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Wood is a sought-after raw material. However, the bark of the tree has so far received little attention and is usually disposed of as waste. In her doctoral thesis, Charlett Wenig therefore analysed the potential of bark from various tree species in more detail. She is convinced that bark is more than just waste and could be used as a biomaterial in both the construction and textile industries.

Holz ist ein begehrter Rohstoff. Doch die Rinde des Baumes wird bisher kaum beachtet und meist als Abfall entsorgt. In ihrer Doktorarbeit hat Charlett Wenig daher das Potenzial von Rinden verschiedener Baumarten genauer untersucht. Sie ist überzeugt: Rinde ist mehr als Abfall und könnte als Biomaterial sowohl in der Bau- als auch Textilindustrie zum Einsatz kommen.

Especially with respect to production of medicinal preparations, pharmaceutical companies are increasingly resorting to biological insights. Although chemically produced medicine still represents the largest share on the German pharma market, so-called biopharmaceuticals are increasingly gaining ground. Their sales of 5.6 billion euros are currently 21% of the market, with a rising trend. These drugs consist of biomolecules that are so large that they cannot be manufactured by man – or only at prohibitive cost. These medications include antibodies against cancer and against auto-immune diseases such as multiple sclerosis, hormones such as insulin for treatment of diabetes and enzymes against metabolic diseases. Techniques from advanced biotechnology developed in the 1980s are applied for their production: living microorganisms and cells can thereby be re-programmed as mini-factories.

Gerade mit Blick auf der Herstellung von Arzneimitteln greifen Pharmafirmen zunehmend auf biologisches Wissen zurück. Zwar bilden chemisch hergestellte Wirkstoffe nach wie vor den größten Marktanteil im deutschen Arzneimittelmarkt, aber die sogenannten Biopharmazeutika rücken zunehmend auf. Mit 11,4 Mrd. Euro liegt ihr Anteil derzeit bei 27,4% (vfa.bio) – Tendenz steigend. Diese Medikamente sind Biomoleküle, die so groß sind, dass sie chemisch nicht oder nur sehr aufwendig herzustellen wären: Antikörper gegen Krebs oder Autoimmun-krankheiten wie Multiple Sklerose, Hormone wie Insulin zur Behandlung von Diabetes oder Enzyme gegen Stoffwechselkrankheiten. Für ihre Herstellung bedient man sich der Methoden der modernen Biotechnologie, die in den 80er Jahren entwickelt wurden: Lebende Mikroorganismen oder Zellen lassen sich zu Mini-Fabriken für Medikamente umprogrammieren.

The economy is still based on fossil fuels which leads to problems such as climate change, energy crisis and resource scarcity. Ways are therefore needed to break this dependency. The Joachim Herz Foundation would like to support precisely such solutions with the innovate! Fund. According to the call for proposals, it supports transfer-oriented research projects with high-risk approaches that make biogenic resources usable for a fossil-free future. Three interdisciplinary research teams are being sought.

Natural resources as a source of raw materials

Biogenic resources, natural raw materials derived from living or dead organisms, are an important lever for a fossil-free future. They can contribute to the energy transition as a source of energy and can be used in a variety of ways for building materials, industrial goods and products. However, there is a lack of solutions and innovative ideas from science that can actually be implemented in practice: “With the ”innovate! Fund, we support the courage to rethink the future and promote application-oriented projects,” says Sabine Kunst, Chairwoman of the Joachim Herz Foundation.

Die Wirtschaft basiert noch immer auf fossilen Rohstoffen – das führt zu Problemen wie Klimawandel, Energiekrise und Ressourcenverknappung. Gesucht sind deshalb Wege, die aus der Abhängigkeit führen. Genau solche Lösungen möchte die Joachim Herz Stiftung mit dem innovate! Fonds unterstützen. Laut Ausschreibung fördert sie transferorientierte Forschungsprojekte mit risikoreichen Ansätzen, die biogene Ressourcen für eine fossilfreie Zukunft nutzbar machen. Gesucht werden dafür drei interdisziplinäre Forschungsteams.

Natürliche Ressourcen als Rohstoffquelle

Ein wichtiger Hebel für eine fossilfreie Zukunft sind biogene Ressource, natürliche Rohstoffe, die aus lebenden oder toten Organismen stammen. Sie können als Energiequelle zur Energiewende beitragen und sind vielseitig für Baustoffe, Industriegüter und Produkte einsetzbar. Allerdings fehle es an Lösungsansätzen und innovativen Ideen aus der Wissenschaft, die tatsächlich in der Praxis umgesetzt werden können: „Mit dem „innovate! Fonds“ unterstützen wir den Mut, Zukunft neu zu denken, und fördern anwendungsorientierte Projekte“, so Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung.

