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Bei der Suche nach Naturstoffen für eine nachhaltige und biobasierte Wirtschaft geraten Moose zunehmend in den Fokus der Forschung. Der Grund: Moose wachsen fast überall, da sie sich erstaunlich gut an ihre Umgebung anpassen können. Diese Fähigkeit verdanken die ältesten Landpflanzen der Erde auch der Mitwirkung von Bakterien. Das Zusammenspiel von Moosen und Mikroben wird eine neu gegründete Nachwuchsgruppe am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI) nun genauer untersuchen.

Antimikrobielle Verbindungen im Moos-Mikrobiom aufspüren

Die eher unscheinbaren Grünlinge faszinieren nicht nur als Überlebenskünstler. Sie sind als effektiver Wasser- und Nährstoffspeicher für Ökosysteme unverzichtbar und produzieren zudem wichtige Naturstoffe, die für zahlreiche Anwendungen in der Medizin, Landwirtschaft oder Biotechnologie von Bedeutung sind. „Moose beherbergen ein einzigartiges Mikrobiom, dessen chemische Diversität uns neue Naturstoffe mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten liefern könnte“, erklärt der Leiter der Forschungsgruppe, Jethro Hemmann. So möchte die Gruppe unter anderem antimikrobielle Verbindungen identifizieren, die beispielsweise als neue Antibiotika oder Biopestizide eingesetzt werden können.

Zusammenspiel von Moosen und Mikroben verstehen

Mithilfe der Metabolomik will das Team um Hemmann die molekulare Ebene der Interaktion zwischen Moosen und Mikroben untersuchen. „Unser Ziel ist es, die Rolle von Naturstoffen im Zusammenleben zwischen Mikroben und Moosen zu verstehen. Durch ausgefeilte Kultivierungsmethoden und moderne Ansätze wie Genome Mining und metagenomische Analysen kommen wir neuen Substanzen auf die Spur, die der Wissenschaft bislang verborgen geblieben sind“, sagt Hemmann. 

Die Arbeit der neuen Forschungsgruppe Metabolomik-geleitete Naturstoffentdeckung wird vom Freistaat Thüringen aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds Plus gefördert. Mit Blick auf eine künftige wirtschaftliche Verwertung der Forschungsergebnisse stehen dem Jenaer Team ein Industriebeirat sowie mehrere Thüringer Unternehmen beratend zur Seite. 

Brücke zwischen Forschung und Anwendung

Die neue Forschungsgruppe ist eng vernetzt, unter anderem mit dem Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ der Friedrich-Schiller-Universität Jena. In Interdisziplinären Kooperationen wird hier die Dynamik und Funktion von Mikrobiomen in der Umwelt erforscht –nun ergänzt um das Moos-Mikrobiom als neues Forschungsfeld.

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Düngemengen werden häufig noch anhand veralteter Bodenkarten ermittelt oder einfach nur geschätzt. Diese Angaben sind jedoch zu ungenau und führen zu fehlerhaften Berechnungen des Düngebedarfs. Die Folge: Pflanzen erhalten entweder zu viel oder zu wenig Nährstoffe, was wiederum zu Lasten von Ertrag, Bodenqualität und Umwelt geht. Hier setzt das Projekt BoDi – Bodensensorbasiert optimiertes Düngungsmanagement als interoperable landwirtschaftliche Dienstleistung an. Darin will ein Forschungsteam unter Beteiligung des Leibniz-Instituts für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) mit Industriepartnern ein digitales Werkzeug zur Verbesserung des Düngemanagements in der Landwirtschaft entwickeln. 

Software zur präzisen Bestimmung des Düngebedarfs 

Im Rahmen des Verbundvorhabens soll ein Softwarepaket zur präzisen Bestimmung des Düngebedarfs entstehen. Anhand von Sensordaten sowie Messwerten zum Nährstoffbedarf soll das neue Programm – dem Standort sowie dem Klima entsprechend – praxistaugliche Modelle der Bodenart erstellen. 

