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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.

Der Lachs gehört ohne Zweifel zu den beliebtesten Speisefischen. Immer neue und immer größere Zuchtbetriebe und Aquakulturen entstehen, um die riesige Nachfrage zu bedienen. Mit Konsequenzen für die Umwelt. Chile ist weltweit einer der wichtigsten Lachsproduzenten – nur Norwegen produziert mehr. Rund 820.000 Tonnen Lachs pro Jahr stammen aus dem südamerikanischen Land - das bringt bis zu fünf Milliarden US-Dollar ein. Doch wie wirkt sich die Massenproduktion auf die Umwelt aus? Deutsche und chilenische Wissenschaftler haben nun zusammen unter der Leitung des Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ die Verschmutzungen der Gewässer durch gelöste organische Stoffe aus Lachsfarmen genauer untersucht. Die Forscher warnen im Fachjournal "Scientific Reports" davor, dass die Ökosysteme durch die Lachszucht massiv belastet und beeinträchtigt werden.

Chiles Lachse ziehen mehrmals um

In der Natur legen Lachse im Laufe ihres Lebens lange Wegstrecken zurück. Die Eiablage findet nahe den Quellgebieten von Flüssen statt, wo der Nachwuchs auch schlüpft und anfangs lebt. Im Laufe ihrer Entwicklung wandern die Fische dann in Richtung Meer, um zur Fortpflanzung abermals zu den Oberläufen der Flüsse zurückzukehren. Die Zuchtfarmen müssen diese unterschiedlichen Lebensräume entsprechend abbilden. Daher gibt es in den klaren chilenischen Oberflüssen einige hundert Aufzucht-Stationen für die Eier und die jüngsten Tiere, größere Lachse leben hingegen in Käfigen in den Seen des Landes, während die ausgewachsenen Tiere in Käfigen vor der Küste im Meer untergebracht sind.

Antibiotika im Quellwasser

Doch diese Lachs-Massenproduktion bleibt nicht ohne Folgen für die Umwelt: Aus den Käfigen für die mittelgroßen und großen Fische rieseln Kot, Futterreste und andere Substanzen in die Seen und Küstengewässer des Landes. Außerdem wird oftmals aus den sauberen und naturbelassenen Flüssen der Anden Wasser für die Aufzuchtstationen abgeleitet, welches flussabwärts verschmutzt wieder eingeleitet wird. UFZ-Biologe Norbert Kamjunke: "Es darf inzwischen zwar kein völlig trübes Wasser mehr eingeleitet werden, dennoch ist es eine Belastung für die Anwohner und die Umwelt gleichermaßen". Die Partikelmenge im wieder eingeleiteten Wasser muss unter bestimmten Grenzwerten bleiben, doch für gelöste Substanzen gibt es solche Vorschriften noch nicht. Tatsächlich haben Kamjunke und Kollegen in einer früheren Studie herausgefunden, dass pro 50 Tonnen gezüchtetem Lachs rund 40 Tonnen gelöstes organisches Material in den Flüssen landen. Zu diesen Substanzen, mit dem Kürzel DOM (Dissolved Organic Matter), gehören die flüssigen Ausscheidungen der Lachse sowie aufgelöste Reste von Futter, aber auch Desinfektionsmittel und Antibiotika.

Organische Stoffe beeinträchtigen Ökosystem

Das Forscherteam hat Wasserproben oberhalb und unterhalb von vier chilenischen Aquakulturen entnommen, und die gelösten Stoffe genauestens analysiert. Generell ist in den naturnahen Flussabschnitten wenig organisches Material gelöst, sodass dort sehr nährstoffarme Bedingungen vorliegen. Durch die Einleitung der Aquakultur-Abwässer gelangen jedoch große Mengen von leicht abbaubaren Verbindungen in die Gewässer. Vor allem Kohlenhydrate, Proteine und Lipide finden sich unterhalb der Anlagen in viel höheren Konzentrationen als oberhalb. „Dadurch verändert sich das ganze Ökosystem", erläutert Kamjunke. Die Bakterien die unterhalb der Anlagen das gelöste organische Material abbauen verbrauchen außerdem sehr viel Sauerstoff, was für viele an saubere und sauerstoffreiche Fließgewässer angepasste Arten lebensbedrohlich ist.

Grenzwerte könnten Gewässer schützen

Eine frühere Studie der Magdeburger Forscher konnte außerdem zeigen, dass selbst bei bakterien-optimalen Bedingungen wie hohen Temperaturen und langsamen Fließgeschwindigkeiten die Belastungen erst etwa 2,7 Kilometer unterhalb der Anlage wieder abgebaut sind. Laut den Forschern spräche demnach vieles für festgelegte Grenzwerte für die eingeleiteten DOM-Konzentrationen. Die Forscher plädieren zudem dafür, an den chilenischen Flüssen keine weiteren Aquakulturen mehr einzurichten. Für neue Lachsfarmen in den Seen haben die Behörden bereits einen Genehmigungsstopp verhängt. Daher gibt es bei den Betreibern nun Überlegungen, auch die Haltung der mittelgroßen Lachse von den Seen in die Flüsse zu verlegen. „Das könnte theoretisch durchaus klappen", so Norbert Kamjunke, „ökologisch gesehen aber wäre es überhaupt keine gute Idee".

jmr

Gartenmöbel und Zäune aus Tropenholz sind wegen ihrer edlen Optik beliebt. Auch Hersteller von Holz-Musikinstrumente schätzen die exotischen Hölzer seit Langem. Für Geigen- und Gitarrenbauer ist jedoch die Klangeigenschaft des Holzes entscheidend. Heimische Hölzer konnten bislang in punkto Akustik nicht mithalten. Die Verwendung von Tropenhölzern ist jedoch seit Langem umstritten. Weltweiter Waldverlust, illegale Rodungen und umstrittene Formen der Waldwirtschaft haben sowohl den Bestand als auch dem Image der edlen Hölzer geschadet. Viele Tropenhölzer, darunter die zum Gitarrenbau bevorzugten Palisanderhölzer, stehen daher unter Artenschutz, was den Handel erschwert.