In nature, CO₂ is mainly fixed via the Calvin cycle, which is part of photosynthesis. Marburg microbiologist and Leibniz Prize winner Tobias Erb has been working for some time on making natural fixation pathways more efficient with the help of synthetic biology.

Now a team led by Erb at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg and Nico Claassens at Wageningen University in the Netherlands has achieved a key breakthrough: For the first time, the researchers have been able to show that synthetic carbon fixation can work more efficiently in living systems than its natural counterparts. As now described in the journal Nature Microbiology, they succeeded in integrating an artificial metabolic pathway into a genetically modified bacterium. As a result, it was able to produce significantly more biomass from formic acid and CO₂ than natural bacterial strains.

Synthetic biology improves CO₂ fixation

“It is fascinating that we can use synthetic biology to design new solutions within a few years that work more efficiently than what has evolved in nature over billions of years,” says Erb. For him, the work represents a significant step forward for the young field of synthetic biology.

Erb and his team have already developed synthetic cycles for CO₂ fixation that are more efficient than the natural Calvin cycle - including the so-called CETCH cycle or the THETA cycle. These metabolic pathways already function reliably under laboratory conditions, but their incorporation into living organisms remains a challenge. 

The researchers investigated a bacterial metabolic pathway for the conversion of formic acid. In a hybrid process, CO₂ is first converted to formic acid by electrochemical reduction, which serves as a basis for growth for some bacteria. For the microbial part of the hybrid process, the team used the so-called reductive glycine pathway, the most efficient artificial metabolic pathway for carbon fixation to date.

Optimizing bacteria through laboratory evolution

The partner laboratory in Wageningen had already succeeded in integrating the reductive glycine pathway in Cupriavidus necator - a non-phototrophic bacterium that needs the Calvin cycle for CO₂ fixation, but not for photosynthesis. However, it had not yet been possible to make the new metabolic pathway more efficient than the Calvin cycle.

This is where Erb and his colleagues came in, having already successfully used adaptive laboratory evolution to optimize individual metabolic steps. They transferred the genes for the metabolic pathway into the bacterium using mobile DNA elements that insert themselves randomly into the genome. The bacterial cells that grew better than others were then selected. A comparison in the bioreactor showed that the artificially modified and optimized bacterial strain was able to produce significantly more biomass than the natural original strain or other comparable organisms by utilizing formic acid.

The researchers want to further accelerate the metabolic pathway through continued laboratory evolution. According to the authors, the results could make sustainable bioproduction from formic acid even more efficient and thus make the substance more usable as a chemical energy source.

chk

In der Natur wird CO₂ vor allem über den Calvin-Zyklus fixiert, der Teil der Photosynthese ist. Der Marburger Mikrobiologe und Leibniz-Preisträger Tobias Erb arbeitet seit Längerem daran, natürliche Fixierungswege mithilfe der synthetischen Biologie effizienter zu gestalten.

Jetzt ist einem Team um Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und Nico Claassens an der niederländischen Wageningen University ein entscheidender Durchbruch gelungen: Erstmals konnten die Forschenden zeigen, dass die synthetische Kohlenstoff-Fixierung im lebenden System effizienter arbeiten kann als ihre natürlichen Vorbilder. Wie nun im Fachjournal Nature Microbiology beschrieben ist, gelang es ihnen, einen künstlichen Stoffwechselweg in ein genetisch verändertes Bakterium einzubauen. Daraufhin konnte dieses aus Ameisensäure (Formiat) und CO₂ deutlich mehr Biomasse erzeugen als natürliche Bakterienstämme.

Synthetische Biologie verbessert CO₂-Fixierung

„Es ist faszinierend, dass wir mithilfe der synthetischen Biologie innerhalb weniger Jahre neue Lösungen entwerfen können, die effizienter funktionieren als das, was sich in der Natur über Milliarden Jahre entwickelte“, so Erb. Für ihn stellt die Arbeit einen bedeutenden Schritt für das junge Feld der synthetischen Biologie dar.

Erb und sein Team haben bereits synthetische Zyklen zur CO₂-Fixierung entwickelt, die effizienter sind als der natürliche Calvin-Zyklus – darunter den sogenannten CETCH-Zyklus oder den THETA-Zyklus. Diese Stoffwechselwege funktionieren unter Laborbedingungen bereits zuverlässig, der Einbau in den lebenden Organismus bleibt jedoch eine Herausforderung. 

