On their quest for ways to save water during farming, researchers are focussing more and more on sewage treatment plants. Within the cooperation project “HypoWave” Frankfurt-based researchers headed by the agricultural expert Martina Winker aim to develop a new method in order to use municipal sewage water more effectively for farming plants. Therefore, they are focussing on hydroponics. Hydroponics describes a way of growing plants, where they don’t require soil but derive necessary nutrients from a solution. A pilot plant will be build next to a sewage plant in Wolfsburg in order to analyse if and how hydroponic plant breeding schemes can benefit from repurposed sewage water. The project is funded by the federal ministry for research and education (BMBF) with a total of €2.1 million.
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Kieselalgen wie Cyclotella cryptica sind in süß- sowie salzhaltigen Gewässern, aber auch auf Steinen und Wasserpflanzen zu Hause. Für die Wissenschaft ist vor allem die außergewöhnliche Struktur der Zellwände der Meeresalge von großem Interesse. Diese einzelligen, für das bloße Auge kaum sichtbaren Mikroorganismen sind nicht nur in der Lage, unterschiedliche Proteine zu bilden. Sie bestehen aus dem anorganischen Material Silica(SiO2), das ein vielversprechender Naturstoff für neue funktionelle Materialien ist. Der Grund: Die Zellstrukturen weisen bei jeder Art spezielle Strukturelemente wie Porenmuster auf, die bis in den Nanometerbereich regelmäßig angeordnet sind. Die Bildung des sogenannten Biosilica durch Kieselalgen ist aber nicht nur für die biologische Formgebung (Morphogenese) wichtig. Sie eignet sich auch als Modellsystem, um molekulare Grundlagen der biologischen Bildung von Mineralien (Biomineralisation) zu erforschen.
Erste Durchbrüche bei Biosilica-Forschung
Im Projekt „Nanomee“ untersuchen Wissenschaftler unter Leitung der Technischen Universität Dresden seit 2014 die Kieselalge Cyclotella cryptica, um hinter das Geheimnis der faszinierenden biomolekülgesteuerten Mikroprozesse zukommen. Sie ermöglichen es dem Mikroorganismus, die spezielle Silicastrukturen überhaupt zu erzeugen. Erste Erfolge gibt es bereits: So konnte das Team bei der Entdeckung neuer Biosilica-bildender Proteine, der Lokalisation von Proteinen sowie der Assoziation Silica-bildender organischer Komponenten mit Biomembranen bereits Durchbrüche erzielen.
DLG setzt Kieselalgen-Forschung fort
Nun ist die Forschungsarbeit für weitere drei Jahre abgesichert, um neue drängende Fragen klären zu können. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft stellt dafür 2,1 Mio. Euro bereit. Am Projekt sind neben der TU Dresden, das Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, die Georg-August-Universität Göttingen, die Philipps-Universität Marburg sowie die Universität Utrecht beteiligt. Auf der zweiten Etappe richten die Forscher ihren Fokus nun auf die Aufklärung der molekularen Struktur der organisch-anorganischen Grenzfläche sowie auf die Analyse des Zusammenbaus der verschiedenen Komponenten des Silica-Biosyntheseprozesses.
Grundlage für neue funktionelle Materialien
Die Ergebnisse der Forschergruppe könnten zu einem besseren Verständnis der biologischen Mineralbildung und Biomorphogenese beitragen. Sie könnten aber ebenso die Basis für biomimetische und biotechnologische Synthesen von neuen funktionellen Materialien und somit eine Alternative zu herkömmlichen Herstellungsmethoden sein.
bb
Ob in Schutzhelmen, Bremsbelägen oder der Autokarosserie: Duroplaste – also nach dem Aushärten nicht mehr verformbare Kunststoffe – sind besonders da gefragt, wo extreme Bedingungen herrschen. Sie basieren meist immer noch auf dem fossilen Rohstoff Erdöl. Im Verbundprojekt „BioDuroZell“ ist ein Konsortium um den Binger Naturstoffexperten Oliver Türk seit 2014 dabei, die Palette biogener Bindemittel für Duroplaste zu erweitern. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Rohstoffe für die neuen biobasierten Harze nicht für die Nahrungsmittelproduktion geeignet sind. Denn eine Konkurrenz will man künftig vermeiden. „Die früheren biobasierte Verbundwerkstoffe basieren auf Nahrungsmitteln wie epoxidiertes Leinöl oder Soja. Perspektivisch will man aber von Nahrungsmitteln als Rohstoff weg. Das erwartet auch die Industrie von uns“, betont Türk. Der Experte für nachwachsende Rohstoffe und Biokunststoffe der Fachhochschule Bingen weiß aus Erfahrung, dass vor allem Automobilhersteller solch hochwertige Lebensmittel wie Leinöl für Türinnenverkleidungen ablehnen.