Heimische Thermo-Tonhölzer für den Gitarrenbau

Beim Bau von Gartenmöbeln konnte sich inzwischen eine Alternative zu Tropenholz durchsetzen: Indem heimische Hölzer thermisch behandelt werden. Für Zupf- und Streichinstrumente war dieses Verfahren bisher nicht geeignet. Der Grund: Musikinstrumente sind zu anspruchsvoll, um die Holzeigenschaften zu ersetzen. Diese Hürde haben Forscher der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) nun genommen. Einem Team um Alexander Pfriem, Vizepräsident für Forschung und Technologietransfer der Hochschule, ist nun die Weiterentwicklung der thermischen Behandlung gelungen. Dadurch wurden die Klangeigenschaften lokaler Holzarten durch die Verbesserung der Schallgeschwindigkeit im Holz sowie der Schallabstrahlung optimiert.

Klang und Ästhetik überzeugend

Mithilfe der durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Methode entstand so erstmals eine Gitarre, deren Elemente, Korpus, Hals und Kopf komplett und nicht nur partiell aus heimisch behandelten Tonhölzern statt Tropenholz besteht. Das entscheidende: Sowohl bei den klanglichen als auch ästhetischen Eigenschaften überzeugt die Thermoholz-Gitarre, wie Gunther Reinhardt von der Reinhardt Best Acoustics GmbH betont: „Das Klangergebnis der Thermoholz-Gitarren hält dem Vergleich mit den aus Tropenholz gefertigten Gitarren mehr als Stand.“ Auf der diesjährigen Frankfurter Musikmesse vom 5. bis 8. April werden Reinhard und Pfriem die neuen Gitarren und das Verfahren einer breiten Öffentlichkeit vorstellen.

Vielversprechender Tropenholzersatz

HNEE-Forscher Pfriem ist sogar überzeugt, dass die Einsatzmöglichkeiten für das neuartige Thermoverfahren weit aus größer sind. „Die Zukunftschancen für thermisch behandeltes Holz als Substitut zu Tropenholz sind vielversprechend“, betont er. Noch in diesem Jahr will der Vizechef der HNEE ein Innovationsnetzwerk zum Thema Tropenholzersatz namens „SubMat4Music“ gründen.

Den Begriff der Bionik gibt es zwar erst seit etwa Mitte des 20. Jahrhunderts, doch die Idee dahinter - nämlich die in der Natur vorkommenden Formen und Figuren in der Industrie anzuwenden – ist wesentlich älter. So ersann Leonardo da Vinci bereits im 16. Jahrhundert Flugmaschinen nach dem Vogel-Vorbild. Nicht erst seit dem Lotuseffekt bei Oberflächen steht die Natur inzwischen immer häufiger Vorbild für technische Entwicklungen.

Evolution als Designwettbewerb

Auch Biomechaniker Claus Mattheck vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) macht sich biologische Prozesse zunutze, wenn er besonders leichte und langlebige technische Bauteile entwickeln will. In seinem neuen Buch „Die Körpersprache der Bauteile – Enzyklopädie der Formfindung nach der Natur" fasst Mattheck diese Erkenntnisse nun erstmals allgemein verständlich und anschaulich zusammen. Im Kern geht es dabei um die Entdeckung, dass in der Natur offenbar eine Universalform gibt, die sich mit einfachen geometrischen Methoden nachbilden lässt. „Die Evolution gleicht einem harten Designwettbewerb. Was zu schwer oder nicht fest genug war, das gibt es nicht mehr“, erklärt der KIT-Professor. „Durchgesetzt haben sich die optimalen Formen.“

Bauteile mit Optimalform sind stabiler

Technische Bauteile, die sich an diesen natürlichen Vorbildern orientieren, besitzen die optimale Form und zeichnen sich durch Stabilität, Material- und Energieeffizienz aus, wie der Wissenschaftler erklärt. Um das Vorbild der Natur für die Technik nutzbar zu machen, entwickelte Mattheck in der Abteilung Werkstoff- und Biomechanik am Institut für Angewandte Materialien (IAM-WBM) des KIT über drei Jahrzehnte verschiedene computergestützte Methoden, später auch vereinfachende computerfreie Denkwerkzeuge wie Schubvierecke, Zugdreiecke und Kraftkegel, um Strukturen zu analysieren und Formen zu optimieren.

Vom Vorbild Baum zur DIN-Norm

Der Biomechaniker untersuchte unter anderem, wie sich Bäume entwickeln und durch lastgesteuert angebautes Holz an mechanischen Schwachstellen selbst reparieren. Daraus leitete er Prinzipien zur Optimierung von Bauteilen ab. Bei seinen Arbeiten stellte Mattheck fest, dass es in der Natur eine Universalform gibt, die sich nicht nur in festen Körpern, sondern auch in Fluiden findet. Sie taucht in Gebirgen ebenso auf wie in Bäumen oder Knochen. Durch Deformation kann sie sich sogar für die gewählte Belastung selbst erzeugen – Mattheck spricht von „Siegen durch Nachgeben“. Inzwischen hat diese Optimal- bzw. Universalform sogar Eingang in die Industrie gefunden und ist Bestandteil der Norm DIN ISO 18459 (Bionik – Bionische Strukturoptimierung).

