-free conditions, the enzyme produces ethylene without releasing CO₂. As the researchers report in the journal Nature, it surprisingly uses large, complex iron-sulphur clusters for this purpose, which until now were only known to exist in nitrogenases. ‘The enzyme is the first non-nitrogenase enzyme known to contain these metal clusters,’ explains Ana Lago-Maciel, doctoral student and first author of the study. Nitrogenases are the only known enzymes that make nitrogen from the air usable for biological processes.

Versatile enzyme with great potential for plastic production

According to the study, the bacterial enzyme can form other hydrocarbons such as ethane or methane in addition to ethylene. This could make it very important for biotechnological processes. ‘In fact, the enzyme has remarkable versatility,’ explains project leader Rebelein. The team sees this as a possible basis for new, CO₂-free processes for the production of plastics. ‘Our work provides the basis for taming these enzymes biotechnologically and adapting their product range to our needs,’ says Rebelein.

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch den Boden als Ressource. Doch Klimawandel und intensive Landwirtschaft setzen Böden zunehmend unter Druck. Vor allem der übermäßige Einsatz von Düngemitteln führt zu einem Ungleichgewicht der Nährstoffe im Boden. So gehen wichtige Nährstoffe, die für Pflanzen und Bodenmikroben gleichermaßen essenziell sind, verloren und gelangen zum Beispiel in Form von Nitrat in Oberflächen- und Grundwasser und führen zu erhöhten Treibhausgasemissionen.

Mit der Fördermaßnahme BonaRes (Boden als nachhaltige Ressource) unterstützte das Bundesforschungsministerium zwischen 2015 und 2025 Forschungsverbünde wie das Projekt INPLAMINT. Hier gingen Forschende der Frage nach, wie die Nährstoffeffizienz im Boden optimiert und gleichzeitig die Produktion lebenswichtiger Nahrungspflanzen verbessert werden kann. Im Fokus des Projekts standen die Optimierung der Interaktion von Pflanzen, Boden und Mikroorganismen zur Steigerung der Nährstoffeffizienz und die Entwicklung von hieraus abgeleiteten neuen Anbaustrategien. Das Vorhaben mit insgesamt sechs Partnern, wurde vom Forschungszentrum Jülich koordiniert und in seiner 3. Förderphase von Juni 2021 bis Mai 2024 im Rahmen der Fördermaßnahme BonaRes mit insgesamt 458.254,00 Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, jetzt Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt, BMFTR) gefördert.

„Wir haben in der Landwirtschaft noch immer das Problem, dass große Mengen Stickstoff verloren gehen, trotz aller bisherigen Reduktionsbemühungen“, sagt Projektkoordinator Nicolas Brüggemann. „Die Düngegaben weiter zu reduzieren, wird das Problem des Stickstoff-Verlustes aber nicht lösen, da auch die Bewirtschaftung des Bodens dazu führt, dass Stickstoff mobilisiert wird.“

Mit Mikroben Stickstoffbindung verbessern

Durch die Bewirtschaftung der Äcker wird der Boden gestört und damit auch der natürliche Kreislauf von Nährstoffaufnahme und -abgabe zwischen Pflanzen und Bodenmikroben. Da beide Akteure Nährstoffe zum Wachsen benötigen, konkurrieren sie um die verfügbaren Mengen. In der 3. Projektphase hat das Forschungsteam um Brüggemann untersucht, wie Stickstoff mit Blick auf die klimabedingt immer häufiger auftretende Frühjahrstrockenheit langfristig über den Winter im Boden gebunden und damit für Pflanzen im Frühjahr verfügbar gemacht werden kann.