Die Forschenden untersuchten einen bakteriellen Stoffwechselweg zur Umsetzung von Ameisensäure. In einem Hybridprozess wird CO₂ zunächst durch elektrochemische Reduktion zu Ameisensäure umgewandelt, welche einigen Bakterien als Wachstumsgrundlage dient. Für den mikrobiellen Teil des Hybridprozesses setzte das Team den sogenannten reduktiven Glyzinweg ein, den bisher effizientesten solcher künstlichen Stoffwechselwege zur Kohlenstoff-Fixierung.

Bakterienoptimierung durch Laborevolution

Dem Partnerlabor in Wageningen war bereits gelungen, den reduktiven Glyzinweg in Cupriavidus necator zu integrieren – ein nicht-phototrophes Bakterium, das den Calvin-Zyklus zur CO₂-Fixierung braucht, aber nicht für die Photosynthese. Bisher war es jedoch noch nicht gelungen, den neuen Stoffwechselweg effizienter als den Calvin-Zyklus zu gestalten.

Hier setzten Erb und seine Kollegen an, die bereits erfolgreich die adaptive Laborevolution zur Optimierung einzelner Stoffwechselschritte nutzen. Sie transferierten die Gene für den Stoffwechselweg in das Bakterium mithilfe mobiler DNA-Elemente, die sich zufällig ins Genom einbauen. Danach wurden die Bakterienzellen selektiert, die besser als andere wuchsen. Beim Vergleich im Bioreaktor zeigte sich, dass der künstlich veränderte und optimierte Bakterienstamm mit der Verwertung von Ameisensäure deutlich mehr Biomasse bilden kann als der natürliche Ursprungsstamm oder andere vergleichbaren Organismen.

Durch weitere Laborevolution wollen die Forschenden den Stoffwechselweg nochmals beschleunigen. Die Ergebnisse könnten laut den Autoren die nachhaltige Bioproduktion aus Ameisensäure noch effizienter gestalten und den Stoff somit als chemischen Energieträger besser nutzbar machen.

chk

Since the 19th century, phosphorus has been used as a fertilizer in agriculture to help plants grow and thrive. To do this, the material has to be mined or artificially produced, which consumes resources. In order to save resources, the recycling of human faeces can be considered. However, due to the Fertilizer Ordinance, this may only be used for research purposes and not in agriculture. A team from Humboldt-Universität zu Berlin (HU) has now provided new data to adapt the regulation.

Faecal compost as an effective phosphorus fertilizer

In a three-year series of experiments, the research team tested novel agricultural fertilizers on maize plants for the first time: They were treated with compost made from human faeces and a liquid fertilizer derived from human urine. The starting material came from dry toilets. The excrement was heated in a container for seven days and then composted. The results of the study showed that the urine-based fertilizer proved to be an effective source of nitrogen, while the faecal compost was an effective phosphorus fertilizer. The phosphorus concentration increased both in the soil and in the plants. The result was similar for the potassium content. 

A basis for reassessment

According to the researchers, these results provide a data basis for re-evaluating the Fertilizer Ordinance. “Based on the data collected, we can say that these fertilizers, as natural products, can be a useful addition to the nutrient cycle in agriculture,” says Jan-Ole Boness from the Albrecht Daniel Thaer Institute of Agricultural and Horticultural Sciences at HU. Their demand: human excrement should also be included in the list of permitted source materials for fertilizers.

In a follow-up project, the research team would like to investigate further properties of the new recycled fertilizers, such as possible pollutant residues and effects on the climate.

lh

Seit dem 19. Jahrhundert wird Phosphor als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt, damit Pflanzen wachsen und gedeihen. Dafür muss das Material abgebaut oder künstlich hergestellt werden, was einige Ressourcen verbraucht. Um Ressourcen zu sparen, kommt das Recycling von menschlichen Fäkalien in Betracht. Aufgrund der Düngemittelverordnung dürfen diese jedoch nur zu Forschungszwecken und nicht in der Landwirtschaft genutzt werden. Ein Team der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat nun neue Daten geliefert, um die Verordnung anzupassen.

Fäkalkompost als effektiver Phosphordünger

In einer dreijährigen Versuchsreihe hat das Forschungsteam erstmals neuartige Dünger in der Landwirtschaft an Maispflanzen getestet: Sie wurden mit Kompost aus menschlichen Fäkalien und einem aus menschlichem Urin gewonnenen Flüssigdünger behandelt. Das Ausgangsmaterial stammte aus Trockentoiletten. Sieben Tage lang wurde der Kot in einem Container erhitzt und anschließend kompostiert. Die Resultate der Studie zeigten: Der Urindünger erwies sich als wirksamer Stickstofflieferant, der Fäkalkompost als effektiver Phosphordünger. Sowohl im Boden als auch in den Pflanzen stieg die Phosphor-Konzentration. Beim Kalium-Gehalt war das Ergebnis ähnlich. 