Innere Stärke durch Verwirbelungen

Neben der äußeren Form-Optimierung für Feststoffe und Fluide entdeckte Mattheck auch noch eine innere Optimierung durch Verformung. Während die äußere Optimalform für eine gleichmäßige Verteilung der Zug- bzw. Druckspannungen auf der Oberfläche des Bauteils sorgt, dient die innere Verformung durch die Bildung von Wirbeln einer inneren Optimierung und Stabilisierung. „Diese Wirbel sind sozusagen die Räder der Natur“, sagt Professor Mattheck.In festen Körpern sind die Wirbel zwar weniger stark ausgeprägt, aber sie sind vorhanden und besonders gut im toten Holz entrindeter Bäume zu erkennen. Nach Ansicht des Biomechanikers lässt sich dieses Prinzip ebenfalls auf technische Bauteile übertragen, und so auch deren innere Stabilität verbessern.

jmr

Aufgrund steigender Energiepreise spielt die Wärmedämmung beim Hausbau eine immer wichtigere Rolle. Dabei rücken zunehmend auch ökologische Dämmstoffe in den Fokus. Die Palette der biobasierten und nachhaltigen Materialien, die sich als Dämmstoffe eignen, ist groß. So können Materialien aus Stroh, Wiesengras, Hanf oder Zelluloseflocken derweil hinsichtlich Wärme- und Lärmschutz längst mit herkömmlichen Isolationsmaterialien wie Mineralwolle mithalten.

Doch noch schrecken Bauherren zu lange Genehmigungsverfahren und Vorurteile häufig noch ab, nachhaltige Dämmmaterialien zu verwenden. Forscher und Industriepartner unter Leitung vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung (WKI) wollen das ändern. Ihr Ziel: Baugenehmigungsverfahren beschleunigen helfen. Hierfür wollen sie bezüglich Brand- und Wärmeschutz Materialkennwerte ermitteln und Messverfahren entwickeln. So sollen Daten erfasst werden, um die Feuerwiderstandsdauer von Konstruktionen aus biobasierten Dämmstoffen berechnen zu können. Außerdem ist ein Konzept für ein biobasiertes Wärmedämmverbundsystem nach dem Vorbild der Baustoffklasse B1 geplant, die schwer entflammbare Stoffe aufzeigt. Auch soll das Brandverhalten der pflanzlichen Materialien in einem Brandschutzleitfaden festgehalten werden.

Nachhaltigkeit mit Fakten untermauern

Hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit wollen die Forschungspartner die Materialien in Abhängigkeit unterschiedlicher Feuchtigkeitsgehalte analysieren, um die derzeit pauschal gewählten Feuchtezuschläge für nachwachsende Dämmstoffe zu korrigieren. Um die Materialeigenschaften leichter nachweisen zu können, sind außerdem neue Messverfahren und für den Schallschutz eine Datenerhebung wie beim Brandschutz geplant. Damit könnten zukünftig die derzeit noch aufwändigen Bauteilprüfungen entfallen. Ein Ziel des Forschungsverbundes ist es auch, mit den entsprechenden Daten die Nachhaltigkeit dieser ökologischen Dammstoffe klar zu benennen und fassbar zu machen. All diese Maßnahmen sollen langfristig dazu beitragen, dass sich der Marktanteil biobasierter Dämmstoffe erhöht. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) unterstützt die Arbeiten im Rahmen des Projekts „ NawaRo-Dämmstoffe - Mehr als nur Dämmung - Zusatznutzen von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen“.

Vorurteile und Markthürden abbauen

Erkenntnisse aus NawaRo sollen schließlich auch in das zweite, ebenfalls vom BMEL finanzierte Verbundprojekt „StaR-Dämm - Stärkung nachwachsender Rohstoffe im Dämmstoffmarkt“ einfließen. Hier wollen die Deutsche Umwelthilfe (DUH) und das Thünen-Institut für Holzforschung (TI) mit Fachdialogen und Öffentlichkeitsarbeit strukturelle Hemmnisse gegenüber den nachwachsenden Produkten identifizieren und Lösungsvorschläge entwickeln. Mithilfe wissenschaftlich fundierter Unterlagen wollen die Forscher Ökobilanzen verschiedener Dämmstoffe für den Verbraucher nachvollziehbar machen und damit Vorurteile und Wissenslücken abbauen. Eine aktuelle Marktübersicht von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen hat die FNR soeben veröffentlicht.

Die DNA ist ein doppelsträngiges Molekül, mit dem Nanotechniker faszinierende Strukturen konstruieren können. Basierend auf dem Phänomen der Basenpaarung lassen sich DNA-Moleküle so programmieren, dass sie mit anderen DNA-Abschnitten wechselwirken. So lassen sich molekulare Nanostrukturen konstruieren. In den vergangenen Jahren hat die Technik des „DNA-Origami“ immer wieder für Furore gesorgt. Programmiert man die DNA entsprechend, so faltet sie sich sogar per Selbstmontage zu dreidimensionalen Nano-Bauteilen und Nano-Maschinen. Biophysiker haben so bereits Ziegelsteine, Zahnräder oder Roboter mit beweglichen Armen hergestellt.

