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Methan ist neben Kohlendioxid das klimaschädlichste Gas, das entscheidend zur Erderwärmung beiträgt. Sowohl auf dem Meeresgrund als in den Erdoberflächen ist das Gemisch zu finden und wird stets neu gebildet. Das Gros der an der erdnahen Oberfläche erzeugten Methanvorkommen entsteht dabei mithilfe von Mikroorganismen. Etwa eine Milliarde Tonne Methan werden jährlich von Mikroben produziert, wobei jedoch ein Drittel in die Erdatmosphäre wieder entweicht. Trotz seines Rufs als Klimakiller ist Methan eine wichtige Energiequelle und das Hauptprodukt bei der Biogasherstellung. In Biogasanlagen wirken dabei die gleichen Mikroorganismen bei der Methanbildung wie im Magen-Darmtrakt von Rindern oder Schafen.

Methankatalysator identifiziert

"Die biologische Methanbildung ist ein wichtiger Prozess beim globalen Kohlenstoff- beziehungsweise Biomassekreislauf. Es wird von spezialisierten, unter anaeroben Bedingungen lebenden Mikroorganismen gebildet. Diese Organismen sind unter anderem in den Sedimenten von Seen oder Sümpfen zu finden oder beispielsweise im Verdauungstrakt von Wiederkäuern", erklärt Gunhild Layer vom Institut für Biochemie der Universität Leipzig. Gemeinsam mit  britischen Kollegen von der University of Kent konnte die Biochemikern erstmals aufklären, wie dieser "Methankatalysator" entsteht. Über die Ergebnisse berichtet das Forscherteam im Fachjournal „Nature“.

Bekannt war, dass ein spezielles Enzym namens Methyl-Coenzym-M-Reduktase notwendig ist, damit Mikroorganismen in der Natur überhaupt Methan bilden können. Dieses Eiweißmolekül braucht allerdings einen molekularen Assistenten - das sogenannte Co-Enzym F430 - um korrekt zu funktionieren. In seiner chemischen Struktur gleicht F430 der des roten Blutfarbstoffs beim Menschen und dem grünen Pflanzenfarbstoff Chlorophylls - es ist ein komplexes Ringmolekül mit einem Nickel-Atom darin. Wie das Co-Enzym in der Natur entsteht, war bisher allerdings kaum bekannt. Diese Lücke konnte das deutsch-britische Forscherteam jetzt schließen.

Enzymatische Methansysthese im Labor nachgestellt

Um zu verstehen, wie in der Natur das Co-Enzym F430 gebildet wird, haben die Wissenschaftler die an dessen Biosynthese beteiligten Enzyme einzeln produziert, gereinigt und ihre Aktivität getestet. "Es war ein langer und schwieriger Weg bis zur kompletten enzymatischen Synthese des Coenzyms F430, aber die Mühe hat sich gelohnt", sagt Layer. Im Ergebnis konnten die Forscher so erstmals im Labor den natürlichen Protagonisten der Methanbildung herstellen. "Die Aufklärung des Biosynthesewegs für Coenzym F430 vervollständigt unser Wissen über die Bildung der sogenannten 'Farbstoffe des Lebens' zu denen auch Coenzym F430 gehört“, ergänzt britische Forscher Martin Warren.

bb/pg

Organic food is in fashion: in 2016, revenue in this sector grew by almost a tenth in Germany, increasing to 9.5 billion euros. This is according to the latest industry figures put forward in honour of the world's largest specialist trade fair for organic produce 'BIOFACH' that took place between 15 February and 18 February in Nuremberg. In Germany alone, land cultivated for organic farming has increased by almost 9% to a figure of 1.2 million hectares, according to information provided by the Bund Ökologische Landwirtschaft (BÖLW). There are a total of 26,855 agricultural businesses operating in the organic sector with 40,000 companies working in line with the organic standard laid down by law. In 2016, an average of five businesses per day switched to organic farming, according to BÖLW statistics. Organic produce is also popular with customers: surveys suggest that half of Germans buy organic goods regularly or on occasion, nowadays.