Ihr Ansatz: Mikroorganismen durch die Zugabe von kohlenstoffhaltigen Substraten dazu stimulieren, dass sie möglichst viel und lange Stickstoff binden. „So kann man Mikroorganismen in den Dienst der Landwirtschaft stellen“, betont Brüggemann. Das Prinzip: Man gibt Mikroben im Herbst, wenn zu viel Stickstoff im Boden ist, beispielsweise Weizenstroh als Futter. „Die Cellulose darin enthält Kohlenstoff, der für die Organismen leicht abbaubar ist. Um ihre eigene Biomasse aufzubauen, müssen sie dann den Stickstoff aus dem Boden aufnehmen.“

Moore spielen eine entscheidende Rolle im Klimaschutz, da sie fast doppelt so viel Kohlenstoff binden wie alle Wälder der Erde zusammen. In Deutschland liegt der Anteil intakter Moore bei etwa 5,3 %. Doch das Gros ist entwässert, sodass große Mengen Treibhausgase freigesetzt werden. Mit 53 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalenten tragen entwässerte Moore rund 7 % zu den jährlichen Emissionen Deutschlands bei.

115 Messstationen liefern Daten zu Moorböden

In den vergangenen fünf Jahren haben Forschende des Thünen-Instituts ein bundesweites Netzwerk zum Monitoring für Moorböden aufgebaut. Mit insgesamt 118 Monitoringflächen im offenen Land und 37 weiteren im Wald soll das sogenannte Moorboden-Monitoring (MoMoK) künftig ein einheitliches Bild über den Zustand der Moorböden liefern, sodass auch Maßnahmen zur Wiedervernässung besser bewertet werden können.

Die 155 Messstationen liefern Daten über Zustand, Nutzung und Treibhausgas-Emissionen der deutschen Moore. Erfasst werden unter anderem Kohlenstoffvorräte, Wasserstände und Vegetation. „Wir nehmen die Kohlenstoffvorräte und die Geländehöhen auf. Sie sind die Grundlage für die Bewertung verschiedener Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgas-Emissionen“, erläutert Stefan Frank vom Thünen-Institut für Agrarklimaschutz in Braunschweig. Zudem würden Wasserstände, Vegetation und das Management erfasst, weil darüber der Kohlenstoffhaushalt des Moorbodens gesteuert werde.

Auch Treibhausgas-Emissionen bewaldeter Moore im Blick

In das Monitoring wurden erstmals auch bewaldete Moore einbezogen. In Deutschland stehen demnach 2,4 % aller Wälder auf Moorböden. Zwei Intensivmess-Standorte zeichnen nun rund um die Uhr Kohlendioxid-, Methan- und Stickstoff-Emissionen auf. Bisherige Messungen zeigen, dass Fichten und Erlen den meisten Kohlenstoff speichern. 1.242 Tonnen CO₂ pro Hektar werden den Forschenden zufolge hierzulande allein in den Böden bewaldeter Moore gespeichert. Böden im sogenannten Offenland binden demnach 1.066 Tonnen CO₂ pro Hektar.

Maßnahmen zum Moorschutz gezielt steuern

Insgesamt enthalten Deutschlands Moorböden mindestens 1,6 Milliarden Tonnen organischen Kohlenstoff, berichten die Forschenden. Das sei mehr als die gesamte ober- und unterirdische Biomasse aller Wälder des Landes. Die Ergebnisse des Projektes MoMoK zeigen einmal mehr, wie wichtig Moorböden für den Klimaschutz sind. Das neue Monitoring soll künftig helfen, Maßnahmen zum Schutz und zur Wiedervernässung der Moore noch gezielter zu steuern.

Klebstoffe müssen in der Industrie höchste Anforderungen erfüllen. Sie müssen schnell aushärten, aber auch feuchtigkeits- und hitzebeständig sein. Doch herkömmliche Verbindungen bestehen in der Regel aus fossilen Rohstoffen, die Mensch und Umwelt schaden können. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt haben nun biobasierte Harzkomponenten entwickelt. Sie bestehen aus Celluloseester und können in der Industrie vielfältig eingesetzt werden, etwa als Reaktivharze im Bauwesen, aber auch als LED-lichthärtende industrielle Hochleistungsklebstoffe.