DNA-Origami werden zu schnell von Enzymen verdaut

Vor allem in der Nanomedzin ruhen viele Hoffnungen auf dem DNA-Origami. Die Nanostrukturen können als programmierbare Wirkstoffträger oder Diagnoseeinheiten eingesetzt werden, oder punktgenau mit zahlreichen weiteren Materialen wie bestimmten Proteinen oder Antikörpern ausgestattet werden. Allerdings sind die DNA-Konstrukte auch relativ instabil, was ihren medizinischen Einsatz erschwert. Sie werden sehr schnell von körpereigenen Enzymen abgebaut, und um ihre Form und Funktionalität zu erhalten, benötigen sie eine etwa 10-fach höhere Salzkonzentration, als sie in Körperflüssigkeiten oder Zellkulturmedien vorliegt.

Ein einfacher aber robuster Schutzmantel ermöglicht neue Anwendungen

Ein Forschungsteam um Thorsten Schmidt vom Center for Advancing Electronics Dresden der Technischen Universität Dresden berichtet mit Kollegen der Universität Tokio im Fachjournal „Angewandte Chemie“, wie die DNA-Origami vor dem Abbau in biologischen Medien geschützt, und so bessere Anwendungsmöglichkeiten in der Nanomedizin und Zellbiologie gewährleistet werden können.

Dazu überzogen die Wissenschaftler die Nanostrukturen mit einem synthetischen Polymer, welches aus zwei Segmenten besteht. Das erste Segment ist ein kurzer, positiv geladener Abschnitt, der sich und somit das gesamte Polymer mittels elektrostatischer Anziehung an die negativ geladene DNA-Origami-Struktur anheftet. Das zweite Segment ist eine lange ungeladene Polymerkette, die die gesamte Nanostruktur ähnlich einem Mantel einhüllt. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die ummantelten DNA-Origami-Strukturen dadurch vor dem Enzym-Abbau sowie niedrigen Salzkonzentrationen geschützt waren.

Dieser Schutzmantel funktionierte außerdem nicht nur für die DNA-Origami selbst, sondern schützt auch erweiterte und mit Nanopartikeln funktionalisierte Nanostrukturen.

Diese unkomplizierte, preiswerte und robuste Methode zum Schutz der DNA-basierten Strukturen könnten die biologischen und nanomedizischen Anwendungsgebiete enorm erweitern.

jmr

Nano-technicians can construct fascinating structures with the double-stranded DNA molecule. Based on the principle of base-pairing, distinct DNA sections can be programmed to interact with other DNA segments. This method allows for the construction of molecular nanostructures. In recent years this so-called “DNA-Origami”-technique has gained more and more recognition. If the DNA is programmed accordingly, the molecule will even morph into three-dimensional nano-building blocks and nano-machines. Using this technique scientists have already fabricated miniature bricks, cogs, and even robots with flexible arms.

DNA-Origami are vulnerable to enzymes

The new DNA nanostructures have also been considered for applications in molecular biology and nanomedicine. For instance, they could be used as programmable drug carriers, diagnostic devices or to study the response of cells to precisely arranged molecules. Unfortunately, many of these DNA constructs are not very stable and are degraded quickly by the body’s own enzymes, which severely limits their biological or medical applications. Additionally, the nanostructures require a ten-fold higher salt concentration than exists in bodily fluids or cell culture buffers in order to maintain their structure and their functionality.

A simple but robust protection opens up new avenues

A team of researchers, lead by Thorsten Schmidt from the Center for Advancing Electronics Dresden and the Technische Universität Dresden, in cooperation with the University Tokyo report in an article in the journal “Angewandte Chemie” how DNA-Origami can be protected against nuclease digestion and low salt conditions.

In order to achieve that, the researchers coated several different DNA origami structures with a synthetic polymer, which consists of two segments. The first part is a short and positively charged segment, which electrostatically “glues” the polymer to the negatively charged DNA nanostructure. The second part is a long and uncharged polymer chain that covers the entire nanostructure like a coat.

The researchers could furthermore show that not only the DNA-Origami itself can be protected this way, but also complex structures that are functionalized with nanoparticles can be protected by the same mechanism.

This straightforward, cost-effective and robust route to protect DNA-based structures could therefore enable new applications across the fields of biology and nanomedicine, where un-protected DNA origami would otherwise be degraded.

jmr

Das Bundeskabinett hat die Latte beim Thema Innovation hochgelegt. „Bis 2025 wollen wir den Anteil von Forschung und Entwicklung am Bruttoinlandsprodukt von 3% auf 3,5% steigern“, sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka bei der Vorstellung der offiziellen Bilanz zu zehn Jahren Hightech-Strategie der Bundesregierung. Der Bericht „Forschung durch Fortschritt und Innovation“ wurde am 29. März durch das Bundeskabinett beschlossen. Demnach liegt die Bundesrepublik gemessen an der Zahl an Patenten pro Einwohner weit vor Forschungsweltmeister USA. Auch bei den Forschungspublikationen belegen heimische Wissenschaftler Spitzenplätze und hinsichtlich der F&E-Ausgaben sei man unter den Top-5 weltweit. „"Wenn wir Deutschlands Stellung als Innovationsführer und Exportweltmeister behalten und ausbauen wollen, müssen wir bereit sein, noch stärker in Forschung und Innovation zu investieren“, erklärte Wanka. Die Bioökonomie als Treiber einer biobasierten, nachhaltigen Wirtschaft dürfte hier künftig eine wichtige Rolle spielen. Man arbeite „an einem Blueprint einer Agenda Biologisierung“, sagte die Forschungsministerin.

