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Wenn es Menschen zu heiß wird, dann gehen sie in den Schatten. Pflanzen hingegen können sich nicht fortbewegen und haben daher im Laufe der Evolution zahlreiche Wege gefunden, sich an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen. Im Verlauf der Züchtung hin zu maximalen Erträgen sind viele dieser Eigenschaften in Hochleistungssorten jedoch wieder verlorengegangen: Bei recht stabilen klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa und gepflegt und geschützt durch die Landwirte stellten die entsprechenden Gene keinen Selektionsvorteil mehr da. Mit der Klimakrise nehmen Wetterextreme nun in Stärke und Häufigkeit zu, Ackerpflanzen sind häufiger mit Dürre oder Starkregen konfrontiert, ebenso wie mit neuen Schädlingen und Krankheiten. Das Forschungsprojekt SHAPE möchte deshalb die gesamte genetische Vielfalt der Gerste erfassen, um diese für die Pflanzenzüchtung verfügbar und robustere Sorten möglich zu machen.

50 bis 70 Genome für ein Pangenom

In der bundeszentralen Ex-situ-Genbank in Gatersleben lagern mehr als 20.000 Gerstenmuster aus der ganzen Welt – gewissermaßen die ganze Vielfalt an einem Ort. „Die alle zu vollständig sequenzieren, wäre aber viel zu teuer“, erläutert Nils Stein vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), der das Forschungsprojekt koordiniert. Seine Arbeitsgruppe leitete 2017 die Veröffentlichung des Referenzgenoms der Gerste – die erste vollständige und hochaufgelöste Erbgutsequenz. Fünf Milliarden Basenpaare identifizierten die Fachleute und brachten sie in die richtige Reihenfolge, doppelt so viele wie beim Menschen. Jetzt treibt Steins Team gemeinsam mit internationalen Partnern die Arbeit am sogenannten Pangenom voran. Darunter verstehen Fachleute die Summe aus dem Kerngenom – jenem Teil, der allen Gerstenpflanzen gemein ist – und den individuellen Variationen aller Gerstenpflanzen.

Etwa 50 bis 70 Gerstengenome, die alle regionalen Subpopulationen abdecken, wären erforderlich, um das Pangenom zu ermitteln, schätzt Stein. Im ersten Förderzeitraum von SHAPE von November 2016 bis Oktober 2019 sollten zunächst zwei bis drei weitere Genome das Referenzgenom ergänzen. Für mehr hätte das Budget von rund 2,46 Mio. Euro aus der Initiative „Pflanzenzüchtungsforschung für die Bioökonomie“ angesichts der damals verfügbaren Technologien nicht gereicht. Dass es dann doch mehr geworden sind, lag an der rasanten Weiterentwicklung der Sequenzierungsmethoden.

Technologische und finanzielle Hürden

„Es gab zu Beginn des Projekts die Absicht, die günstigere Shotgun-Sequenzierung zu nutzen“, erinnert sich Stein. „Eigentlich ist dabei die Länge der sequenzierten Fragmente, aus denen das Genom dann zusammengesetzt werden muss, zu kurz, um die langen repetitiven Genomabschnitte der Gerste zu überspannen.“  Die Fragmente hätten so nicht zweifelsfrei zusammengesetzt werden können. Eine israelische Firma hatte dafür eine Lösung gefunden, hielt allerdings Teile der Methode geheim. „So gab es bei Publikationen die Kritik, dass die Methode eine Black-Box sei, und auch die Kosten für das proprietäre Bioinformatikkonzept waren hoch“, sagt Stein. Daraufhin machten sich die Forscher daran, selbst die Datenverarbeitung bei der Shotgun-Methode weiterzuentwickeln. „Wir konnten schließlich die Kosten für eine Sequenzierung um den Faktor drei bis vier senken“, freut sich der Pflanzengenetiker. Inzwischen hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine zweite Förderperiode bewilligt, die bereits läuft. Hier wird schon die dritte Generation an Sequenzierungstechniken eingesetzt. „Bis zum Jahresende werden wir damit 30 weitere Genome sequenziert haben“, berichtet Stein. In nur vier Wochen könne man inzwischen ein ganzes Gerstengenom genauer sequenzieren als alle bislang öffentlich zugänglichen Gerste-Sequenzen. „Im Vergleich zu vor zehn Jahren ist das heute ein völlig neues Spiel.“

Außerdem präsentieren die Autorinnen und Autoren konkrete Handlungsspielräume und zeigen, wie nachhaltiges Wirtschaften in Deutschland und Europa zukünftig aussehen könnte.