Bodensensorplattform wird optimiert

Die dafür erforderlichen Bodendaten wie beispielsweise die Korngröße liefert eine Sensorplattform, die bereits als Prototyp vorhanden ist. Im Rahmen von BoDi wird diese für den Markt optimiert. Dafür soll die Technologie mit neuen Funktionen zur präzisen Humusbewertung ausgestattet sowie um die Möglichkeit der Texturkartierung erweitert werden. Das IGZ-Team unterstützt das Vorhaben bei der Entwicklung und Prüfung von Sensortechnologien zur Erfassung der Bodeneigenschaften als auch bei der Modellierung von Erträgen und Nährstoffflüssen.

Wirtschaftlicher Effekt in Millionenhöhe zu erwarten

Die Forschenden sind überzeugt, dass ein optimiertes Nährstoffmanagement die Erträge landwirtschaftlicher Betriebe steigert, Kosten senkt und Nährstoffverluste reduziert. Nach Angaben des Projektteams könnte allein das Land Brandenburg bei Einsatz der Technologie mit einem „Plus von 80 Mio. Euro jährlich“ rechnen. 

Das vierjährige Forschungsprojekt BoDi wird von der Hochschule für Nachhaltige Entwicklung Eberswalde geleitet und mit rund 3,9 Mio. Euro im Rahmen der europäischen Innovationspartnerschaft vom Europäischen Landwirtschaftsfonds für die Entwicklung des ländlichen Raums und dem Land Brandenburg gefördert. Daran beteiligt sind insgesamt acht Partner aus Forschung und Industrie. 

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Every year, trillions of liters of wastewater are treated in sewage treatment plants. What flows out of households, businesses, and industry is processed in three elaborate purification stages. However, current treatment facilities are still unable to remove 100% of all pollutants. As a result, persistent chemicals, microplastics, and pharmaceuticals continue to find their way into bodies of water – and therefore into nature. Researchers at the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB in Straubing have been working on a solution.

As part of the MycoSorb project, a team led by Steffen Roth developed a bio-based filter designed to remove pharmaceuticals from wastewater. The initiative was funded with approximately €65,000 by the German Federal Ministry of Education and Research from October 2023 to September 2024 under the innovation competition “New Products for the Bioeconomy.” During the one-year exploratory phase, the focus was on producing mushroom-based adsorbent materials capable of filtering out specific pharmaceutical compounds.

“Pharmaceutical compounds consist of a wide range of molecules with very different structures, making them difficult to remove completely using conventional methods,” describes project lead Roth. “Our approach was to address the so-called ‘fourth purification stage,’ which is currently being debated for wastewater treatment plants across the EU. We aimed to develop a filter that could remove these substances.”
The team concentrated on three substances: Metformin, a widely found antidiabetic drug for type 2 diabetes; the painkiller Diclofenac; and the antiepileptic Carbamazepine.
 

Selecting fungal strains with hydrophobic surfaces

The MycoSorb filter was designed to be functionalized through a combination of mushroom strains and specific additives, allowing it to be adapted to the needs of various treatment plants. First, researchers needed to identify suitable fungi. In collaboration with mycology expert Matthias Gube from the University of Applied Sciences and Arts Hildesheim/Holzminden/Göttingen, they selected the sheathed woodtuft and the sulphur tuft. “A key selection criterion was whether the mushrooms had hydrophobic surfaces to which the pharmaceutical compounds could adhere,” Roth explains.

But the mushroom-based filter wasn’t just intended to be biodegradable and low-cost – it also had to be stable. According to Roth, it needed “to achieve high structural stability so it doesn’t break down on its own.” Greater stability and improved mycelial growth were achieved, for instance, by combining different substrates. Mixtures of rapeseed husks or hemp shives with wheat bran yielded the best results.

In Kläranlagen werden jährlich Billionen Liter Abwasser aufbereitet. Was aus Privathaushalt, Gewerbe und Industrie im Abfluss landet, wird in drei aufwendigen Reinigungsstufen im Klärwerk behandelt. Aktuell sind die Anlagen jedoch noch nicht in der Lage, alle Schadstoffe zu 100 % zu entfernen. So landen noch immer Ewigkeitschemikalen, Mikroplastik und Medikamente in den Gewässern und damit in der Natur. Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Straubing haben Forschende an einer Lösung gearbeitet.