Forschungsgipfel mit Fokus Innovationskultur

Einen Tag vorher hatte der Stifterverband der Deutschen Wissenschaft und der Wissenschaftsakademie Leopoldina prominente Redner aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik zum Forschungsgipfel 2017 unter dem Motto „Aufbau einer Innovations- und Wagniskultur“ geladen. Kanzleramtsminister Peter Altmaier stellte hier öffentlich die Frage, „ob wir neben der Digitalen Agenda auch eine Agenda Biotechnologie brauchen.“ Nach der Digitalisierung sei der Bereich der Biotechnologie der nächste große Innovationstreiber der deutschen Volkswirtschaft. BMBF-Staatssekretär Georg Schütte bestätigte auf dem Spitzentreffen, dass es Gespräche zu einer Agenda Biologisierung gebe. Noch gibt es jedoch keine offiziellen Angaben darüber, wie eine solche Agenda konkret aussehen wird.

Without a doubt, salmon is one of the most popular edible fish of all. Ever more and bigger salmon farms and aquacultures are being build to manage the demand – but not without risk for the environment. For years, Chile has been ranked second behind Norway in the list of key salmon producers worldwide. The country produces approximately 820,000 tonnes of salmon with a total value of about five billion US dollars. How does this mass production affect the environment? German and Chilean scientists have investigated this question under the leadership of the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ). They examined the dissolved organic compounds, which enter Chile's rivers from salmon farms, and have published a report in the journal Scientific Reports, warning that these substances are placing a huge strain on the ecosystems and are changing entire biological communities.

Chiles salmons are moving several times

Free salmons travel a long way over the course of their lives. The eggs are deposited in the gravel beds over the upper reaches of rivers. This is also where the young hatch and grow for a while in the clean, oxygen-rich water, before setting off towards the sea. The adult fish live in the sea, but swim upstream into rivers once again in order to reproduce.

The breeding farms have to take these patterns into account and provide different living conditions depending on the age of the fish. Therefore Chilean fish farmers have installed a few hundred hatcheries for the eggs and the youngest animals in the clear rivers. Slightly larger salmon live in cages in the lakes of the South American country, and the adults then move into similar accommodation anchored in the sea just off the coast.

Antibiotics in spring water

However, this salmon mass production has not been without an impact on the environment. The cages for the medium and larger fish leak excrement, food residue and other substances into the country’s seas and coastal waters. The companies also draw water from some of the extremely clean, natural rivers, only to reintroduce the freshly polluted water back into the river further downstream. "Completely turbid water is no longer allowed to re-enter the river," reports Norbert Kamjunke, a biologist at UFZ. Nevertheless, both the environment and people living close by are suffering.

The number of particles contained in the water must be below certain threshold values. However, there are no such regulations for dissolved substances. In fact, in an earlier study Kamjunke and his colleagues discovered that for every 50 tonnes of farmed salmon around 40 tonnes of dissolved organic substances end up in the rivers.

These substances, which are grouped together as Dissolved Organic Matter (DOM), include the liquid excretions of the salmon, dissolved residues of food, as well as disinfectants and antibiotics.

Organic substance affect ecosystem

The researchers studied the DOM content above and below four Chilean aquacultures and took samples from sections of the river both upstream and downstream of the farms.

In general, natural sections of rivers contain less dissolved organic material, meaning that these areas are predominantly low in nutrients.
However, the introduction of waste water from the aquacultures changes this completely. In particular, much higher concentrations of carbohydrates, proteins and lipids are present downstream of the facilities. "But this changes the entire ecosystem," explains Norbert Kamjunke. The bacteria downstream of the facilities use up a large amount of oxygen to break down the dissolved organic matter. The resulting low oxygen concentrations are endangering many species that have adapted to life in clean flowing water.

Safety limits could protect the waters

An earlier study by the researchers from Magdeburg demonstrated that even under ideal conditions, such as high temperatures and low flow rates, bacteria had broken down the pollution only around 2.7 kilometres downstream of the facility.

The researchers therefore advocate the introduction of safety limits for the DOM concentrations entering the river. Moreover, they drew the conclusion that it is not advisable to install any further aquacultures on Chilean rivers. The authorities have already imposed a moratorium on new salmon farms in the country’s lakes. Operators are now considering the option of moving the farming of medium-sized salmon from the lakes to the rivers. "In theory that could work," believes Kamjunke. "But from an ecological perspective, it would not be a good idea."

jmr

Als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts eröffnet die Biotechnologie Innovationspotenziale für viele Branchen: die Ernährungs- und Landwirtschaft, die Medizin, die Chemie-, Kosmetik- und Pharmaindustrie. Die deutsche Biotechnologie-Branche ist eine dynamische und hochinnovative Szene, die mehrheitlich von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) geprägt wird. Seit 2007 unterstützt das Bundesminsterium für Bildung und Forschung (BMBF) anwendungsbezogene Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Mittelstand mit der Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Biotechnologie – BioChance“. Punkten kann das Format mit seiner Themenbreite sowie flexiblen, an die Herausforderungen der Branche angepassten Rahmenbedingungen.

Breites Themenspektrum gefördert

Zum zehnjährigen Jubiläum wird mit der neuen Broschüre „Innovation durch Biotechnologie“ Bilanz gezogen. Für die Unterstützung von rund 260 Einzel- und Verbundvorhaben wurden mehr als 230 Mio. Euro Fördermittel bereitgestellt. Inhaltlich decken die Projekte das gesamte Spektrum der Biotechnologie und Life Sciences ab. Sie befassen sich mit der Entwicklung neuer Therapien und Diagnostika, mit Forschungswerkzeugen für die Bioanalytik, der industriellen Biotechnologie bis hin zu innovativen Züchtungsverfahren im Agrarsektor.