Sie nennen fünf wichtige Stellschrauben für eine naturverträgliche und nachhaltige Bioökonomie:

  1.  Maximal Biomassemenge anhand der Belastungsgrenze der Erde festlegen

  2.  Anbausysteme, die die Artenvielfalt fördern, vorantreiben

  3.  Die Natur in Ökosystemen wiederherstellen (als natürliche CO₂-Senken und biodiversitätsreiche Lebensräume)

  4.  Konventionelle Ernährungs- und Konsumgewohnheiten umstellen und den Futtermittelverbrauch deutlich senken

  5.  Bereits entnommene Rohstoffe effizient nutzen (bspw. Mehrfachnutzung, etwa von Neben- und Abfallprodukten
       (Kaskaden) und Recycling)

Darüber hinaus wird ein ganzheitliches Konzept einer "BioWEconomy" entworfen – ein fachübergreifender Austausch, um systemische Zusammenhänge zu verstehen und gemeinsame Lösungsansätze zu entwickeln und umzusetzen. Als Grundvoraussetzung müsste in Deutschland zunächst ein verbindlicher Rechtsrahmen geschaffen werden, um alle Regelungen unter dem Dach eines Bioökonomie-Gesetzes zu vereinen. Nationale Nachhaltigkeits-Maßnahmen, etwa bei Bau, Biodiversität, oder der Forst- und Landwirtschaft, könnten so integrierend gesteuert werden.

The authors present concrete scope for action and show what sustainable economic activity in Germany and Europe could look like in the future.

They name five important levers for a nature-compatible and sustainable bioeconomy:

  1.  Determine maximum biomass quantity based on the load limit of the earth

  2.  Advance farming systems that promote biodiversity

  3.  Restore nature in ecosystems (as natural CO₂ sinks and biodiversity-rich habitats).

  4.  Change conventional eating and consumption habits and significantly reduce feed consumptio

  5.  Efficient use of raw materials that have already been extracted (e.g. multiple use, e.g. of by-products and
       waste products (cascades) and recycling)

In addition, a holistic concept of a "BioWEconomy" is being designed - a cross-disciplinary exchange to understand systemic interrelationships and to develop and implement joint approaches to solutions. As a basic prerequisite, a binding legal framework would first have to be created in Germany to unite all regulations under the umbrella of a bioeconomy law. National sustainability measures, for example in construction, biodiversity, or forestry and agriculture, could thus be managed in an integrated manner.

Es war eine wahre Datenexplosion, zu der in den vergangenen Jahren neue Methoden in der Biochemie und nicht zuletzt der Bioinformatik geführt haben. Noch nie wuchs das Wissen in der Mikrobiologie schneller. Und trotzdem ist es oft wenig wert – denn es ist nicht gut gemanagt. Es fehlen einheitliche Strukturen, die es ermöglichen, Informationen leicht zu finden und mit anderen zusammenzuführen, um sie weiterzuverwenden oder zu reproduzieren. Das soll das Projekt Nationale Forschungsdaten-Infrastruktur für Mikrobiota (NFDI4Microbiota) nun ändern.

Mehr als 50 beteiligte Institutionen

Die Nationale Forschungsdaten-Infrastruktur ist ein von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit jährlich 85 Mio. Euro gefördertes Vorhaben, das über fünf Jahre bis zu 30 Konsortien dabei unterstützen will, bundesweit vorhandene Daten eines Faches zu vereinheitlichen und den Weg für ein besseres Datenmanagement zu ebnen. Eines dieser Konsortien ist nun die Mikrobiota-Forschung mit mehr als 50 beteiligten Institutionen.

„Unsere Vision ist es, dass in Zukunft Forschende aus der Mikrobiologie mühelos vorhandene Forschungsdaten in ein tiefes Verständnis von mikrobiellen Spezies und deren Interaktionen auf molekularer Ebene übersetzen können“, erklärt der Sprecher des Konsortiums, Konrad Förstner von ZB MED – Informationszentrum Lebenswissenschaften. Zehn Aufgabenpakete hat das Konsortium dazu geschnürt. Es sollen beispielsweise Softwaretools und Infrastrukturen bereitgestellt, Datenstrukturen standardisiert und nicht zuletzt durch Schulungen der Forschenden ein Kulturwandel und eine bessere Vernetzung erzielt werden.