Reste der Zellstoffverarbeitung nutzen
Mit der Entwicklung neuer biogener duroplastischer Harze betreten die Forscher jedoch Neuland. Denn die Biokunststoff-Branche ist bisher auf Bio-Thermoplaste fokussiert. Joghurtbecher als Polymilchsäure (PLA) sind nur ein Beispiel dafür. „Wenn ich ein Duroplast herstellen möchte, brauche ich reaktive Systeme, die miteinander chemisch wechselwirken. Davon gibt es in der Natur nicht so viele Stoffe“, erklärt Türk. Im Vorhaben „BioDuroZell“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Neue Produkte für die Bioökonomie“ noch bis 2018 mit insgesamt knapp 300.000 Euro gefördert wird, konzentrieren sich die Wissenschaftler daher auf Reststoffe, die bei der Herstellung von Zellstoff anfallen. Am Projekt beteiligt sind neben der Fachhochschule Bingen, die Transferstelle Bingen (TSB), die Johannes Gutenberg-Universität Mainz sowie der Zellstoffhersteller ZPR, die Marktexperten der Angewandte Innovative Materialien (AIM) und der Automobilzulieferer Polytec als Wirtschaftspartner.
Zellstoffreste modifiziert
Erste Erfolge haben die Verbundpartner bereits vorzuweisen. Im Rahmen der bis 2015 laufenden und mit knapp 50.000 Euro geförderten Sondierungsphase gelang es ihnen, ein Verbundwerkteil, bestehend aus dem in Zellstoffresten gefundenen biogenem Harz zuzüglich petrochemischen Härter und Naturstofffasern herzustellen. „Wir haben es geschafft, aus den ersten kleinen Harzmengen ein Tablett herzustellen“, so der Projektleiter. Bei dem biogenen Harz handelt es sich um Tallöl-Komponenten, die im Holz als Reststoff bei der Zellstoffherstellung anfallen. „Die Mainzer Kollegen haben diese Reststoffe chemisch und elektrochemisch so modifiziert, dass sie als duroplastisches Bindemittel funktionieren“, erklärt Türk.
Ob im Mittelmeer, Atlantik oder Pazifik: Müll - von Plastiktüten über Schuhe bis hin zu Fischernetzen - ist als Strandgut oder Relikt am Meeresboden überall zu finden. Plastikmüll macht dabei das Gros der Verschmutzung aus und hat bereits die Arktis erreicht. Seit Jahren warnen Forscher daher vor den Folgen der zunehmenden Vermüllung für Meeresbewohner und andere Tierarten.
Online-Portal zu globalen Mülldaten
Forscher vom Alfred-Wegener-Institut (AMI) am Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung befassen sich seit Jahren mit dem Thema Müll im der Tiefsee. Nun haben Meeresbiologen um Melanie Bergmann erstmalig alle bisher veröffentlichten 1.236 Studien zusammengetragen und in einer Datenbank publik gemacht. Im Ergebnis entstand das Online-Portal „AWI-Litterbase“. Die Webseite will aufklären, wo sich aktuell überall Müll im Meer befindet und welche Tierarten und Lebensräume konkret dadurch bedroht sind.
Um neuartige biobasierte Kunststoffe zu entwickeln, bedienen sich Wissenschaftler ganz unterschiedlicher Rohstoffe und Methoden. Ihr Ziel: möglichst umweltfreundliche Verfahren etablieren und Ressourcen nutzen, die womöglich sowieso als Reststoff anfallen. Zum Werkzeugkasten vieler Forscher gehört dabei die Biotechnologie. Diesen Fokus haben auch die Partner im Verbundprojekt „BayBiotech- Ressourcenschonende Biotechnologie in Bayern“. Bereits seit 2015 arbeiten hier Wissenschaftler in mehrerer Projektgruppen zusammen, um mithilfe der Biotechnologie innovative und umweltfreundliche Produktionsverfahren zu entwickeln. Das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz finanziert das Konsortium mit zwei Mio. Euro. Ein Schwerpunkt bei „BayBiotech“ ist die biotechnologische Herstellung biologisch abbaubarer „Biokunststoffe“. Die Forscher richten dabei ihren Blick auf maßgeschneiderte Kunststoffe aus Polyhydroxybuttersäure (PHB). Dieses Biopolymer wird von Bakterien als Speicherstoff produziert und hat ähnliche Eigenschaften wie das aus Erdöl hergestellte Polypropylen. Das Material ist allerdings aufgrund seiner kristallinen Struktur sehr spröde und schwer zu verarbeiten, da Bakterien die Einzelbausteine immer in der gleichen Art und Weise verknüpfen, so dass kristalline Bereiche im Material entstehen.