Im Projekt MycoSorb entwickelte ein Team um Steffen Roth einen biobasierten Filter, der Medikamente aus dem Abwasser entfernt. Das Vorhaben wurde von Oktober 2023 bis September 2024 vom Bundesforschungsministerium im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ mit rund 65.000 Euro gefördert. Im Fokus der einjährigen Sondierungsphase stand die Herstellung pilzbasierter Adsorbermaterialien, die bestimmte Medikamentenwirkstoffe filtern.

„Medikamentenwirkstoffe bestehen aus einer breiten Palette von Molekülen, die ganz verschieden aufgebaut sind und daher mit den gängigen Methoden nicht vollständig herauszubekommen sind“, erläutert Projektleiter Roth. „Unser Ansatz war daher die vierte Reinigungsstufe, die für Kläranlagen innerhalb der EU aktuell debattiert wird. Dafür wollten wir einen Filter entwickeln, der die Stoffe entfernt.“ Im Projekt hat sich das Team auf drei Substanzen konzentriert: Metformin – ein Wirkstoff gegen Diabetes Typ 2, der sehr häufig im Abwasser enthalten ist, das Schmerzmittel Diclofenac sowie das Antiepileptikum Carbamazepin.

Pilzstämme mit hydrophoben Oberflächen ausgewählt

Durch die Auswahl der Pilze sowie bestimmter Zusatzstoffe – sogenannte Additive – sollte der Mycosorb-Filter so funktionalisiert werden, dass er entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen in den Klärwerken angepasst werden kann. Zunächst mussten die Forschenden jedoch geeignete Pilzstämme finden. In Zusammenarbeit mit dem Pilzexperten Matthias Gube von der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen fiel die Wahl auf das Gemeine Stockschwämmchen und den Grünblättrigen Schwefelkopf. „Entscheidend für die Auswahl der Pilze war unter anderem, ob sie hydrophobe Oberflächen haben, wo sich die Wirkstoffe anlagern können“, erläutert Roth.

Doch der pilzbasierte Filter sollte nicht nur aus biologisch abbaubaren und kostengünstigen Materialien bestehen, sondern Roth zufolge auch „eine hohe Stabilität erreichen, damit er sich nicht von selbst auflöst“. Mehr Stabilität und ein verbessertes Myzelwachstum konnten beispielsweise durch die Mischung verschiedener Substrate erzielt werden. Hier zeigten Kombinationen von Rapssamenschalen oder Hanfschäben mit Weizenkleie die besten Ergebnisse.

Biochar has long been known in agriculture as a soil improver. The charred remains of plant biomass not only promote soil quality but also stimulate plant growth. In addition, its potential to compensate for the greenhouse gas carbon dioxide, is immense. Researchers at the University of Tübingen have now colonised biochar made of wood with microfungi and developed a special substrate for horticulture, which promotes root growth in seedlings and makes them more resistant to fungal diseases. The microorganisms belong to the fungal genus Serendipita, which lives in symbiosis with many plant roots. The special substrate created by the biologists at Tübingen was sponsored by Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the ideas competition “New Products for the Bioeconomy” with €60,000.

The beneficial properties of biochar have been known for a long time; however, these properties have only been intensively researched in the last few years. The advantage: the minerals in the plant starting materials such as straw, wood or other biomass, are not lost during carbonisation, but bind to the surface of the biochar. This is added to the soil as a natural nutrient depot for fields and plants. Furthermore, depending on the type of biomass, biochar has the ability to absorb carbon in large quantities over a long period of time and thus curb CO2 environmental pollution.

Turning biochar into renewable plant crop cultivation 

The potential of using biochar for agriculture and crop cultivation is a goal that is being intensively funded by the Federal Research Ministry. In the project “Biochar-based root inoculation for renewable crop cultivation”, researchers from the University of Tübingen have looked at how to increase the beneficial properties of biochar for plant growth using bio microfungi. Within the sponsored project, the team, led by biologist Michael Weiß have experimented with biochar from wood. “We opted for charcoal, because it has a large internal surface area and thus many pores that provide microorganisms with niches where they can settle within the charred wood,” explains White.