Auffindbar, nutzbar, interoperabel und reproduzierbar

„Die Mitglieder bringen ihre komplementäre Expertise ein, um Forschungsdaten verfügbar zu machen und Werkzeuge bereitzustellen, mit denen mehr Daten besser analysiert werden können und dadurch Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze besser verstanden werden können“, erläutert Jörg Overmann vom beteiligten Leibniz-Institut DSMZ. Forschungsdaten sollen künftig immer dem FAIR-Prinzip (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) folgen: auffindbar, nutzbar, interoperabel und reproduzierbar sein. Die DSMZ-Datenbank BacDive mit Daten zu 82.000 Bakterien ist dafür ein vorbildliches Beispiel.

In der Praxis soll das bessere Datenmanagement dazu führen, dass beispielsweise die Entschlüsselung des Erbguts von neuen Krankheitserregern wie im Fall SARS-CoV-2 schneller gelingt, aber auch die Forschung an der Nutzung von Mikroorganismen für die Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe, für den Abbau von Kunststoffen oder für eine bessere Nährstoffverfügbarkeit im Ackerbau sollen profitieren.

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Im Haushaltsschwamm, in Matratzen, Autositzen oder Dämmwänden: Schaumstoffe, ob hart oder weich, sind aus dem Alltag kaum wegzudenken. Doch die Herstellung des erdölbasierten Werkstoffes ist wenig umweltfreundlich. Forschende der Hochschule Kaiserslautern wollen das ändern. Gemeinsam mit Partnern aus sieben Ländern will das Team um den Polymerchemiker Sergiy Grishchuk Schaum- und Verbundwerkstoffe nachhaltiger machen. In dem von der EU geförderten Verbundprojekt BIOMAT arbeiten insgesamt 26 Partner aus Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Israel, Italien, Lettland, Portugal und Spanien zusammen.

Nanofüllstoff aus Agrarreststoffen

Ziel des EU-Projektes ist es, den Weg hin zu einer nachhaltigen europäischen Bioökonomie zu beschleunigen. Dafür sollen nanobasierte Schaum- und Verbundwerkstoffe für Gebäude, Bauwesen, Automobil sowie Möbel und Bettwaren entwickelt werden, die mindestens zur Hälfte aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Außerdem soll der Treibhausgasausstoß bei der Herstellung des Werkstoffes um 30 bis 50% gesenkt werden. Das Vorhaben BIOMAT wird im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizon 2020“ von der Europäischen Union finanziert. Die Arbeit der Forschenden am Campus Pirmasens der Hochschule Kaiserslautern wird in den kommenden vier Jahren allein mit insgesamt 1,3 Mio. Euro unterstützt.

Polyurethane mit höherem Bio-Anteil

Die Forschenden setzen dabei auf Nanofüllstoffe aus landwirtschaftlichen Abfallstoffen wie Reisspelzen, die gleichzeitig Materialeigenschaften wie die Haltbarkeit verbessern sollen. Ein Team vom Fachbereich Angewandte Logistik- und Polymerwissenschaften wird hierbei seine Erfahrung aus der Forschung zur Hybridisierung von pflanzlichen Naturfasern mit Hochleistungs-Naturfasern einbringen. Die Forschenden sind überzeugt, dass durch die Kombination von Pflanzenfasern wie Flachs, Hanf und Kenaf mit anorganischen Hochleistungs-Naturfasern aus Basalt die Materialeigenschaften verbessert werden können, ohne dabei den Anteil an nachwachsenden Rohstoffen zu verringern. Ein anderes Team will Polyurethane durch einen höheren Anteil nachwachsender Rohstoffe umweltfreundlicher machen und die Materialeigenschaften durch Nanofüllstoffe verbessern.

Servicestelle für biobasierte Weichschaumstoffe

Im Rahmen des EU-Projektes BIOMAT soll am Hochschul-Campus Pirmasens zugleich eine Service-Stelle für die Entwicklung von neuen biobasierten Weichschaumstoffen für Matratzen und Polstermöbel eingerichtet werden. Zudem ist der Aufbau einer speziellen Verarbeitungsanlage zur Entwicklung neuer Schaumstoff-Formulierungen sowie zum Testen neuer Biopolyole und Additive geplant.