Ein breites Bündnis aus Verbänden zum Thema Landwirtschaft, Umwelt- und Naturschutz, Tierschutz und Entwicklungspolitik wirbt für eine Neuausrichtung der EU-Agrarpolitik. Hintergrund für den Start der Initiative ist ein Dialogangebot von der EU: Agrarkommissar Phil Hogan hat Anfang Februar eine Bürgerbefragung zur Zukunft der Gemeinsamen Agrarpolitik nach 2020 gestartet. Bis Anfang Mai haben alle Einwohner der Europäischen Union die Chance, ihre Stimme abzugeben, wie die derzeit rund 60 Milliarden Euro Agrar-Subventionen künftig verteilt werden sollen. Die Ergebnisse sollen in die Vorschläge zur Weiterentwicklung der EU-Agrarpolitik einfließen, die Hogan Ende 2017 vorlegen muss.

Um sich in diesem Dialog für eine nachhaltige Landwirtschaft einzusetzen, haben die Umweltverbände BirdLife Europe, das Europäischen Umweltbüro der WWF die Initiative "LivingLand" angestoßen. Die Initiative wirbt europaweit für einen Umbau der EU-Agrarpolitik. In Deutschland engagieren sich in ihr unter anderem der BUND, der Deutsche Naturschutzring (DNR), der NABU und der WWF Deutschland.

Naturverträglicher Wirtschaften

„LivingLand“ setzt sich für eine zukunftsfähige Ernähungs- und Landwirtschaftspolitik in Europa ein. Die Intensivierung der Landwirtschaft als Konsequenz der bisherigen EU-Förderpolitik führe zum drastischen Rückgang der biologischen Vielfalt, heißt es auf der Webseite. Gerade das europäische Naturerbe sowie das Klima bekämen die Auswirkungen der nicht-ökologischen Landwirtschaft zu spüren.

Eine nachhaltige und zukunftsfähige Landwirtschaft müsse gesund und fair für alle sein, mit kurz- und langfristigem Nutzen für alle Menschen, einschließlich der Landwirte, und für die Natur, wird in einer Mitteilung des NABU betont. Landwirte, die naturverträglich wirtschaften und somit der Gesellschaft einen Dienst erweisen, sollen eine Perspektive haben. Dafür brauche es faire Preise, aber auch eine attraktive Förderung konkreter Leistungen durch die Europäische Union. Pauschale Zahlungen pro Hektar müssten ersetzt werden durch eine gezielte Förderung von Maßnahmen im Natur- und Umweltschutz sowie durch Investitionen in einen nachhaltigen Umbau des gesamten Agrar- und Ernährungssystems.

Bereits 200 Unterstützer aus ganz Europa

LivingLand soll als Bündnis eine Stimme mit deutlich mehr Gewicht werden. Im Rahmen der laufenden Bürgerbefragung haben sich bereits 200 Unterstützer an der Initiative beteiligt. Unter den Unterstützern befinden sich Umweltverbände aus ganz Europa sowie große deutsche Unternehmen wie Alnatura oder der Kosmos-Verlag. Außerdem haben sich viele kleine und mittelständische Unternehmen registrieren lassen ebenso wie verschiedenste Organisationen aus den Bereichen Ernährung, Kosmetik, Wissenschaft, Medien und Tourismus. Noch spätestens bis Ende April sind alle interessierten Verbände und Unternehmen dazu aufgerufen, sich der LivingLand-Initiative anzuschließen. So könne dann auf die Vorschläge des EU-Agrarkommissars entscheidend Einfluss genommen werden.

jmr/pg

Die Nutzung von Reststoffen ist ein zentraler Punkt in der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung. Abfallprodukte wie Frittenfett, Orangenschalen, Olivenblätter oder Holzschnitzel sind somit geeignete Kandidaten, um erdölbasierte Stoffe etwa bei der Werkstoffherstellung zu ersetzen. Nun wollen Wissenschaftler der Fraunhofer-Institute für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) sowie für Holzforschung (WKI) die bei der Zuckerherstellung anfallenden Reststoffe der Zuckerrübe für neue Anwendungen untersuchen. Im Fokus stehen Rübenschnitzel, die in riesigen Mengen alljährlich bei Ernte und Verarbeitung anfallen.

Rübenschnitzel für neue Verbundstoffe prüfen

Bisher werden Rübenschnitzel, zum Teil auch zu Pellets gepresst, hierzulande als Futtermittel oder Biogassubstrat verwendet. In dem vom Land und der EU geförderten Projekt "Werkstoffentwicklung auf Basis von Rübenschnitzeln für marktrelevante Anwendungen" (WeRümA) wollen die Fraunhofer-Forscher mit Partnern aus Landwirtschaft und Industrie neue Produktionskonzepte und Anwendungen entwickeln, bei denen Zuckerrübenschnitzel in Verbundwerkstoffen eingesetzt werden können. WeRümA gehört zu einem der 15 Projektverbünde, die sich erfolgreich an der zweiten Runde des Leitmarktwettbewerbs "NeueWerkstoffe.NRW" beworben hatten. Der Verbund wird vom Land Nordrhein-Westfalen und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) unterstützt.