Strategy on organic farming published

For the reasons outlined above, the Federal government also aims at strengthening the organic farming sector. This was recently emphasised in the newly published "Deutschen Nachhaltigkeitsstrategie" [German Sustainability Strategy]. By 2030, the long-term goal of a 20% increase in farmland availability for domestic organic farmers is expected to be achieved. In the "Zukunftsstrategie ökologischer Landbau -ZöL"[Future strategy for organic farming], the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) will now clarify exactly how it hopes to reach this objective. "Our farmers should take advantage of the growing sales market on their doorstep", emphasises Minister Christian Schmidt. The paper, consisting of approximately 100 pages, lists how to increase land utilised for organic farming and which research measures are key to ensuring this objective. Germany's main research programme for organic farming, the "Bundesprogramm ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft" (BÖLN)", will thus receive more funding than previously granted. From 2018, a planned budget increase of 50%, leading to a figure of 30 million euros per annum, will be put into force. Furthermore, the growth and processing of protein crops such as soya, lupins, peas or clover will be supported by an additional 6 million euros annually.

Insekten, Würmer oder Krabben sind in vielen Ländern längst eine Delikatesse. Auch hierzulande werden diese Tiere wegen ihres hohen Proteingehalts als gesunde Nahrungsquelle für Mensch und Tier geschätzt. Auf den Speisenkarten einheimischer Restaurants sind sie zwar weiterhin eine Seltenheit, bei Forschern hingegen stehen sie hoch im Kurs. Der Grund: Die Schalen enthalten das nach Cellulose zweithäufigste Polysaccharid der Erde, das Chitin. Wegen seiner strukturgebenden und biokompatiblen Eigenschaften ist es vor allem für Medizin­produkte wie Implantatbeschichtungen gut geeignet. Zugleich ist das Biopolymer ein Ausgangsstoff für die technische Herstellung von Chitosan, das wiederum zur Her­stellung von Fasern, Schaumstoffen oder Folien genutzt wird.

Insekten als Chitinquelle nutzen

Bisher werden dafür vor allem Krabbenschalen als Chitinquelle angezapft. Im Rahmen des Verbundprojektes „ChitoTex“ wollen Forscher unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart nun erstmals aus Insekten den Naturstoff isolieren. Das Insektenchitin soll dann für den Einsatz in der Textilindustrie zur Oberflächenbeschichtung von Garnen und textilen Flächen aufbereitet werden. Das 2015 gestartete Vorhaben wird vom BMBF über drei Jahre mit insgesamt knapp 1 Mio. Euro unterstützt.

Textilfasern widerstandsfähigmachen

Zunächst soll das neuartige Biopolymer zur Beschichtung von Materialien bei der Herstellung von Arbeitskleidung eingesetzt werden. In der Praxis werden sogenannte Schlichtemittel auf die textilen Fasern aufgebracht, um das Garn stabiler zu machen und so zu verhindern, dass der Faden beim Weben reißt. So wird auch Chitosan, ein Derivat des Chitins, als Schlichtemittel eingesetzt. An diesem Punkt setzt das Projekt „ChitoTex“ an. „Wenn man das Chitin modifiziert, könnte das Textil nach Bearbeitung wasser- und schmutzabweisende Eigenschaften annehmen und so ein Ersatz für gängige Beschichtungen sein. So könnte man partiell auf perflourierte Kohlen­wasserstoffe verzichten“, erklärt Projektleiterin Susanne Zibek. Diese Untersuchungen werden im Projekt von den Verbundpartnern  ITV Denkendorf, Lauffenmühle und Dr. Petry durchgeführt.

Soldatenfliege als Chitinlieferant

Als Chitinlieferant dient dem Stuttgarter Team um Susanne Zibek die Schwarze Soldatenfliege, die vom niederländischen Projektpartner, der Firma Protix, gezüchtet und für die Versuche bereitgestellt wird. Zunächst galt es herauszufinden, in welchem Reststrom der Insektenzucht, ob im Kokon oder Exoskelett, das meiste Chitin produziert wird. „Dafür ist es notwendig, die verschiedenen Abfallströme zu untersuchen, zu analysieren und aufzuarbeiten. Denn das Rohchitin enthält noch viele andere Inhaltsstoffe“, erklärt die Forscherin. Dazu gehören neben Proteinen, auch Calcium und Farbpigmente, die zunächst separiert werden müssen, bevor das gewonnene Insektenchitin genutzt werden kann. Mit der Chitinisolation aus Insektenresten betreten die Stuttgarter Forscher Neuland.