Grundlage für Neubewertung

Diese Ergebnisse bieten laut den Forschenden eine Datengrundlage, um die Düngemittelverordnung neu zu bewerten. „Aufgrund der erhobenen Daten können wir sagen, dass diese Dünger als Naturprodukte eine sinnvolle Ergänzung im Nährstoffkreislauf in der Landwirtschaft sein können“, meint Jan-Ole Boness vom Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der HU. Ihre Forderung: In die Liste der für Düngemittel zulässigen Ausgangsstoffe sollen auch menschliche Ausscheidungen aufgenommen werden. 

In einem Folgeprojekt möchte das Forschungsteam weitere Eigenschaften der neuartigen recycelten Düngemittel wie etwa mögliche Schadstoffrückstände sowie Auswirkungen auf das Klima untersuchen.

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Mehr als die Hälfte aller europäischen Gewässer sind mit Chemikalien belastet. Bis zu 70.000 Substanzen verwenden Landwirtschaft und Industrie täglich – 500 davon landen in Flüssen und bedrohen die dortigen Ökosysteme. Dieses Problem wird nun mithilfe von Algen angepackt: Eine Gruppe der Universität Duisburg-Essen nutzt Kieselalgen, um verschmutzte Gewässer zu reinigen. Das Team forscht an einer Methode, mit der Kieselgur – ein natürliches Material aus den fossilen Überresten von Kieselalgen – als Filter zum Einsatz kommt. In einer aktuellen Studie hat das Team um Juniorprofessorin Anzhela Galstyan gezeigt, dass chemisch modifiziertes Kieselgur zwei Schadstoffe entfernen kann. 

Chemische Modifizierung für mehr Effizienz

Kieselalgen sind mikroskopisch kleine einzellige Organismen, die in Gewässern leben und eine Zellwand aus Kieselsäure (Siliziumdioxid) besitzen. Nach ihrem Tod lagert sich diese Zellwand ab und wird zu feinem, pulverisiertem Gestein – Kieselgur. Durch den Umwandlungsprozess nimmt Kieselgur seine charakteristische poröse Struktur an, mit der es Schadstoffe effektiv aufnehmen kann. Um die Adsorptionsfähigkeit des Materials noch effizienter zu machen, haben die Forschenden die Oberfläche mit speziellen funktionellen Gruppen versehen. „Das könnte problemlos auch in industriellem Maßstab umgesetzt werden“, meint die Professorin. 

Vergleich mit etablierter Wasserreinigung

Die Forschenden testeten in ihrer Studie das Kieselgur an zwei exemplarischen Schadstoffen, die häufig aus der Textilindustrie in Flüsse und Grundwasser gelangen: Methylenblau und Methylorange. Unabhängig von verschiedenen Bedingungen wie Salzgehalten und pH-Werten entfernte das Material die Schadstoffe größtenteils oder komplett. Den Forschenden zufolge wurden mithilfe von Kieselgur innerhalb einer Stunde 70 % des Methyloranges und 100 % des Methylenblaus gefiltert. Zum Vergleich untersuchte die Forschungsgruppe Silica, ein in der Wasserreinigung bereits etabliertes Material. Dieses entfernte in derselben Zeit genauso viel Methylorange wie Kieselgur – vom Methylenblau hingegen nur 88 %.

„Umweltfreundlichere und kostengünstigere Lösung“

Das Fazit der Forschungsgruppe: Kieselgur entfernt Schadstoffe mindestens genauso und teilweise sogar effizienter als herkömmliche Wasserreinigungsmittel. Der entscheidende Vorteil sei jedoch, dass Algen nachwachsende Rohstoffe seien und sich mit minimalem Energieaufwand züchten ließen. Im Gegensatz zum etablierten Filtermaterial Aktivkohle sieht Galstyan daher „in Kieselgur eine umweltfreundliche und kostengünstige Lösung zur Wasseraufbereitung“. 

Nun prüfen die Forschenden, wie Kieselgur zur Wasserreinigung in Membranen eingesetzt werden könnte. Die Voraussetzungen sind gegeben: Die Universität Duisburg-Essen verfügt über die weltweit größte Algensammlung. 