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Household sponges, mattresses, car seats or insulating walls: it is hard to imagine everyday life without foams, whether hard or soft. However, the production of the petroleum-based material is not very environmentally friendly. Researchers at Kaiserslautern University of Applied Sciences think it's time for a change: Together with partners from seven countries, the team led by polymer chemist Sergiy Grishchuk wants to make foam and composite materials more sustainable. A total of 26 partners from Germany, France, Great Britain, Israel, Italy, Latvia, Portugal and Spain are working together in the EU-funded joint project BIOMAT.

Nano-filler from agricultural residues

The EU project aims to boost a sustainable European bioeconomy. To this end, nanobased foam and composite materials for buildings, construction, automobiles as well as furniture and bedding are to be developed that consist of at least half renewable raw materials. In addition, the greenhouse gas emissions during the production of the material are to be reduced by 30 to 50%. The BIOMAT project is funded by the European Union as part of the "Horizon 2020" research and innovation program. The work of the researchers at the Pirmasens Campus of Kaiserslautern University will be supported with a total of 1.3 million euros over the next four years alone.

Polyurethanes with higher organic content

The researchers are relying on nanofillers from agricultural waste materials such as rice husks, which are also expected to improve material properties such as durability. A team from the Department of Applied Logistics and Polymer Sciences will contribute its experience from research on hybridizing natural plant fibers with high-performance natural fibers. The researchers are convinced that combining plant fibers such as flax, hemp and kenaf with inorganic high-performance natural fibers from basalt can improve material properties without reducing the proportion of renewable raw materials. Another team wants to make polyurethanes more environmentally friendly by increasing the proportion of renewable raw materials and improve material properties by using nanofillers.

Service center for bio-based flexible foams

As part of the EU BIOMAT project, a service center for the development of new bio-based flexible foams for mattresses and upholstered furniture is also to be set up at the Pirmasens University Campus. In addition, the construction of a special processing plant for the development of new foam formulations and for testing new biopolyols and additives is planned.

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Lebewesen passen sich infolge der Evolution an ihre jeweilige Umwelt an. Das gilt auch für Flechten, jene symbiontischen Lebensgemeinschaften aus Pilzen und Grünalgen oder Cyanobakterien. Wie Forschungsteams des Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrums sowie des LOEWE-Zentrums für Translationale Biodiversitätsgenomik jetzt im Fachmagazin „Environmental Microbiology“ berichten, ist diese Eigenschaft der flechtenbildenden Pilze auch für die Suche nach biologisch aktiven Wirkstoffen relevant.

Drei Gengruppen hängen von der Klimazone ab

Im Fokus der Untersuchungen standen bestimmte Gencluster der Pilze, Bereiche des Erbguts, die mit der Bildung von biologisch aktiven Substanzen in Zusammenhang gebracht werden. „Wir haben bei Umbilicaria pustulata drei Gencluster-Varianten gefunden, die entweder nur im mediterranen Klima am Fuß der Berge oder nur im gemäßigten Klima in den höheren Lagen vorkommen. Damit ist es wahrscheinlich, dass diese Gene mit Naturstoffen assoziiert sind, die bei der Klimaanpassung eine Rolle spielen“, erklärt die Erstautorin der Studie, Garima Singh. Jetzt sei das Ziel, herauszufinden, welche Naturstoffe zu diesen klimatisch differenzierten Genclustern gehören.

Potenzial der Flechten erschließen

So wäre beispielsweise denkbar, dass Flechtenpilze auf den Gipfeln von Bergen Substanzen hervorbringen, die sie vor Frostschäden schützen. Am Fuß des Berges im mediterranen Klima hingegen könnten die Organismen Stoffe bilden, die das Überleben bei Trockenheit fördern. „Die Fähigkeit von Flechten, Naturstoffe zu produzieren, die ihnen das Überleben in einer bestimmten klimatischen Nische erleichtern oder erst ermöglichen, zeigt uns, dass wir das wahre Potenzial von Flechten überhaupt noch nicht kennen“, erläutert Projektleiterin Imke Schmitt – ein Umstand, der auch für andere Pilze gelte. So kenne die Wissenschaft bei Pilzen pro Art bis zu 80 Gruppen von Genen, die für die Naturstoffproduktion verantwortlich sind. „Das sind viel mehr als wir bisher tatsächlich Naturstoffe nachweisen können.“