Mit Enzymen Chitin in Chitosan umwandeln

Bei der Umwandlung des wasserunlöslichen Chitins in lösliches Chitosan experimen­tieren die Forschern neben der Anwendung von Alkali auch mit Enzymen. Die Enzyme werden von dem norwegischen Partner, der NMBU, und der österreichischen Firma Eucodis, charakterisiert, hergestellt und auf Ihre Eignung hin untersucht. „Wir hatten am Anfang sehr viele Kandidaten. Schließlich nutzen wir maximal zehn Enzyme und hoffen, am Ende aus dreien einen Cocktail herstellen zu können. Denn desto weniger es sind, umso wirtschaftlicher wird es“, berichtet die Bioverfahrenstechnikerin. Mithilfe des richtigen Enzymcocktails hoffen die Forscher, ausreichende Mengen Chitosan für die industrielle Nutzung herstellen zu können.

Positive Zwischenbilanz

Die Aussichten auf Erfolg sind gut. Nach knapp zwei Jahren Forschung fällt die Zwischenbilanz positiv aus. „Wir können bereits erfolgreich das Insekten-Chitin aufreinigen und mit einem langkettigen hydrophoben Molekül chemisch funktionalisieren. Auch haben wir eine Auswahl von Enzymen getroffen, die wir uns anschauen“, sagt Zibek. Erste Proben des chitosan-basierten Ausrüstungsmittels konnten die Fraunhofer-Forscher bereits an die Projektpartner aus der Textilindustrie übergeben. Als nächstes will das Team um Zibek das „Geheimnis des Enzymcocktails“ lüften und dem chitosan-basierten Ausrüstungsmittel mit weiteren speziellen Molekülen, wie Fettsäure die funktionellen Eigenschaften geben.

Sollte das aufwendige Verfahren der Chitinisolation aus Insekten und deren Aufarbeitung gelingen, wäre eine neue nachhaltige Chitinquelle erschlossen. Kostenaufwendige Importe von Krabbenschalen könnten so langfristig entfallen, weil der Naturstoff durch Insektenzüchtung vor Ort verfügbar wäre. Außerdem: Wie das aus Krabben herstellte Pendant, könnte auch das Insektenchitin für biomedizinische Anwendungen oder als Pflanzen- oder Düngemittelzusatz in der Landwirtschaft genutzt werden.

Autorin: Beatrix Boldt

Insects, worms, and crabs are already a delicacy in many countries, and due to their high protein content they are also more and more appreciated as a healthy alternative food source in Germany. Although they’re still rarely seen on the menu of our restaurants, they’re gaining a lot of momentum with scientists for one simple reason: their shells contain chitin, the second most common polysaccharide on this planet – surpassed only by cellulose. Because of its structurally sound and biocompatible properties it is particularly well suited for medical products like implant coatings. At the same time the biopolymer is also being used for the technical manufacturing of chitosan, which in turn is being used for fibers, foam materials, or films.

Using insects as a chitin source

Until now the main source for chitin were crab shells. As part of the cooperation “ChitoTex” scientists headed by the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology in Stuttgart are now aiming to isolate the biopolymer from insects for the first time. The goal is to preprocess the insect-chitin to be used as fiber coating in the textile industry. The three-year project started in 2015 and is subsidized by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with €1 million.

Making textile fibers resistant

The first application of the new biopolymer will be for the coating of materials that are used for work clothes. It is common practice to add so-called sizing agents to textile fibers in order to stabilize the threads and prevent them from breaking during weaving. The chitin-derivative chitosan for instance is being used as a sizing agent. This is where “ChitoTex” steps in. Project leader Susanne Zibek explains “If you modify the chitin, the textiles could be water- and stain-repellant after the treatment, which could replace common coating practices. This way we could forego the use of perfluorinated hydrocarbons.” The project partner ITV Denkendorf, Lauffenmühle, and Petry will investigate these questions.

The black soldier fly as a chitin source

The Dutch company and project partner Protix is breeding the black soldier fly and is thus providing the chitin for the Stuttgart-based team surrounding Zibek. In a first step the researchers asked where most of the chitin was being produced – in the cocoon or the exoskeleton. “To that end we need to investigate and analyze the different waste streams. Because the raw chitin contains many more ingredients”, explains Zibek. Besides protein these ingredients are calcium and color pigments that need to be filtered out before the insect-chitin can be processed any further. The Stuttgart-based scientists are the first to attempt the isolation of chitin from insects.

Using enzymes to transform chitin into chitosan

In order to transform the insoluble chitin into water-soluble chitosan the scientists are using not only alkali but also enzymes. The Norwegian partner NMBU and the Austrian company Eucodis provide, analyze, and characterize these enzymes. “In the beginning we were looking at a lot of candidates. Now we are using ten enzymes and hope that in the end we will find three that we can use to generate a cocktail. The fewer enzymes we use, the more economical the production.” The researchers hope that with the right enzyme cocktail they will be able to produce sufficient amounts of chitosan for an industrial application.