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Die Nutzung von CO₂ als Rohstoff oder Baustein für innovative Produkte spielt neben der Vermeidung von Emissionen eine zentrale Rolle beim Erreichen der Klimaziele und wird von der Bundesregierung gezielt gefördert. Mit dem neu eröffneten Transferlabor will das Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) dazu einen Betrag leisten. Am Leibniz-Transferlabor für nachhaltige Energie- und Stofftransformationen (LTLNES) wird sich die Arbeit der Forschenden auf die Entwicklung von CO₂- und klimaneutralen chemischen Prozessen konzentrieren.

Höherwertiger Kohlenwasserstoffe und Chemikalien

Konkret geht es um die Produktion höherwertiger Kohlenwasserstoffe und Chemikalien. „Die Vision ist letztlich eine Kreislaufwirtschaft, die CO₂-neutral funktioniert und mit nachhaltigen chemischen Prozessen weder Klima noch Umwelt gefährdet“, sagt Christoph Wulf. Das Team um den Chemiker wird sich damit befassen, wie das Klimagas CO₂ als Ausgangsstoff für chemische Prozesse genutzt werden kann. Eine Möglichkeit ist die Herstellung von sogenannten E-Fuels aus Kohlendioxid und grünem Wasserstoff. Dafür sollen Pilotanlagen geplant und konstruiert werden.

Kohlendioxid aus Biogas und Atmosphäre

Das für die Herstellung notwendige Kohlendioxid soll aus Biogas oder aus der Atmosphäre gewonnen werden. Hierfür will das LIKAT-Team eine eigene Abscheidungsanlage installieren. Ziel ist es, mit Partnern die Anlage so weit zu entwickeln, dass sie an sogenannten Punktquellen, wie etwa Biogasanlagen, laufen könnte. Darüber hinaus soll grünes Kerosin aus grünem Wasserstoff über die eigene Photovoltaikanlage mittels Wasserelektrolyse produziert, aber auch grünes Methanol kosteneffizient gewonnen und etwa zu Treibstoff für Schiffe weiterverarbeitet werden.

Brücke zwischen Labor und Industrie

Das Transferlabor will aber vor allem eins sein: eine Brücke zwischen Laborexperiment und Industrieverfahren. Im neuen Labor sind neben Materialsynthesen auch Langzeittests von Katalysatoren im Technikumsmaßstab möglich.

Eine neue Arbeitsgruppe unter Leitung von Christoph Wulf wird sich zudem gezielt mit der Forschung an Technologien wie neuen Katalysatoren befassen, um erneuerbare Rohstoffe im Energie- und Wertstoffsektor zu etablieren. Labor und Arbeitsgruppe werden von Bund und Land jährlich mit 1,25 Mio. Euro gefördert. 

bb

Wo Landwirtschaft stattfindet, existieren unweigerlich auch Schädlinge, die die Erträge reduzieren. Deswegen werden häufig chemische Pflanzenschutzmittel eingesetzt. Das Bielefelder Institut für Angewandte Materialforschung der Hochschule Bielefeld (HSBI) forscht an einer biologischen Alternative: Schädlinge sollen künftig mit dem Pilz Beauveria bassiana bekämpft werden.  

Pilze als natürliche Gegner

Lebende Mikroorganismen wie Bakterien oder der Pilz Beauveria bassiana haben ein insektizides Potenzial: Sie kommen natürlicherweise in Böden, Wasser und Luft vor - daher sind sie gut abbaubar. Schädlinge präferieren sie von Natur aus als Wirtstiere, die sie infizieren und am Ende eliminieren. Zudem ist „der Einsatz deutlich sicherer für Umwelt, Erzeuger und Verbraucher als die Nutzung von chemischen Pestiziden“, sagt die Agraringenieurin Natasha Sant‘Anna Iwanicki aus der Forschungsgruppe. 

Flüssigfermentation und vorkonditionierte Trocknung

Damit der Pilz in großer Menge und guter Qualität produziert werden kann, setzen die Forschenden auf Flüssigfermentation: „Bei der Produktion der Pilze in einer Nährstofflösung bilden sie nicht nur verschiedene infektiöse Zellen für die Schädlingsbekämpfung, auch die Industrie bevorzugt dieses Verfahren, denn es lässt sich besser automatisieren und skalieren“, erklärt Iwanicki. Anschließend muss der Pilz wieder getrocknet werden, worauf er jedoch sensibel reagiert. Deswegen hat sich das Team einen innovativen Ansatz überlegt: „Durch Vorkonditionierung verändern wir bei der Kultivierung verschiedene Parameter wie die Temperatur oder die osmotische Konzentration.“ Somit entsteht eine Art Schutzhülle, wodurch Beauveria bassiana die notwendige Trocknung besser übersteht und seine Wirkung auf dem Feld voll entfalten kann.

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