Das süße Abfallprodukt hat den Vorteil, dass es äußerst energie- und ressourceneffizient hergestellt werden kann, da in Zuckerfabriken Kraft-Wärme-Kopplung zur Energieerzeugung eingesetzt und Abwärme sehr effizient als Energiequelle wieder genutzt wird. Allerdings unterscheiden sich Rübenschnitzel im Vergleich zu anderen Pflanzenfasern oder Agrarprodukten wie Stärke oder Holz in ihrer Zusammensetzung stark. Während Cellulose, Hemicellulose und Pektine in ausreichenden Mengen vorhanden sind, ist der Lignin-Anteil eher gering. Das wiederum hat eine veränderte Verfahrensführung bei der Verarbeitung zur Folge.

Mulchfolien für die Landwirtschaft

In „WeRümA“ sollen daher sämtliche Fragen zur Verfahrenstechnik, Rezepturentwicklung sowie Prüfung der hergestellten Verbundwerkstoffe, hinsichtlich ihrer Machbarkeit – vom Rohstoff bis zum Endprodukt– beantwortet werden. Mithilfe thermomechanischer Verfahren wollen die Wissenschaften an der Konditionierung der Zuckerrübenschnitzel arbeiten. Während die UMSICHT-Forscher die Möglichkeiten des Einsatzes in Kunststofffolien wie Mulchfolien für die Landwirtschaft untersuchen, erforschen die WKI-Forscher, ob Rübenschnitzel auch in sogenannten Wood-Polymer-Composites, also Verbundwerkstoffen, verwendet werden.

Das Supermaterial Spinnenseide als Werk- und Inhaltsstoff für die Medizin, die Textilindustrie und für die Kosmetik verfügbar machen - das ist das Ziel des Biotechnologie-Unternehmens Amsilk. Das Start-up aus Martinsried hat Bakterien zu winzigen Fabriken für das Spinnenseideprotein umfunktioniert. Die Mikroben stellen den begehrten Eiweißstoff nun in großen Mengen her. Aus dem auf diese Weise entstandenen weißen Pulver können die Bioingenieure sogar Fasern spinnen. Das reißfeste und extrem belastbare Material namens „Biosteel“ eignet sich auch wegen seiner antibakteriellen Eigenschaften für den Einsatz in Hochleistungstextilien. Auch der Sportartikelhersteller Adidas nutzt die Amsilk-Hightech-Faser schon. Im November 2016 präsentierte der Sportartikelkonzern mit Amsilk den weltweit ersten Sneaker, dessen Obermaterial zu 100% aus dem synthetischen, veganen Seiden-Biopolymer besteht und biologisch abbaubar ist.

Weltkosmetikmesse als Bühne

Nun feiert das Martinsrieder Biotechnologie-Unternehmen erneut eine Weltpremiere. Auf der Londoner Weltkosmetik-Fachmesse "in-cosmetics Global" will die Amsilk gemeinsam mit ihrem Partner, der Ocean Pharma GmbH aus dem schleswig-holsteinischen Reinbek, den ersten Nagellack aus Spinnenseiden-Proteinen vorstellen. Das Produkt wird unter dem Namen "Skinicer Oxyperm" vermarktet.

Wasserabweisend, aber atmungsaktiv

Herkömmliche Nagellacke dichten in der Regel den Nagel so ab, dass kein Sauerstoff durchkommt. Die synthetisch hergestellten Seidenproteine bilden dagegen im Nagellack einen atmungsaktiven Schutzfilm, so dass ein wasserdampf- und sauerstoffdurchlässiger Lack entsteht. Diese Sauerstoff-Durchlässigkeit schützt nicht nur vor der Bildung von Schadstoffen. Sie verhindert auch, dass sich die Nägel verfärben. Obendrein wird durch die Wasserdurchlässigkeit der Allgemeinzustand der Nägel verbessert.

Lack enthält auch Mikroalgenwirkstoffe

Die Wirkung der Amsilk-Biopolymere wird im neuen Nagellack durch den von Ocean Pharma entwickelten Mikroalgenwirkstoff Spiralin noch verstärkt. Die Substanz wirkt keimhemmend, antiviral und zellregenerierend. Zudem soll "Skinicer Oxyperm" nicht nur atmungsaktiv, sondern auch frei von Lösungsmitteln und vor allem geruchlos sein. Aufgrund seiner pflegenden Inhaltsstoffe ist der neuartige Nagellack laut Herstellerangaben selbst für empfindliche und brüchige Nägel geeignet.

Gesunde Kost in Form probiotoscher Tiernahrung ist ein Weg, um den umstrittenen Antibiotikaeinsatz in der Tierhaltung zu minimieren. Erst vor Kurzem hatte der Futtermittelspezialist Evonik ein probiotisches Geflügelfutter vorgestellt. Nun wollen der deutsche Pharmakonzern Boehringer Ingelheim und der dänische Enzymhersteller Novozymes ein Bündnis zur Entwicklung probiotischen Tiernahrung schließen. Die strategische Zusammenarbeit wurde am 30. März bekanntgegeben. Sie umfasst die Entwicklung und Vermarktung von Probiotika, die von der Geflügelindustrie vor allem für die Ernährung der Küken genutzt werden soll.