A promising future for insect-chitin

There is a good chance of success. After almost two years of research the first results are positive. “We are already able to purify the insect-chitin and to chemically customize it by means of a long chained hydrophobic molecule. Moreover, we have selected a range of enzymes that we are now analyzing,” summarized Zibek. The Fraunhofer researcher already provided first samples of the chitosan-based agents to project partners in the textile industry. As a next step Zibek and her team aim to decipher the “secrets of the enzyme cocktail” and are planning to add further specialized molecules to the mix, which will provide additional functional properties to the chitosan-based agents.

A successful – albeit elaborate – procedure of isolating and processing chitin from insects would enable a new and sustainable source of chitin. The expensive import of shrimp shells could be replaced by a biological resource that can be bred locally.

Furthermore, and similar to the crab-shell analog, the insect-chitin could also be useful for biomedical applications or for the agriculture industry as plant- or fertilizer-additives.

Author: bb/jmr

Die Savanne zählt zu den größten Lebensräumen der Erde. Die tropisch- und subtropische Vegetationszone nimmt etwa 18 Prozent der Erdoberfläche ein und beheimatet zahlreiche seltene Tiere und Pflanzen. Ein Großteil des Savannen-Areals befindet sich südlich der Sahara in Afrika, im Krüger-Nationalpark. In dem Naturschutzgebiet haben nicht nur die „Big Five“ des Tierreichs ihr zu Hause. Auch einzigartige Pflanzen wie der Baobab, auch Affenbrotbaum oder Lebensbaum genannt, sind hier angesiedelt. „Hinzu kommt, dass die Savannen eine wesentliche Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und damit für das Weltklima spielen“, sagt Victor Odipo von der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Neue Methode zur Vermessung der Savanne

Gemeinsam mit Forschern aus Oxford und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe hat das Jenaer Team um dem Geografen Odipo nach einem Weg gesucht, die pflanzliche Biomasse in diesem einzigartigen Lebensraum zu ermitteln. Denn von der Anzahl der oberirdischen Gewächse hängt die Speicherfähigkeit des Treibhausgases Kohlendioxid ab. Im Fachjournal „Forests“ stellen die Wissenschaftler nun eine Methode vor, mit der erstmals die pflanzliche Biomasse in der Savanne genau vermessen und damit selbst kleine Veränderungen des Ökosystems erfasst werden können. Die Studie wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Freistaat Thüringen unterstützt.

Satelliten- und Bodendaten kombiniert

Grundlage für der Berechnung der Biomasse bildeten sowohl Satellitendaten als auch Daten, die am Boden mithilfe eines terrestrischer Laserscanner (TLS) erhoben werden. Dieser Laser ist in der Lage, die Umgebung in einem Radius von mehreren hundert Metern mit einem Laserstrahl in Bodennähe abzutasten. Radardaten wären wegen der Flickenteppichartigen Struktur der Savanne nicht ausreichend, erklärt Odipo. „Die Radardaten können zwar die Biomasse großer Gebiete erfassen, geben aber nur unzureichend Auskunft über die Struktur der Vegetation“. Um diese Struktur detailliert zu erfassen und in Biomasse umrechnen zu können, werden die Satelliten-Daten daher um bodengestützte Messungen ergänzt. „Auf diese Weise erhalten wir ein vollständiges dreidimensionales digitales Modell der Landschaft, das eine exakte Analyse der Vegetationsstruktur ermöglicht“, erklärt Jussi Baade vom Lehrstuhl für Physische Geographie der Uni Jena.

Praxistest für 3D-Biomassemodell

Nach ersten erfolgreichen Tests in Thüringen wurde die neue Methode im Krüger-Nationalparks in Südafrika zur Ermittlung der Biomasse eingesetzt.  In einem rund 9 Quadratkilometer großen Areal, für das bereits Satellitendaten vorlagen, wurden ausgehend von über 40 Messpunkten Laserscanning-Daten erhoben und diese in das Modell zur Berechnung der Biomasse eingespeist.