Klimakrise bedroht Suche nach medizinischen Wirkstoffen

Zahlreiche Naturstoffe aus Pflanzen, Pilzen oder Mikroorganismen sind biologisch aktiv und haben sich als wertvoll für die Medizin erwiesen. Sie hemmen beispielsweise Tumore oder wirken gegen Krankheitserreger. Die allermeisten Naturstoffe des weltweiten Artenreichtums sind jedoch noch gar nicht bekannt, geschweige denn erforscht. „Die Genome von Flechten zu erforschen, kann uns dabei helfen, neue Naturstoffe mit nützlichen Eigenschaften zu finden“, hofft Schmitt. Gleichzeitig warnt sie: „Wenn durch den Klimawandel oder menschliche Eingriffe einzelne Flechten-Populationen aussterben, verschwinden jedoch möglicherweise auch die genetischen Grundlagen für die Produktion noch unentdeckter Naturstoffe.“

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Living organisms adapt to their respective environment as a result of evolution. This also applies to lichens, which are symbiotic communities of fungi and green algae or cyanobacteria. Research teams from the Senckenberg Biodiversity and Climate Research Center and the LOEWE Center for Translational Biodiversity Genomics now report in the journal "Environmental Microbiology" that this property of lichen-forming fungi is also relevant for the search for biologically active agents.

Three gene clusters depend on the climate zone

The studies focused on certain gene clusters of the fungi, areas of the genome that are associated with the formation of biologically active substances. "We found three gene cluster variants in Umbilicaria pustulata that occur either only in the Mediterranean climate at the foot of the mountains or only in the temperate climate at higher altitudes. This makes it likely that these genes are associated with natural products that play a role in climate adaptation," explains the study's first author, Garima Singh. The goal now, she says, is to find out which natural products belong to these climatically differentiated gene clusters.

Tapping the potential of lichens

On the one hand, lichen fungi on mountain tops could produce substances that protect them from frost damage. On the other hand, at the foot of the mountain in a Mediterranean climate, the organisms could produce substances that promote survival in drought conditions. "The ability of lichens to produce natural substances that make it easier or possible for them to survive in a particular climatic niche shows us that we don't yet know the true potential of lichens at all," explains project leader Imke Schmitt - a fact that also applies to other fungi. In fungi, for example, scientists know of up to 80 groups of genes per species that are responsible for natural product production. "That's many more than we have actually been able to detect natural products so far."

Climate crisis threatens search for medical agents

Numerous natural substances from plants, fungi or microorganisms are biologically active and have proven valuable for medicine. For example, they inhibit tumors or act against pathogens. However, the vast majority of natural substances from the world's wealth of species are not even known, let alone researched. "Studying the genomes of lichens can help us find new natural products with useful properties," Schmitt hopes. At the same time, she warns, "However, if individual lichen populations go extinct due to climate change or human intervention, the genetic basis for producing as yet undiscovered natural products may also disappear."

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Ob Plastiktüten, Joghurtbecher oder Kinderspielzeug, biobasierte Kunststoffe haben sich in den vergangenen Jahren einen festen Platz auf dem Markt erobert. Noch ist ihr Anteil im Vergleich zu den fossilen Kunststoffen gering, auch, weil Probleme bei der Verarbeitung befürchtet werden. Der Verpackungshersteller SÜDPACK und ILLIG Maschinenbau demonstrieren anhand einer Musterverpackung für Lebensmittel, dass die Verarbeitung problemlos funktioniert.

Praxistest für Biokunststoff von BASF

Zur Herstellung des Behälters wurde der von der BASF entwickelte Biokunststoff ecovio verwendet. Er besteht unter anderem aus Polymilchsäure (PLA) und ist in gängigen Industrieanlagen kompostierbar. Wie SÜDPACK und ILLIG gemeinsamen mitteilten, wurde der Biokunststoff in einer Fallstudie „speziell für die Filmextrusion mit anschließendem Thermoformen optimiert“ und konnte so „auf Standard-Maschinen in Mono- oder Co-Extrusion zu Folien mit oder ohne zusätzliche Sauerstoffbarriere verarbeitet werden“ – und das bei der gleichen Produktionsgeschwindigkeit wie bei ähnlichen Verpackungen aus konventionellen Kunststoffen.

Mechanische Eigenschaften ähnlich wie PP

Die von SÜDPACK und ILLIG entwickelte Schale ist für Lebensmittel wie vegane oder vegetarische Burger oder Milchprodukte wie Joghurt oder Käse zugelassen. Die Wärmebeständigkeit sei mit bis zu 95° C sehr hoch. Auch die mechanischen Eigenschaften seien „ähnlich gut“ wie die von Polypropylen (PP), heißt es. PP ist ein begehrter, aus fossilen Rohstoffen bestehender Thermokunststoff, der häufig für Lebensmittelverpackungen genutzt wird. Anhaftungen von Essensresten machen das Recycling des fossilen Pendants jedoch aufwendig. Die neuartige Lebensmittelbox könnte demnach einschließlich der Essensreste problemlos verwertet werden.