Celluloseester aus Baumwolle und Holzabfällen

Harze sind ein wesentlicher Bestandteil von Klebstoffen, Lacken oder Beschichtungen. Zur Herstellung einer biobasierten Alternative untersuchten die Forschenden unterschiedliche Celluloseester etwa mit flammwidrigen, phosphorhaltigen, auf Zuckeralkoholen basierenden Gruppen sowie Ester, die neben Acrylat- auch Diacrylatgruppen enthielten. Als Rohstoffe dienten ihnen Baumwolle, aber auch Holzzellstoff, der aus Holzabfällen gewonnen wird. Zur Herstellung der cellulosebasierten Methacrylate wurde zudem ein am Fraunhofer LBF neu entwickelter Syntheseweg angepasst, wobei neu identifizierte, hochaktive Katalysatoren zur Veresterung zum Einsatz kamen.

Biobasierte Harze bestehen Anwendungstest

Erste Anwendungstests bei Industriepartnern verliefen den Forschenden zufolge erfolgreich: Der Projektpartner, der Bauausrüster Hilti, prüfte die Cellulosemethacrylate beispielsweise in Reaktionsdübelmassen. Das Reaktivharz erfüllte hier alle Anforderungen hinsichtlich Hydrolysestabilität und überzeugte auch mit einer verbesserten Zähflüssigkeit. Auch als Verdickungsmittel sei das biobasierte Material geeignet, heißt.

Die Celluloseacrylate wurden wiederum beim Projektpartner Hoenle Adhesive Systems als LED-lichthärtende Klebstoffe für Elektronik-Anwendungen getestet. Das Material ließ sich demnach nicht nur gut mit bestimmten Reaktivverdünnern mischen. Es erzeugte klare, harte und fest haftende Schichten auf Glas sowie verschiedenen Kunststoffen, die ebenfalls gute Eigenschaften bei Viskosität und eine hohe Glasübergangstemperatur aufwiesen.

Großes Potenzial für weitere industrielle Anwendungen

Der Einsatz von Celluloseestern in Klebstoffen und Harzen wurde vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH) gefördert. Nach Angaben der Forschenden sind die Celluloseacrylate für Industrieklebstoffe im Elektronikbereich bereits marktreif. Sie sind aber auch zur Herstellung von Lacken, Holzbeschichtungen und Flammschutzsystemen geeignet.

Land ist eine knappe und teure Ressource. Ganz gleich, ob in der Stadt oder auf dem Land: Bei der Flächennutzung gehen die Interessen oft weit auseinander, da die Ansprüche vom Artenschutz über die Lebensmittelerzeugung bis hin zu Erholung reichen. Hinzu kommt, dass die Praktiken der konventionellen Landwirtschaft globale Krisen wie Biodiversitätsverlust, Klimawandel und Unsicherheiten bei der Ernährungssicherung verschärfen. Eine Lösung könnten multifunktionale Landschaften sei, wie Forschende der Universitäten Göttingen und Kassel in einer aktuellen Studie zeigen.

Darin wurde untersucht, wie solche Formen der Landnutzung den Naturschutz und die Wiederherstellung von Ökosystemen fördern können. Das Team analysierte dafür Konzepte und Praxisbeispiele aus verschiedenen Regionen der Welt und zeigt schließlich Wege auf, wie Biodiversität und Multifunktionalität in Landschaften gefördert werden können. „Nur wenn wir Synergien und Nutzungskonflikte verstehen, können wir Landnutzungssysteme entwickeln, die Ernährung sichern, Klima regulieren, Erholung ermöglichen und zugleich die biologische Vielfalt bewahren“, sagt Marion Jay von der Universität Göttingen.

Paludikultur vereint Nutzungsansprüche

Die von den Forschenden aufgezeigten Modelle sind vielfältig, haben demnach aber meist eines gemeinsam – ein eng vernetztes Mosaik aus Wäldern, Ackerflächen, Weideland und teils Siedlungen, das mehrere Nutzungsansprüche vereint. Dazu gehören Methoden wie die traditionelle Agroforst- und Weidewirtschaft, aber auch moderne Ansätze wie die Paludikultur auf wiedervernässten Mooren. Gerade die Paludikultur sei ein Beispiel dafür, wie multifunktionale Landnutzung zur Wiederherstellung zerstörter Natur beitragen kann, schreiben die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Reviews Biodiversity. Sie verbinde durch die bodenschonende Bewirtschaftung wiedervernässter Moore die Produktion von Biomasse, wie Schilf oder Rohrkolben, mit dem Erhalt feuchter Lebensräume und der Wiederherstellung von Ökosystemleistungen wie Kohlenstoffspeicherung und Wasserregulierung.