Präzisere Daten für Klimamodelle

Das Ergebnis: Auf Grund der Kombination von Satelliten- und Laserdaten kann die Biomasse mit einer Genauigkeit von bis zu 2,9 Tonnen pro Hektar ermittelt werden. Diese Daten haben nun das Potenzial, Klimamodelle genauer zu beschreiben. „Auch für das Monitoring von Veränderungen im Ökosystem Savanne brauchen wir verlässliche Angaben“, betont Victor Odipo. Das neue Modell offenbarte zugleich eine Entwicklung, mit der auch die Forscher nicht gerechnet hatten. Der Studie zufolge nimmt die Biomasse in einem großen Teil des Krüger-Nationalpark von Jahr zu Jahr ab. „Das hatten wir nicht erwartet“, so Odipo, „schließlich handelt es sich ja um ein Naturschutzgebiet“. In diesem Fall scheint aber nicht primär der Mensch für die Veränderungen  verantwortlich zu sein, sondern Elefanten, die im Naturschutzgebiet die Bäume zu Fall bringen.

bb

Jahrzehnte verfolgten Pflanzenzüchter das Ziel, Kulturpflanzen mit maximalem Ertrag zu entwickeln. Inzwischen fordert der Klimawandel ein Umdenken, um die wachsende Weltbevölkerung auch zukünftig ernähren zu können. Denn gegen andauernde Hitze und Trockenheit sind nur wenige Nutzpflanzen gewappnet. Das Problem: Neue Getreide-, Mais- oder Reissorten sind den wechselnden Umwelteinflüssen weniger gewachsen, als einst ihre Vorfahren. Sie haben an genetischer Vielfalt verloren und so Eigenschaften eingebüßt, die den Pflanzen dabei helfen, sich gegen Stressfaktoren wie Trockenheit oder Schädlingsbefall zu rüsten.

Stabile Ernteerträge sichern

Ernteerträge trotz sich wandelnder Umwelteinflüsse in Zukunft stabil zu halten, ist daher das Ziel einer neu gegründeten Forschungsallianz unter der Federführung der Universität Hohenheim. Darin wollen Pflanzenzüchter und Molekularbiologen aus Hohenheim gemeinsam mit der Universität Tübingen und dem Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie Tübingen erstmals Hand in Hand neueste Technologien aus dem Bereich der molekularen Grundlagenforschung systematisch für den praktischen Züchtungsprozess nutzbar machen. Die Arbeit des Forschungsnetzwerkes  wird im Rahmen des Landesprogramms „Regionale Forschungsallianzen“ vom Land Baden-Württemberg mit 900.000 Euro unterstützt. Die gleiche Summe wird von den  Netzwerkpartnern bereitgestellt. „Ich bin sicher, dass diese regionale Forschungsallianz die Voraussetzungen mitbringt, um bahnbrechende Fortschritte bei der Sicherung stabiler Erträge im Pflanzenbau hervorzubringen“, sagt Wissenschaftsministerin Theresia Bauer.

Suche nach widerstandfähigen Vorfahren

Ziel der Allianz ist es, neue Kulturpflanzen zu entwickeln, die auch bei extremen Wetterverhältnissen wie Hitze und langanhaltender Trockenheit zuverlässige Erträge liefern. Eine Möglichkeit sehen die Forscher in der Kreuzung bestehender Pflanzen mit ihren wilden Vorgängern, die sich ihre widerstandsfähigen Eigenschaften noch erhalten haben. Mithilfe moderner Hochdurchsatzverfahren wird bereits heute das Erbgut diverser Arten nach prägnanten Stellen durchforstet, die auf die gewünschten Fähigkeiten schließen lassen. Die Partner im Forschungsnetzwerk wollen jedoch einen neuen Weg gehen. Sie wollen molekularbiologische Erkenntnisse zur pflanzlichen Anpassungsfähigkeit und zu Adaptionsstrategien systematisch in die praktische Pflanzenzüchtung einbeziehen. Dadurch könnten Züchter beispielsweise deutlich schneller optimale „Eltern“ für eine Kreuzung finden.

Forschungswissen vom Labor aufs Feld übertragen

Zunächst stehen die Forscher vor der Herausforderung, sämtliche Erkenntnisse aus den Bereichen wie Genomik, Metabolomik, Proteomik oder Epigenetik auf die realen Bedingungen auf dem Feld zu übertragen. „Die molekularbiologische Forschung an Modellpflanzen im Labor ist der an Nutzpflanzen außerordentlich weit voraus. Im Unterschied zum Labor wirken auf dem Acker jedoch vielfältige Stressfaktoren, die im Zusammenhang erforscht werden müssen“, sagt der Sprecher des Forschungsnetzwerkes, Uwe Ludewig. So können Ludewig zufolge Trockenheit, Schaderreger und Parasiten ihre negativen Wirkungen auf den Ertrag zwar gegenseitig verstärken. Andererseits kann der Stress auch positive Effekte haben, so dass einzelne Pflanzenvarianten, sogar resistent gegenüber Schädlingen werden können.