Trink-Probiotika für Küken

Probiotika bestehen aus nützlichen Mikroorganismen, die dem Futter beigemengt werden. Sie stabilisieren die Darmflora der Tiere, verbessern deren Gesundheit und beschleunigen zudem deren Wachstum. Damit können sie zumindest teilweise die Aufgabe der wachstumsfördernden Antibiotika übernehmen. Deren Einsatz wird derzeit – auch politisch forciert – überall zurückgefahren, um die für die menschliche Gesundheit problematischen Antibiotikaresistenzen von Krankheitserregern in den Griff zu bekommen. Teil der Vereinbarung ist auch Floramax. Dieses bestehende probiotische Produkt von Novozymes wird künftig von Boehringer weltweit vertrieben. Floramax wird den Küken über das Trinkwasser angeboten.

Nachhaltigkeit verbessern

„Durch die engen Bande Boehringer Ingelheims mit Großproduzenten erhält Novozymes wertvollen Zugang zu neuen Vertriebskanälen und Kunden, von denen viele nach nachhaltigen Alternativen zu Antibiotika suchen“, sagte Susanne Palsten Buchardt, Vizepräsidentin Animal Health & Nutrition bei Novozymes.

Boehringer Ingelheims Sparte Animal Health ist eigenen Angaben zufolge die Nummer zwei in der Welt im Bereich Tiergesundheit. Von den 50.000 Angestellten des Pharmakonzerns arbeitet ein Fünftel für diese Sparte. Zuletzt wurde dieser Bereich durch einen Tausch von Geschäftsbereichen mit Sanofi ausgebaut. Boehringer gab sein Endkundengeschäft mit nicht-verschreibungspflichtigen Humanarzneimitteln ab und erhielt dafür Merial, Sanofis Tiergesundheitsgeschäft. 59% des Umsatzes macht Boehringer mit Produkten für Haustiere wie Hunde und Pferde, 41% mit Produkten für die Tierzucht.

Die Genomschere CRISPR-Cas gehört zu den aufregendsten Entwicklungen der molekularen Biotechnologie der vergangenen Jahre. Forschern an den Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen steht es frei, dieses Präzisionswerkzeug zu verwenden. Anders sieht es bei der wirtschaftlichen Nutzung aus: Hier müssen die Unternehmen Lizenzen von den Einrichtungen erwerben, die jeweils ihre Innovationen patentiert haben. Nun hat sich auch der Chemiekonzern BASF Lizenzen vom Broad Institute des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard-Universität in Boston gesichert. In dem seit Jahren schwelenden Streit um Patente für CRISPR-Cas hatte das Bostoner Forschungsinstitut Mitte Februar dieses Jahres einen wichtigen Etappensieg errungen.

CRISPR-Cas verändert die Spielregeln

„Die CRISPR-Cas9-Technologie verändert die Spielregeln im Bereich der Genombearbeitung“, sagt Peter Eckes. Er ist Präsident der Pflanzenforschung bei BASF Bioscience Research, die er seit Anfang 2015 von Triangle Park in North Carolina (USA) aus führt. Auch Issi Rozen, Chief Business Officer am Broad Institute, bestätigt: „Diese Technologie eröffnet transformative Anwendungsmöglichkeiten in der Genomeditierung für die Wissenschaft. CRISPR-Cas ist für die angewandte Forschung im Gesundheitswesen bis hin zur Landwirtschaft von großem Nutzen.“

Auch Bayer hat bereits Lizenzen erworben

Bereits im September 2016 hatte der inzwischen von Bayer übernommene US-Konkurrent Monsanto (USA) ein ähnlich gelagertes Lizenzabkommen geschlossen. Casebia, das gemeinsame Genome-Editing-Start-up von Bayer und CRISPR Therapeutics, konzentriert sich auf die Anwendung in drei therapeutischen Feldern. Geht das Einsatzgebiet aber perspektivisch über den medizinischen Einsatz hinaus, zum Beispiel in Richtung Landwirtschaft, hat die Bayer AG alleinigen Zugriff auf jene Produkte. CRISPR Therapeutics besitzt im Gegenzug die Exklusivnutzungsrechte für alle medizinischen Therapien ab Produkt Nummer vier. Casebias Arbeit basiert auf den Patenten von Genome-Editing-Pionierin Emmanuelle Charpentier, der Universität Wien und der Universität Berkeley in Kalifornien. Dieses Patentpaket steht in Konkurrenz mit dem des Broad-Institutes. In der Frage, welches der beiden Patente die entscheidende Basis für den Einsatz der Genomeditierungstechnologie in eukaryotischen Zellen bildet, steht es derzeit unentschieden. In den USA entschieden die Richter jüngst im Sinne des Broad-Institutes, das Europäische Patentamt Ende März hingegen im Sinne von Charpentier und den Universitäten Wien und Berkeley.

ml/jmr

In 2012, the Swedish Science Council for Environment, Agriculture and Spatial Planning (Formas) commissioned the government and, in collaboration with the Swedish Energy Agency and the Academy of Innovation, published a national bioeconomy strategy, the "Swedish Research and Innovation Strategy for a Biobased Economy".

According to the strategy, negative effects on the climate and the consumption of fossil raw materials are to be minimized through the sustainable production of biomass. Opportunities exist, for example, in the transport, automotive, construction and chemical industries. The natural resources of Sweden and the existing agricultural and forestry industry are regarded as a good basis for this. In terms of research and development, the focus will be on replacing fossil resources with renewable raw materials - for example with plants with improved properties, biorefineries or the use of other ecosystems such as the sea.

One of the most important Swedish biorefinery initiatives is SP Processum AB. It started in northern Sweden in 2013. It uses wood as a raw material for various products in the chemical industry. Another important bioeconomy player in Sweden is the paper industry. A number of biotechnology companies with enzyme expertise have already concentrated on recycling their waste products and are now setting up the first industrial scale pilot plants.