Multifunktionale Landnutzungskonzepte sektorübergreifend umsetzen

Eine wirksame Integration solcher multifunktionalen Landnutzungskonzepte in Naturschutz- und Renaturierungsmaßnahmen bedarf neben einer finanziellen Förderung vor allem einer „sektorübergreifenden Zusammenarbeit, etwa zwischen Landwirtschaft, Naturschutz und Stadtplanung“, sagt Tobias Plieninger, Leiter des Fachgebiets für Sozial-ökologische Interaktionen in Agrarsystemen an den Universitäten Göttingen und Kassel. „Das gilt auch in Landschaften, in denen der Schutz der biologischen Vielfalt im Vordergrund steht, wie in Schutzgebieten.“

Land is a scarce and expensive resource. Whether in urban or rural areas, interests often diverge widely when it comes to land use, as demands range from species protection to food production and recreation. In addition, conventional agricultural practices exacerbate global crises such as biodiversity loss, climate change and food security uncertainties. Multifunctional landscapes could be one solution, as researchers from the Universities of Göttingen and Kassel show in a recent study.

The study examined how such forms of land use can promote nature conservation and ecosystem restoration. The team analysed concepts and practical examples from various regions of the world and ultimately identified ways in which biodiversity and multifunctionality can be promoted in landscapes. ‘Only if we understand synergies and conflicts of use can we develop land use systems that secure food supplies, regulate the climate, enable recreation and at the same time preserve biological diversity,’ says Marion Jay from the University of Göttingen.

Paludiculture combines land use requirements

The models presented by the researchers are diverse, but most of them have one thing in common – a closely interconnected mosaic of forests, arable land, pasture and, in some cases, settlements, which combines several uses. These include methods such as traditional agroforestry and pastoral farming, but also modern approaches such as paludiculture on rewetted moors. Paludiculture in particular is an example of how multifunctional land use can contribute to the restoration of destroyed nature, the researchers write in the journal Nature Reviews Biodiversity. Through the soil-conserving management of rewetted moors, it combines the production of biomass, such as reeds or cattails, with the preservation of wetland habitats and the restoration of ecosystem services such as carbon storage and water regulation.

Implementing multifunctional land use concepts across sectors

Effective integration of such multifunctional land use concepts into nature conservation and renaturation measures requires not only financial support but above all ‘cross-sectoral cooperation, for example between agriculture, nature conservation and urban planning,’ says Tobias Plieninger, head of the Department of Social-Ecological Interactions in Agricultural Systems at the Universities of Göttingen and Kassel. ‘This also applies to landscapes where the protection of biological diversity is a priority, such as in protected areas.’

Pestizide werden vor allem in der konventionellen Landwirtschaft eingesetzt, um Pflanzen vor Schädlingen und Krankheiten zu bewahren und Erträge zu sichern. So notwendig sie gegenwärtig auch noch sind: Umwelt und Artenvielfalt leiden darunter. Daher sind dringend nachhaltige Alternativen gefragt. Nachwuchsforschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) wollen genau das erreichen. In den kommenden fünf Jahren wollen sie erforschen, wie Bakterien auf biotechnologischem Weg ein ökologisch verträgliches Pestizid erzeugen können. Das Projekt PyreComm wird im Rahmen der Nationalen Bioökonomiestrategie vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit rund 2,7 Mio. Euro gefördert.

Biopestizid aus Pflanzen nachahmen

Ein Team um Elmo Wilken vom Institut für Quantitative und Theoretische Biologie der HHU nimmt dafür die Dalmatinische Insektenblume (Tanacetum cinerariifolium) ins Visier. Die Pflanze, die auch als Insektenpulverkraut bekannt ist, produziert natürliche Biopestizide. Die sogenannten Pyrethrine zersetzen sich schnell in der Umwelt, sind gegen Schadinsekten hochwirksam und für Säugetiere nur in geringem Maße toxisch. Eine Herstellung von Pyrethrin auf pflanzlicher Basis wäre jedoch sehr teuer.