Verarbeitung auf Standardanlagen

„Zusammen mit ILLIG, einem global führenden Hersteller von Thermoform- und Werkzeugsystemen, konnten wir mit dieser Fallstudie zeigen, dass Folien aus dem Material ecovio nicht nur effektiv auf gängigen Extrusionsanlagen hergestellt werden können, sondern darüber hinaus auch hervorragende Eigenschaften bei der Verarbeitung auf Tiefziehanlagen zeigen“, resümiert Jürgen Betz von SÜDPACK. Die von dem Unternehmen hergestellte Folie für den Deckel der Lebensmittelbox besteht aus einem mehrschichtigen, teilweise transparenten Laminat auf Basis von PLA und braunem Papier und ist ebenfalls industriell kompostierbar.

„Mit unserem gemeinsamen Projektansatz wollen wir auch zeigen, wie sich zertifiziert kompostierbare und biobasierte Kunststoffe auf Standardmaschinen problemlos thermoformen und weiterverarbeiten lassen“, sagt Sven Engelmann von ILLIG. „Wir konnten dieselbe Maschinengeschwindigkeit fahren wie bei Polypropylen.“ Auch Schriftzüge könnten mit Hilfe von Thermoform-Werkzeugen auf dem Biokunststoff „detailgenau“ abgebildet werden.

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Multikulti gibt es jetzt nicht mehr nur in der Soziologie, sondern auch in der Mikrobiologie: Es ist der Name eines nun gestarteten Forschungsverbunds, der sich zum Ziel gesetzt hat, einen neuartigen Bioreaktor zu entwickeln. Mit ihm soll es möglich werden, auch jene aquatischen Mikroorganismen im Labor zu kultivieren, bei denen das bislang gescheitert ist. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert den Verbund mit 2,5 Mio. Euro über einen Zeitraum von drei Jahren.

Nur 1% aller Mikroorganismenarten bislang kultiviert

Ob im Wasser, im Boden oder in höheren Lebewesen – Mikroorganismen erfüllen überall auf der Erde wichtige Funktionen, die der Mensch gerne besser verstehen würde. „Dennoch ist der Großteil aller freilebenden Mikroorganismen bisher so gut wie unbekannt“, erläutert Projektleiter Martin Könneke von der Universität Oldenburg. Viele Mikroorganismen stellen Anforderungen, die bislang nicht verstanden oder im Labor schwierig nachzubilden sind, weshalb bis heute nur ein winziger Bruchteil aller Arten erfolgreich im Labor lang genug am Leben gehalten werden konnte, um daran zu forschen.

Bioreaktor optimiert Parameter automatisiert

Ändern soll das nun ein modular aufgebauter, vollautomatischer Bioreaktor. Molekularbiologische Methoden sollen regelmäßig die Zusammensetzung der Mikroben im Reaktor überprüfen. Auf dieser Grundlage passt der Reaktor die Haltungsbedingungen so an, dass die Mikroorganismen möglichst natürliche Umweltbedingungen vorfinden. Der Schwerpunkt der Forschung soll dabei auf drei bislang zu wenig erforschten Gruppen von Einzellern liegen: solche, die aus technischen Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung und dem Grundwasser stammen; solche, die in Kaltwassergeysiren wie dem in Andernach leben, weil diese Arten Potenzial für die Biotechnologie haben könnten; und solche, die im Meer wichtige ökologische Funktionen erfüllen.

Gemeinschaften erhalten und dann erforschen

„Im ersten Schritt wollen wir die natürlichen Gemeinschaften der Mikroorganismen erhalten“, schildert Könneke. Später sollen dann einzelne Organismen isoliert und angereichert werden, um sie gezielt zu untersuchen und die Art mit ihren individuellen Ansprüchen besser zu verstehen, ebenso wie die Gemeinschaften, in denen sie bevorzugt leben. Beteiligt sind an diesen Arbeiten neben der Universität Oldenburg die Universitäten Erlangen-Nürnberg, Duisburg-Essen, die Humboldt-Universität Berlin, das DVGW-Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. Letzteres ist besonders daran interessiert, wie Umweltbedingungen wie auf dem Mars sich auf bestimmte Mikroorganismen auswirken.