bb

It is a high-tech-technology prize with ambitious goals: The XPRIZE Foundation instigates international high-profile prize competitions in order to inspire individuals, companies and organizations to develop innovative ideas and technologies that benefit humanity. The Shell Ocean Discovery XPRIZE is a three-year global competition offering 7 million US-dollars to that team, which develops new ways to map the ocean floor at depths and resolutions that have never been achieved before. To that end the teams are developing innovative deep-sea robots that will create 3D maps of the ocean floor in unprecedented detail to help advance ocean exploration. Out of 21 semi-finalists, only four European teams, including only one German team remain in the competition, which is sponsored by Shell. The winning team of the coveted 7 million US-dollars will be announced in December 2018.

Ocean floors are still mostly unexplored territory

The current XPRIZE competition is focused on ocean exploration. Detailed information on the geological and biological make-up of the deep ocean is urgently needed in order to protect this sensitive ecosystem and ensure the efficient and sustainable use of marine resources. Right now that information is simply not available. In fact, only five percent of the sea floor has been explored to date, meaning that roughly 60 percent of the Earth’s surface has been mapped and examined in considerably less detail than the surfaces of distant celestial bodies such as the moon, Mars, and Venus.

Considering economic and commercial aspects, seabed mining for minerals for instance is a promising market to reduce the burden on terrestrial mines, however, according to the rules set by the International Seabed Authority, promising seabed mineral deposits can only be extracted after undertaking an exhaustive analysis of what effect this extraction would have on the ecosystem. But conducting that kind of analysis requires extensive data on the geology and biology of the relevant section of the ocean floor.

Best-sellinger author Frank Schätzing supports the team

The Fraunhofer-Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB was established in the beginning of 2010 and quickly became one of the leading research institutes in the field of image acquisition, processing and analysis. This is of course also represented by the fact that the “Arggonauts” are the only German team to qualify for the semi-finals of the Ocean Discovery XPRIZE challenge, which also makes them one of only four remaining European teams. The team is led by physicist Gunnar Brink, head of strategy and innovation management at Fraunhofer IOSB based in Karlsruhe. Frank Schätzing, author of the deep-sea novel and international best seller “The Swarm”, is supporting the team as a brand ambassador. “Technological and commercial obstacles have so far prevented us from carrying out detailed exploration and mapping of the deep ocean. (...) But we’re confident that the Arggonauts team can go a long way towards rectifying this situation”, says Jürgen Beyerer, director of Fraunhofer IOSB.

Exploring the deep-sea via autonomous vehicles

The swarm of deep-sea robots developed for the XPRIZE competition is based on two successful pilot projects already completed by the institute. The first project, “TIETEK”, focused on the basic technologies required to create modular, pressure-tolerant, deep-sea autonomous, underwater vehicles (AUVs). This led to the second project, “DEDAVE”, in which scientists created a commercially viable deep-diving AUV and carrier platform.

Fraunhofer researchers are now in the middle of modifying and optimizing this technology to create the Arggonauts swarm, paying particular attention to vehicle dimensions, data processing and sensor systems. The carrier system has also undergone a complete transformation: conventional exploration robots require large, expensive mother ships to deploy and recover them at the mission site, but the Arggonauts simply make do with small, autonomous carrier vehicles. “That opens up the perspective of a radically cheaper technology that could be used more widely, potentially allowing it to be deployed on behalf of medium-sized companies, environmental organizations and research institutes”, project manager Brink concludes.

jmr

Ein wissenschaftliches Problem lösen, die Grenzen neuer Technologien verschieben und dafür eine Megasumme Geld bereitstellen – das ist das Markenzeichen der XPRIZE Foundation. Frühere Ausschreibungen suchten etwa nach kosteneffizienteren Mondlandungen oder nach innovativen Methoden, um ölverschmutzte Meeresoberflächen zu reinigen. Die aktuelle Ausschreibung ist der Shell Ocean Discovery XPRIZE. Die Aufgabe: Das Team welches es schafft, den Ozeangrund in nie zuvor erreichten Details zu kartographieren erhält die Gewinnsumme von 7 Millionen US-Dollar. Dafür entwickeln die Forscherteams Tiefsee-Roboter, die 3D-Karten des Meeresbodens erstellen sollen, um die Erforschung des Biotops am Meeresgrund voranzutreiben. Der Wettbewerb hat nun das Halbfinale erreicht. Das Fraunhofer-Team „Arggonauts“ ist das einzige deutsche Team unter den 21 internationalen Mannschaften, die noch im Rennen sind. Die Ausschreibung wird von Shell gesponsert und die Gewinner werden im Dezember 2018 gekürt.