Bakterielle Produktion von Pyrethrinverbindungen

In den kommenden Jahren will die Nachwuchsforschungsgruppe daher einen skalierbaren, halbsynthetischen und nachhaltigen Bioprozess zur Herstellung dieser Pyrethrinverbindungen entwickeln. Dafür sollen Bakterien der Art Vibrio natriegens so programmiert werden, dass sie die Biopestizide produzieren. „Wir teilen den Biosyntheseweg von Pyrethrin aber auf mehrere Mitglieder einer bakteriellen Gemeinschaft auf“, erläutert Wilken. „Dadurch wird für die einzelnen Bakterien die Belastung eines vollständigen Produktionsprozesses in einer Zelle verringert, was den Gesamtprozess effizienter macht.“ So könne auch die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des mikrobiellen Prozesses potenziell erhöht werden.

Herstellung eines kostengünstigen Biopestizids

Damit die bakteriellen Gemeinschaften so effizient wie möglich agieren, wollen die Forschenden sie mithilfe „moderner Stoffwechselmodellierung in Verbindung mit neuester Messtechnik“ verändern und schließlich in einem Bioreaktor mit einem holzbasierten Substrat kultiviert werden. So wird nicht nur der Kreislauf zwischen Landwirtschaft und Biopestizidproduktion geschlossen, sondern auch der Weg für ein kostengünstiges Biopestizid geebnet. Aber nicht nur das: „Konkret wird unser Projekt einen Anteil daran haben, durch synthetische Pestizide verursachte ökologische Schäden zu reduzieren“, sagt Wilken.

Weltweit haben Landwirtinnen und Landwirte mit den Folgen des Klimawandels zu kämpfen. Neben Hitze und Dürre sorgen Schädlinge für Einbußen bei der Ernte. Wie in Ostafrika die Ernährung gesichert und die Landwirtschaft nachhaltig und resilient gemacht werden kann, zeigt das von der EU geförderte Forschungsprojekt „UPSCALE“ unter Leitung der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU). Das internationale Konsortium aus 19 Partnern in zehn Ländern entwickelt und erprobt agroökologische Strategien, um landwirtschaftliche Systeme widerstandsfähiger und nachhaltiger zu gestalten.

Biologische Schädlingsbekämpfung mit integriertem Anbausystem

Im Zentrum des Vorhabens steht die sogenannte Push-Pull-Technologie – ein integriertes Anbausystem, das Schädlinge ohne chemische Pestizide bekämpft und zugleich Erträge sowie Bodenfruchtbarkeit steigert. Dabei werden durch die Kombination von Getreide, Hülsenfrüchten und Begleitpflanzen Schädlinge mithilfe flüchtiger Substanzen, die eine Zwischenfrucht abstößt (Push), von der Hauptfrucht vertrieben. Gleichzeitig werden die Schädlinge von für sie attraktiven Randpflanzen (Pull) angelockt.

„Im Projekt UPSCALE haben wir bereits wichtige Erfolge erzielt, die die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Technologie erhöht haben, beispielsweise durch die Integration des Systems in Leguminosen-, Agroforst- und hochwertige Gemüseanbausysteme“, so Emily Poppenborg Martin von der JLU, die das Projekt koordiniert. „Zudem haben wir zeigen können, wie und wo Push-Pull-Agrarökologie-Innovationen am effektivsten skaliert werden können.“

Einbindung in regionale und nationale Agrarsysteme

Das EU-Projekt UPSCALE läuft seit 2020 und ist bis April 2026 angesetzt. Eine zentrale Rolle spielen dabei partizipative Plattformen, die Akteure aus Landwirtschaft, Forschung und Politik zusammenbringen. Dieser Ansatz soll sicherstellen, dass die Push-Pull-Technologie langfristig akzeptiert wird und agroökologische Prinzipien in regionale und nationale Agrarsysteme einfließen. Für seine Fortschritte wurde das Team im Oktober bei der Innovationsmesse der Afrikanischen Union (AU) und der EU in Brüssel ausgezeichnet.