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Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen im Boden sind auf eine ausgewogene Versorgung mit Nährstoffen wie Stickstoff angewiesen. Die Realität sieht jedoch oft anders aus, weil landwirtschaftliche Flächen überdüngt sind. Welche Auswirkungen Nährstoffeinträge wie Stickstoff auf Ökosysteme haben und wie deren Fähigkeiten dadurch beeinflusst werden, erforscht Sönke Zaehle. Im Interview erklärt der Jenaer Geoökologe, warum ein nährstoffreicher Boden nicht immer gut ist für die Artenvielfalt, wie sich Ökosysteme dadurch verändern können und auf welche Faktoren Landwirte achten sollten, um die Biodiversität der Ökosysteme durch Überdüngung nicht zu gefährden.

Animals, plants or microorganisms in the soil depend on a balanced supply of nutrients such as nitrogen. However, the reality looks often different, because agricultural areas are overfertilized. Sönke Zaehle is researching the effects that nutrient inputs such as nitrogen have on ecosystems and how their capabilities are affected as a result. In an interview, the Jena-based geoecologist explains why nutrient-rich soil is not always good for biodiversity, how ecosystems can change as a result, and which factors farmers should pay attention to in order not to endanger ecosystem biodiversity through overfertilization.

Was nach der Ernte übrig bleibt, landet meist in der Biogasanlage und wird energetisch genutzt. Die dabei anfallenden Gärreste werden wegen ihres hohen Nährstoffgehaltes häufig als Dünger in der Landwirtschaft verwendet. Forschende vom Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung Denkendorf demonstrieren, dass die Verwertungskette der Gärreste nicht auf dem Feld enden muss, sondern diese in der Industrie als Rohstoff weiter verarbeitet werden können.

Gärreste des Hopfens als Industrierohstoff

Im Fokus eines Forschungsprojektes mit drei Industriepartnern ging es um Reststoffe des Hopfenanbaus aus dem größten Anbaugebiet Deutschlands in Hallertau. Die so genannten Hopfenrebenhäcksel, die bei der Ernte übrig blieben, wurden auch hier zunächst in einer Biogasanlage in umweltfreundliches Bioerdgas umgewandelt. Aus den Gärresten entwickelte das Team jedoch einen Verbundwerkstoff, der sogar zum Bauen von Möbeln genutzt werden kann. Konkret wurde ein Verbundstoff für sogenannte Schichtstoffe hergestellt, die sehr flexibel gestaltet werden können und daher in der Möbelindustrie sehr begehrt sind.

Neuer Verbundstoff für den Möbelbau

Dafür wurden die pflanzlichen Reststoffe des Hopfenanbaus zunächst umweltschonend gereinigt. Nach Angaben der Forschenden wurde aus dieser Masse mit der Hochschule Reutlingen ein Nassvlies entwickelt, das zusammen mit einem biobasierten Harzsystem zu einem Verbundwerkstoff gepresst wurde. Das Material sei nicht nur nachhaltig, weil bei der Produktion auf chemische Zusätze verzichtet wurde. Es sei auch belastbar und könne vielseitig eingesetzt werden, heißt es.

Dass dieser nachhaltige Verbundstoff aus Gärresten tatsächlich zum Möbelbau taugt, zeigt ein kleiner quadratischer Schrank, der als Demonstrator gebaut wurde. Das spezielle Design des Möbelstücks prägen Reststoffe, die als Verschnitt in der Textilindustrie anfallen und damit ebenfalls eine neue Verwertung erfahren. Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) gefördert. Neben der DITF waren die Hopfenpower GmbH, die Novis GmbH und die Schreinerei Nuding am Projekt beteiligt.

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What remains after harvesting usually ends up in the biogas plant and is used for energy. The resulting fermentation residues are often taken as fertilizer in agriculture because of their high nutrient content. Researchers from the German Institute of Textile and Fiber Research Denkendorf have now shown that the recycling chain for fermentation residues does not have to end in the field, but that they can be further processed in industry as a raw material.

Fermentation residues from hops as an industrial raw material

The focus of a research project with three industrial partners was on residues from Germany's largest hop-growing region in Hallertau. The so-called hop bine chaff left over from the harvest was initially converted into environmentally friendly biomethane in a biogas plant. However, the team used the fermentation residues to develop a composite material that can even be used to build furniture. Specifically, a composite material was produced for so-called laminates, which can be designed very flexibly and are therefore in great demand in the furniture industry.