Der Boden der Ozeane ist größtenteils immer noch unergründet 

Diesmal beschäftigt sich der XPRIZE-Wettbewerb mit der Erforschung der Ozeane. Denn detaillierte Informationen zu den geologischen und biologischen Gegebenheiten der Tiefsee werden dringend benötigt, um diese empfindlichen Ökosysteme zu erkunden und zu schützen. Tatsächlich sind bisher nur etwa 5% des Meeresbodens erkundet, damit sind 60% der Erdoberfläche quasi Terra incognita.

Aus ökonomischer Sicht ist der Rohstoffabbau vom Meeresboden eine lukrative und nachhaltige Alternative, um Festland-Ressourcen zu schonen. Allerdings gibt die International Seabed Authority vor, dass mineralische Ablagerungen nur abgebaut werden dürfen, wenn vorher genau festgestellt wurde, welchen Einfluss dieser Abbau auf das Ökosystem haben würde. Diese Analysen bedürfen jedoch ausgiebiger geologischer und biologischer Daten über den Meeresboden.

Bestseller-Autor Frank Schätzing unterstützt das Team

Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB wurde im Januar 2010 gegründet und hat sich seit dem schnell als einer der führenden Forschungsstandorte im Bereich der Bildgewinnung, Bildverarbeitung, und Bildanalyse etabliert. Dass es die „Arggonauts“ ins Halbfinale der Ocean Discovery XPRIZE Challenge geschafft haben, ist für die Karlsruher bereits ein großer Erfolg. Das Team steht unter der Leitung des Physikers Gunnar Brink, der als Leiter des Strategiemanagements am Fraunhofer IOSB in Karlsruhe angesiedelt ist. Mit Frank Schätzing  („Der Schwarm“) unterstützt ein prominenter Bestseller-Autor das Team als Markenbotschafter. 

Feinschliff für den Arggonauten-Schwarm

Die für den XPRIZE entwickelte Tiefseeroboter-Technologie basiert auf einem Schwarm-Konzept: Die Idee ging aus zwei erfolgreichen Vorprojekten des Instituts hervor: Im Rahmen von „TieTek“ wurden Basistechnologien für druckneutrale, modulare autonome Tiefsee-Unterwasserfahrzeuge geschaffen.

Auf dieser Grundlage entstand in einem weiteren Projekt der marktfähige Tauchroboter „DEDAVE“ samt dazugehörendem Trägerfahrzeug. Für die neue Flotte modifizieren und optimieren die Forscher die bestehende Technik nun weiter, insbesondere im Hinblick auf Fahrzeugmaße, Datenverarbeitung und Sensorik. Darüber hinaus wird auch das Trägersystem revolutioniert: Während alle herkömmlichen Explorationsroboter große und teure Mutterschiffe für das Aussetzen und Bergen am Ort der Mission benötigen, werden die „Arggonauts“ dafür kleine autonome Trägerfahrzeuge einsetzen.

„Auf diese Weise wird die Technologie perspektivisch drastisch wirtschaftlicher und kann eine viel breitere Anwendung finden – etwa im Auftrag mittelständischer Unternehmen, Umweltorganisationen oder Forschungseinrichtungen“, erklärt Projektleiter Brink.

jmr

Die gemeine Miesmuschel hat mehr zu bieten als Perlmutt. Den besonderen Entstehungsprozess der reißfesten Fäden, mit denen sie sich am Meeresboden festhalten, haben Wissenschaftler am Max-Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm nun entschlüsselt. Die Produktion dieser Byssusfäden passiert offenbar weitgehend autonom im Fuß der Muschel. „Viele Ausgangsstoffe der Biopolymere formieren sich ganz von selbst zu der komplexen Struktur, einfach weil die Muschel sie an bestimmten Stellen und zeitlich aufeinander abgestimmt freisetzt“, beschreibt Max-Planck-Forscher Matt Harrington den raffinierten Prozess. Für die grüne Chemie könnten die im Fachmagzain „Nature Communications“ veröffentlichten Ergebnisse als Blaupause dafür dienen, wie sich biobasierte und selbstheilende Polymere auf technisch einfachen und umweltfreundlichen Wegen zu komplexeren Strukturen zusammensetzen lassen.