Microfungus increases the potential of biochar

It is known that many plants live in symbiosis with microorganisms that live in their roots. Michael Weiß and his team have now tried to combine this natural microbial plant elixir with the beneficial properties of biochar. To do this they chose a type of microfungus called Serendipita, which according to the latest findings, is present in nearly all plant roots. Weiß and his student assistants were able to experiment with about a dozen types of the Serendipta genus: “We tried to settle the various fungi on coal. At the end, black charcoal, which was colonised by microfungi, emerged. This means that this powder is alive.”

Special substrate encourages root growth and makes young plants pest-resistant

Inoculating biochar with microfungi also has another purpose. The microfungi should also act as a natural weapon against harmful fungi, which can be dangerous to young plants. The effect of the biochar-based substrate was subsequently tested on different plant cuttings. The first results were very promising. “When mixing the substrate with potting soil or loose substrates for cuttings, they develop faster and with more roots. Furthermore, the plants are stronger and more resistant against fungal diseases,” reports Weiß.

Useful helpers for ecological horticulture

As in nature, after germination, the seedlings form a symbiotic community with the microfungi. As part of the BMBF project, biologist Michael Weiß could thus lay the foundation/basis for a special substrate, which can be a useful aid, in particular for horticulturists in the rearing of young plants. There are already prospective buyers from organic gardening. As part of Weiß’s newly established Steinbeis Innovation Centre "Organismic Mycology and Microbiology", the fungi expert will continue the development of the new plant granules. “The task now is to find very specific formulations for various applications like, for example, supplements for substrates to produce seedlings". At the same time, Weiß wants to examine which substrate is particularly suitable for which plant, and whether the biochar-based substrate is suitable for seed treatment, to protect seeds in a natural and sustainable way.

Author: Beatrix Boldt

Biokohle ist seit Langem in der Landwirtschaft als Bodenverbesserer bekannt. Die verkohlten Reste aus Pflanzenbiomasse fördern nicht nur die Bodenqualität und kurbeln das Pflanzenwachstum an. Auch das Potenzial, das Treibhausgas Kohlendioxid zu kompensieren, ist enorm. Forscher der Universität Tübingen haben nun Biokohle aus Holz mit Mikropilzen besiedelt und daraus ein Spezialsubstrat für den Gartenbau entwickelt, das bereits bei Jungpflanzen das Wurzelwachstum fördert und sie zugleich robuster gegen pilzbedingte Krankheiten macht. Die Mikroorganismen gehören zu der Pilzgattung Serendipita, die in Symbiose mit vielen Pflanzenwurzeln lebt. Das Spezialsubstrat der Tübinger Biologen wurde im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 60.000 Euro gefördert.

Die positiven Eigenschaften von Biokohle sind seit Langem bekannt, sie werden aber erst seit einigen Jahren intensiv erforscht. Der Vorteil: Bei der Verkohlung der pflanzlichen Ausgangsstoffe wie Stroh, Holz oder anderer Biomasse gehen die  Mineralstoffe nicht verloren, sondern binden sich an die Oberfläche der Biokohle. In den Boden eingebracht wird sie so zu einem natürlichen Nährstoffdepot für Äcker und Pflanzen zugleich. Daneben besitzt Biokohle – abhängig von der Art der Biomasse – das Talent, Kohlenstoff in großen Mengen über längere Zeit zu binden und somit die CO2-Belastung der Umwelt zu drosseln.

Mit Biokohle zum nachhaltigen Pflanzenanbau

Das Potenzial der Biokohle für Landwirtschaft und Pflanzenbau verstärkt zu nutzen ist ein Ziel, das vom Bundesforschungsministerium intensiv gefördert wird. Im Projekt „Biokohle-basiertes Wurzelinokulum für den nachhaltigen Pflanzenbau“ haben Forscher der Universität Tübingen nach einer Möglichkeit gesucht, die positiven Eigenschaften der Biokohle für das Pflanzenwachstum noch zu steigern. Und zwar mithilfe von Mikropilzen. Im Rahmen des Förderprojektes experimentierte  das Team um den Biologen Michael Weiß mit Biokohle aus Holz. „Wir haben uns für Holzkohle entschieden, weil sie eine riesige innere Oberfläche und damit viele Poren hat, die Mikroorganismen Nischen bieten, in denen sie sich im verkohlten Holz ansiedeln können“, erklärt Weiß.