Biopolymers PBH mit Kleie flexibel machen
Inzwischen sind die Forschungsarbeiten soweit fortgeschritten, dass erste Erfolge erzielt werden konnten. Einem Team um den Chemiker Thomas Brück von der Technischen Universität München ist es gelungen, die mechanischen Eigenschaften des Biopolymers PBH so zu verändern, dass das Material flexibel ist. Durch Zugabe von biobasierten Kunststoffen wie Polylactiden entstand nach der Hydrolyse des Stoffs durch Polymerisation eine nicht kristalline Form des wertvollen Rohstoffs PHB, der nicht nur nachhaltig hergestellt, sondern sogar biologisch abbaubar ist. "Das Bioplastik wird innerhalb von zwei bis drei Wochen auch in der Umwelt abgebaut und endet damit erst gar nicht erst im Meer", betonte Thomas Brück anlässlich der Präsentation der Projektergebnisse im März in Erlangen.
Biokunststoffe maßschneidern
Der Trick: Die Monomere wurden aus dem kostengünstigen Reststoff Kleie entwickelt, der als Nebenprodukt bei der Mehlherstellung anfällt. Indem Brück diese Monomere mit denen aus beta-Butyrolacton hergestellt Monomeren mischte, konnten die Forscher gezielt Unregelmäßigkeiten in das Polymer einbauen und so die Eigenschaften des Materials für die jeweilige Anwendung maßschneidern. Durch diese nachhaltige Strategie wollen die Münchner Wissenschaftler eine Alternative zur chemischen und auf Erdöl basierenden Polymer-Produktion schaffen. Brück zufolge könnten erste Produkte des biologisch abbaubauren Kunststoffes in fünf Jahren auf den Markt kommen.
„Die erfolgreiche Arbeit des Forschungsverbunds zeigt beispielhaft den großen Nutzen der interdisziplinären Arbeit im Verbund über verschiedene Standorte hinweg“, sagte Thomas Brück, Professor für Industrielle Biokatalyse der TU München. „Die Verknüpfung der drei TUM-Standorte Straubing, Weihenstephan und Garching spannt den Bogen von der Grundlagenforschung bis zur Anwendungsentwicklung und beschleunigt den Weg zur tatsächlichen Umsetzung enorm.“ Neben dem neuen Biokunststoff konnten auch vielversprechende Ergebnisse bei der Nutzung von Essigsäurebakterien als Produktionsorganismen sowie in der Biofilmforschung erreicht werden.
bb
The 2030 Agenda for Sustainable Development established a number of agricultural goals regarding eco-friendly economic practices. However, especially the developing world is faced with decreased cost-efficiencies during the implementation of the environmentally-sound production processes. In order to address these issues, 40 ministers, CEOs, high-level representatives of UN agencies, nongovernmental organizations and trade unions, as well as more than 300 sustainable development experts gathered in Berlin.
Inequalities caused by economic deficiencies
The event from March 27-28 was the second conference of the Partnership for Action on Green Economy (PAGE), which is an alliance of five UN agencies and eleven countries. It was hosted by the German Ministry of Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety.
Part of the transformational goals and targets of the 2030 Agenda for Sustainable Development was to diminish inequalities as well as environmental degradation, yet, for some countries these goals appear to have only widened the gap and deepened the root economic deficiencies. During the two-day event in Berlin renowned economists explored ways of fighting these inequalities.
A clean and green economy for a healthy environment
“We don't have to choose between a healthy environment and a healthy economy: we can have both,” said UN Environment head, Erik Solheim. “Regardless of current politics, the irreversible global trend is to make our economies cleaner, fairer and more stable. What we need now is a great acceleration to make sure we achieve inclusive green economy while there is still enough green to go around.”
The Minister for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety of Germany, Barbara Hendricks also stresses that “The Sustainable Development Goals will not become a reality until they are powered by decisive action of both governments and private companies.” She further explains the need for a different kind of growth: “one which does not create social divides and which respects the planetary boundaries. Only real change can make the national economy of every country more sustainable and resilient.”