Eindrucksvoller Unterwasserkleber

In ihren Forschungsarbeiten sind die Wissenschaftler dem Entstehungsprozess der Byssusfäden erstmals auf den Grund gegangen. Muscheln verwenden dieses gelbliche Fadengespinst, um sich am Grund oder an Steinen zu verankern. Am Ende der Fäden befindet sich eine kleine Platte, die selbst unter Wasser eine außergewöhnliche Haftung besitzt. Diese unvergleichliche Klebkraft erstaunt selbst die Forscher, und ihr Entstehungsprozess könnte nun auch als Inspiration für die Entwicklung neuer Polymere dienen. Das Biopolymer, das den Kern der Faser bildet, ist sehr reißfest und heilt zudem von selbst, wenn es beschädigt wird. Gleichzeitig ist die Hülle der Fäden hart wie das Epoxidharz – ein Material aus dem etwa Leiterplatinen hergestellt werden – sowie dennoch dehnbar. Aufgrund dieser vielfältigen Eigenschaften wollen Chemiker verstehen, wie das Schalentier dieses Material herstellt.

Separate Drüsen koordinieren die Entstehung

Schon länger war bekannt, dass die Muschel die Byssusfäden spinnt, indem Drüsen die Ausgangsstoffe in eine feinen Rinne in ihrem Fuß fließen lassen. Jetzt hat das Forscherteam um Harrington am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung herausgefunden, dass es drei separate Drüsen gibt, die jeweils einem Teil des Byssusfadens zugeordnet sind - für die Platte am Ende eines Fadens, seinen Kern und seine Haut. In den jeweiligen Drüsen befinden sich dann in Vesikeln die passenden Mischungen der Ausgangsstoffe. Die Max-Planck Forscher konnten nun zeigen, dass die Differenzierung der Drüsen, ihre Position und der Zeitpunkt, zu dem sie ihre Vesikel freisetzen, entscheidend sind, damit die drei Teile der Faser dort entstehen, wo sie hingehören. Perfekt aufeinander abgestimmt kommen so an den verschiedenen Stellen die Vesikel mit den Komponenten für die Polymere des Kerns, der Haut und des Bodenplättchens in der Rinne zusammen und ordnen sich dort zu einem Material mit komplexer Struktur.

Das hat das Potsdamer Team beobachtet, indem sie die Drüsen im Muschelfuß künstlich zur Abgabe der Vesikel anregten, den Fuß aber ansonsten lähmten, um ihn untersuchen zu können. Dann froren sie mehrere Füße in verschiedenen Phasen der Bioproduktion der Fäden ein und analysierten sie scheibchenweise mit einer spektroskopischen Methode, die ihnen etwas über die chemische Zusammensetzung der Stoffe verriet. Die Ergebnisse dieser Analysen verglichen sie mit den Resultaten von Experimenten, in denen sie verschiedene chemische Bestandteile der Fasern unterschiedlich einfärbten. „Da in dem gelähmten Fuß nur die Drüsen funktionierten, konnten wir genau unterscheiden, welche Schritte der Biopolymerisation selbstorganisiert stattfinden, und wo die Muschel noch regulierend eingreift“, erklärt Max-Planck-Forscher Tobias Priemel, der an den Untersuchungen maßgeblich beteiligt war.

Fehlerfreie Fadenproduktion nachahmen

Wird die Synthese jedoch künstlich eingeleitet, können die Fäden Fehler aufweisen. Offenbar hat der Muschelfuß selbst noch eine Rolle bei der Formation der Fäden. Matt Harrington und seine Forschungsgruppe will nun herausfinden, wie die Muscheln die Fäden ohne Fehler produzieren können. Er selbst sagt: „Wenn wir wissen, welche Faktoren wichtig sind, damit sich die Biopolymere selbstorganisiert ordnen, können wir komplexe Polymere in der Technik vielleicht auf ähnliche Weise erzeugen.“ Sobald die Geheimnisse der Byssusproduktion bei Miesmuscheln noch weiter entziffert sind, könnte sie als Vorbild für die industrielle Synthese von Polymeren dienen: „Mein Traum ist es, mithilfe der Erkenntnisse, die wir an den Byssusfäden gewinnen, einmal in einem umweltfreundlichen Verfahren selbstheilende Materialien herzustellen, die auch ähnliche mechanische Eigenschaften haben wie die Byssusfäden.“

jmr