New composite material for furniture construction

To this end, the plant residues from hop cultivation were first cleaned in an environmentally friendly manner. According to the researchers, a wet fleece was developed from this mass with Reutlingen University, which was pressed together with a bio-based resin system to form a composite material. The material is not only sustainable because no chemical additives were used in production. It is also resilient and can be used in a variety of ways, they say.

A small square cabinet that was built as a demonstrator shows that this sustainable composite material made from fermentation residues is actually suitable for furniture construction. The special design of the piece of furniture is characterized by residual materials that occur as offcuts in the textile industry and are thus also recycled in a new way. The research project was funded as part of the Central Innovation Program for SMEs (ZIM). In addition to DITF, Hopfenpower GmbH, Novis GmbH and Schreinerei Nuding were involved in the project.

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Ab heute beansprucht die Menschheit für das restliche Jahr mehr Acker- und Weideland, Fischgründe und Wald, als uns rechnerisch zur Verfügung stünden. Und wir stoßen weit mehr CO2-Emissionen aus, als die Wälder und Ozeane der Welt aufnehmen können. Der Tag verdeutlicht, dass die gesamte Weltbevölkerung 1,7 Erden bräuchte, um den durchschnittlichen globalen Bedarf an natürlichen Rohstoffen nachhaltig zu decken.

Den Berechnungen zufolge nähert sich der weltweite Ressourcenverbrauch wieder dem Stand von vor dem Beginn der Corona-Pandemie. 2020 hatte sich der Erdüberlastungstag wegen des Lockdowns um fast drei Wochen nach hinten verschoben, auf den 22. August. Die Übernutzung der Erde war also etwas zurückgegangen. In diesem Jahr jedoch sind die nachhaltig nutzbaren Ressourcen wieder so früh verbraucht wie 2019, am 29. Juli. Zurückgeführt wird dies auf den bereits befürchteten Rebound-Effekt, das sprunghafte Wiederansteigen der Emissionen nach dem Höhepunkt der Pandemie. So prognostiziert das Global Footprint Network einen Anstieg der CO2-Emissionen um 6,6% gegenüber 2020. Zudem wirkt sich aus, dass die globale Biokapazität der Wälder in diesem Jahr um 0,5% zurückgehen wird, maßgeblich verantwortlich ist dafür die rasante Abholzung des Amazonas-Regenwaldes.

Im Jahr 2000 fiel der Erdüberlastungstag noch auf den 22. September, 2010 war es bereits der 6. August. Ein Gleichgewicht von Verbrauch und Regeneration der Ressourcen bestand zuletzt im Jahr 1970.

Bei den Berechnungen werden nach Angaben des Netzwerkes zwei rechnerische Größen gegenübergestellt: zum einen die biologische Kapazität der Erde zum Aufbau von Ressourcen sowie zur Aufnahme von Müll und Emissionen, zum anderen der Bedarf an Wäldern, Flächen, Wasser, Ackerland und Fischgründen.

Laut der Analyse des Global Footprint Networks war hierzulande der nationale Erdüberlastungstag bereits Anfang Mai erreicht.

As of today, humanity is taking up more arable and pasture land, fishing grounds and forests for the rest of the year than would be available to us mathematically. And we are emitting far more CO2 than the world's forests and oceans can absorb. The Earth Overshoot Day illustrates that the entire world population would need 1.7 Earths to sustainably meet the average global demand for natural resources.

According to the calculations, global resource consumption is approaching the level of before the start of the Corona pandemic. Because of the lockdown, Earth Overshoot Day in 2020 had moved back almost three weeks, to 22 August. The overuse of the Earth had thus decreased somewhat. This year, however, the sustainably usable resources will again be used up as early as 2019, on 29 July. This is attributed to the already feared rebound effect, the sudden increase in emissions after the peak of the pandemic. So the Global Footprint Network forecasts a 6.6% increase in CO2 emissions compared to 2020. In addition, the global biocapacity of forests will decline by 0.5% this year. The rapid deforestation of the Amazon rainforest is largely responsible for this.

In 2000, the Earth's Overshoot Day still fell on 22 September; in 2010, it was already 6 August. The last time there was a balance between consumption and regeneration of resources was in 1970.

According to the network, the calculations compare two mathematical variables: on the one hand, the biological capacity of the Earth to build up resources and absorb waste and emissions, and on the other hand, the demand for forests, land, water, arable land and fishing grounds.

According to the Global Footprint Network's analysis, the National Overshoot Day was already reached in Germany at the beginning of May.