Particulary in Africa the sustainable development goals have initiated a big change regarding their agricultural approach. Edna Molewa, Minister of Environmental Affairs of South Africa highlights their efforts to realize the SDGs: “South Africa is currently implementing programs to promote energy efficiency, green transport, sustainable housing and climate resilient agriculture.”
jmr
Eine Jahresdurchschnittstemperatur von minus 16,1 Grad Celsius, Schnee bis zu einem Meter Höhe, und an 73 Tagen im Jahr Dunkelheit non-stop – in diesen unwirtlichen Bedingungen der Antarktis wird der Diplomingenieur Paul Zabel ab Dezember diesen Jahres Obst und Gemüse anbauen. Es ist ein Testlauf für den Anbau im All.
Frische Vitamine trotz Dauerfrost
Zabel arbeitet für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und wird bald für zwölf Monate in einem eigens dafür eingerichteten Container nahe der Neumayer-Station III in der Antarktis Salat, Gurken, Kräuter, Tomaten und Erdbeeren anbauen. Ziel des Unterfangens ist es herauszufinden, wie unter den extremen und unwirtlichen Bedingungen frische vitamin- und nährstoffreiche Nahrung gezüchtet werden kann. Diese Erkenntnisse sollen dann in Zukunft in der Raumfahrt, beispielsweise in der Raumstation ISS oder sogar bei der Mars Mission, angewandt werden.
Frische Vitamine durch Nährstofflösungen
Das Projekt EDEN ISS – Plant Cultivation Technologies For Space wurde im März 2015 gestartet, läuft noch bis Februar 2019 und wird im Rahmen des EU-Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020 mit 4,5 Mio. Euro gefördert. Während seines Aufenthalts in der Antarktis wird Zabel zweimal pro Tag in den 800 Meter entfernten Gewächshaus-Container gehen, um dort mit Nährstofflösungen und speziellen Lampen frisches Grün in lebensfeindlicher Umgebung zu produzieren. Er fasst das Ziel des Projekts zusammen: „Wir wollen eines Tages Pflanzen im Weltall anbauen, damit wir so unsere Astronauten sowohl mit frischer Nahrung als auch mit Sauerstoff versorgen können. Unser Projekt Eden ISS soll die Technologie für Pflanzenanbau im Weltraum unter analogen Missionsbedingungen testen.“
Crashkurs Gemüseanbau in den Niederlanden
Angestrebt sind bei dem antarktischen Gemüseanbau eine wöchentliche Ernte von 1,3 Kilogramm Salat, 1,1 Kilogramm Gurken und 250 Gramm Spinat. Zum Lernen des landwirtschaftlichen Know-hows wurde der Diplomingenieur daher im Mai 2016 für einen Monat in die Niederlande geschickt. In Wageningen liegt Europas führende Forschungseinrichtung für Nahrungsproduktion. Dort erhielt Zabel einen Crashkurs von Experten über die Grundlagen des Pflanzenanbaus. Er tauschte sich außerdem auch mit Nährstoffexperten aus, denn die Tomaten oder Erdbeerpflanzen sollen ihre Mineralien und Spurenelemente nicht durch Erde, sondern per Nährstofflösung erhalten. Zudem wird es wichtig sein eventuelle Schädlinge frühzeitig zu erkennen und zu bekämpfen. „Wir gehen zwar davon aus, dass wir in der Antarktis keine Schädlinge haben werden, aber beispielsweise Pilzbefall muss ich frühzeitig erkennen können, um einzugreifen.“ Bis Herbst 2017 wird das mobile Container-Gewächshaus noch in Deutschland getestet; insbesondere das Subsystem mit speziellen Schränken für die Licht- und Luftversorgung, sowie die speziellen Nährstofflösungen stehen dabei auf dem Prüfstand.
Weltraumähnliche Bedingungen in der Antarktis
Bisher wurde Pflanzenanbau im Zusammenhang mit der Raumfahrt nur in sehr kleinen Maßstäben auf der russischen Raumstation MIR oder im Spaceshuttle betrieben. Mit einer Ernte von maximal vier Salatköpfen trug der Anbau allerdings nur wenig zur Versorgung der Kosmo- und Astronauten bei. Auch auf dem Gelände der Neumayer-Station III wurde bereits früher schon versucht frisches Obst und Gemüse anzubauen, allerdings häufig mit eher improvisierten Utensilien, und demzufolge auch mit geringem Erfolg.
Für den landwirtschaftlichen Probe-Anbau bietet die Antarktis tatsächlich optimale Voraussetzungen. Durch die Abgeschiedenheit und begrenzten Hilfsmittel kann der Gemüseanbau unter weltraumähnlichen Bedingungen getestet werden. Dabei steht im Fokus, dass mit einem relativ einfachen Design, minimalem Wasserverbrauch und geringem Arbeitseinsatz eine ausreichende Ernte erzielt wird.
Ständige Sensorauswertung in Bremerhaven
Für eine optimale Überprüfung und Auswertung werden Statusmeldungen und Sensordaten regelmäßig und automatisch an die Zentrale in Bremerhaven gesendet. Doch da die bisherigen landwirtschaftlichen Versuche in der Antarktis nicht sonderlich erfolgreich waren, will man sich dort noch nicht vollständig auf Zabels Fähigkeiten in der Pflanzenzüchtung verlassen: „Die Lebensmittel werden, wie bisher, einmal pro Jahr per Schiff angeliefert. Unser Ziel ist es, frische Nahrung im antarktischen Winter zur Verfügung zu stellen, wenn die Crew normalerweise nur noch Zugriff auf Gefrorenes, Getrocknetes oder Dosennahrung auf dem Teller hat.“
jmr
Kühe sind seit Langem als Klimasünder bekannt. Die Wiederkäuer stoßen beim Verdauen des Futters 25-mal mehr Methan als Kohlendioxid aus. Der Treibhauseffekt könnte sich durch Rinder zukünftig aber noch verstärken, wie Frankfurter Forscher vom Senkenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum im Fachjournal „Biogeosciences“ berichten. Demnach könnte der Methan-Ausstoss von Vieh bis zum Jahr 2050 um über 70% steigen. Gründe dafür sind neben dem klimabedingten Temperaturanstieg der weltweit zu erwartende Anstieg der Viehbestände. „Je nach Klimaszenario könnte der Methan-Ausstoß jeder Kuh bis 2050 um bis zu 4,5% ansteigen. Wenn man jetzt noch bedenkt, dass die Viehbestände drastisch steigen werden, könnte Vieh im Jahr 2050 Methan in einer Menge emittieren, die dem Erwärmungspotential von 4,7 Giga Tonnen Kohlendioxid entspricht“, resümiert Senkenberg-Forscher Peter Manning.
Geringer Nährwert der Futterpflanzen in wärmeren Gegenden
Hauptursache für die Verstärkung des Treibhauseffektes ist Manning zufolge der sinkende Nährwert der Futterpflanzen. Im Rahmen der Studie hatte das Team diverse Untersuchungen zu Futterpflanzen ausgewertet und dabei festgestellt: In wärmeren Regionen wie der Sahelzone haben Futterpflanzen einen wesentlich geringeren Nährwert. Die tierische Kost in wärmeren Gegenden hat danach einen wesentlich geringeren Protein- aber höherem Ballaststoffgehalt. Die Forscher vermuten, dass sich die Pflanzen wahrscheinlich an Hitzestress und Wassermangel anpassen und daher dickere Blätter und Stängel entwickeln.
Klimabedingter Teufelskreis
Die veränderte Futterqualität wirkt sich wiederum auf das Fressverhalten der Rinder aus. Sie müssen mehr Futter zu sich nehmen und verdauen dadurch länger, wobei das Klimagas Methan entsteht. Wissenschaftler Mark Lee vom Royal Botanic Gardens, Kew spricht daher von einem Teufelskreis. „Kühe produzieren bei ihrer Verdauung Methan, das unseren Planeten aufheizt. Dieser Temperaturanstieg führt zu Futterpflanzen, die schwerer zu verdauen sind und länger im Magen bleiben. Damit wird noch mehr Methan freigesetzt, was wiederum die Erwärmung vorantreibt.“
Globale Zunahme des Fleischkonsums
In bisherigen Klimamodellen wurden solche Rückkopplungen nicht bedacht. Darüber hinaus bereitet den Forschern Sorge, dass der weltweit steigende Fleischkonsum die Zahl der Rinder weiter steigen lässt. Der Studie zufolge liegen die Hotspots der steigenden Methan-Emissionen gegenwärtig in Ländern mit dem größten Anstieg an Viehhaltung. Dazu zählen etwa Nordamerika, Zentral- und Osteuropa sowie Asien.
Um den Teufelskreis zu durchbrechen, raten die Forscher beispielsweise die Viehhaltung in Regionen zu begrenzen, die sich am schnellsten erwärmen oder nährstoffreichere Futterpflanzen zu kultivieren. „Es ist aber auch wichtig, den individuellen Fleischkonsum zu reduzieren und der globalen Zunahme des Fleischkonsums – mit all seinen Folgen für das Weltklima, die wir beispielsweise hier im Zusammenhang mit Methan untersucht haben – entgegenzuwirken“, so Manning.
bb