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Um Pflanzen vor Schadinsekten und krankmachenden Viren, Bakterien und Pilzen zu schützen, werden bisher hauptsächlich synthetische Pestizide eingesetzt. Doch diese können der Umwelt, der biologischen Vielfalt und auch der menschlichen Gesundheit schaden, denn viele dieser Wirkstoffe unterscheiden nicht zwischen Schädlingen und Nützlingen und verlieren aufgrund auftretender Resistenzen bei den Zielorganismen ihre Wirkung. Ziel des Projekts PrimACrop war es deshalb, naturnahe Substanzen zu identifizieren, die das Immunsystem von Pflanzen anregen und somit einen umweltfreundlicheren Pflanzenschutz ermöglichen, der weniger auf Pestizide angewiesen ist. Denn Naturstoffe, die das pflanzliche Immunsystem anregen – sogenannte Priming-Active Compounds – sind besonders vielversprechend, um Krankheitserreger umweltverträglich zu bekämpfen.

Im Projekt arbeiteten die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RTWH) Aachen und das National Center for Genetic Engineering and Biotechnology (BIOTEC) in Pathum Thani (Thailand) zusammen. Die Arbeit der Aachener Forschenden wurde von September 2021 bis August 2024 vom Bundesministerium für Wirtschaft, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen der Maßnahme „Bioökonomie International“ mit 282.814,00 Euro gefördert.

Pflanzen sollten sich selbst verteidigen

Die naturnahen Substanzen sollten unter anderem aus Pilzen oder speziell aus entomopathogenen Pilzen gewonnen werden. Letztere produzieren Moleküle, die das Immunsystem von Pflanzen auf einen Befall durch Schädlinge vorbereiten können. Sogenanntes Abwehr-Priming ist die Grundlage der induzierten Krankheitsresistenz in Pflanzen. „Um es ganz vereinfacht zu sagen, ist es wie eine Impfung beim Menschen: Man erhält beispielsweise ein kaum aktives Virus oder einen abgetöteten Pilz, die vom Immunsystem erkannt werden und daraufhin Abwehrreaktionen vorbereiten“, erklärt Patrick Schwinges, betreuender Wissenschaftler des Projekts.

Beim Priming geht es nicht um eine spezielle Krankheit: „Unsere Herangehensweise dient nicht dazu, gezielt einen Erreger zu bekämpfen oder Fungizide und Insektizide zu entwickeln, sondern die Pflanzen darin zu stärken, sich selbst gegen Krankheiten oder abiotischen Stress zu verteidigen“, so der Biologe weiter. „In unserem Labor identifizieren wir seit Jahren mithilfe von Modellsystemen Substanzen, die genau diese Immun-Vorbereitungsreaktion in Pflanzen auslösen.“

Boron plays a central role in the growth and fertility of many plants, but extreme weather events such as drought or flooding are making it increasingly difficult for plants to absorb. An international research team led by the Technical University of Munich (TUM) and involving the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) has now investigated how plants respond to the changing availability of the micronutrient boron.

Boron-efficient plants adapt their root systems

To this end, the researchers analysed 185 genetic variants of the model plant Arabidopsis thaliana and identified seven subgroups that are particularly boron-efficient and grow well even with low nutrient levels. ‘Each of these plants may have developed different strategies to cope well with boron deficiency,’ explains Patrick Bienert, Professor of Crop Physiology at TUM. What was particularly striking here was a common adaptation in root architecture, as the team writes in the journal New Phytologist: the boron-efficient plants formed long, sideways-growing roots, which expanded their search radius in the soil to better detect nutrients: the plants specifically search for nutrients.

Genes for boron efficiency identified

The team also succeeded in identifying gene regions responsible for the efficient use and uptake of boron in roots and shoots. These findings could help breed plants that are more resistant to nutrient fluctuations in the future.

Applying findings to rapeseed

Based on these results, attention is now turning to the important crop plant rapeseed. Since rapeseed is closely related to Arabidopsis, the researchers hope to be able to quickly apply their new findings. ‘We want to find particularly efficient rapeseed individuals, identify their strategies and then breed these traits into lines that deliver high yields. This could result in plants that are both high-yielding and more climate-resilient,’ explains Bienert.

Bor spielt eine zentrale Rolle für Wachstum und Fruchtbarkeit vieler Pflanzen, doch Extremwetterereignisse wie Dürre oder Überschwemmungen erschweren zunehmend seine Aufnahme. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) und mit Beteiligung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) hat nun untersucht, wie Pflanzen auf die wechselnde Verfügbarkeit des Mikronährstoffs Bor reagieren.

Bor-effiziente Pflanzen passen Wurzelsystem an

Dafür analysierten die Forschenden 185 genetische Varianten der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und identifizierten sieben Untergruppen, die besonders bor-effizient sind und selbst unter geringen Nährstoffmengen gut wachsen. „Jede dieser Pflanzen kann verschiedene Strategien entwickelt haben, um mit Bor-Mangel gut umzugehen“, erklärt Patrick Bienert, Professor für Crop Physiology an der TUM. Auffällig war hier vor allem eine gemeinsame Anpassung der Wurzelarchitektur, wie das Team im Fachjournal New Phytologist schreibt: Die bor-effizienten Pflanzen bildeten demnach lange, seitwärts wachsende Wurzeln aus, wodurch sich ihr Suchradius im Boden erweiterte, um den Nährstoff besser aufzuspüren: Die Pflanzen gehen gezielt auf Nährstoffsuche.

Gene für Bor-Effizienz aufgespürt

Zudem gelang es dem Team, Genregionen zu bestimmen, die für die effiziente Nutzung und Aufnahme von Bor in Wurzel und Spross verantwortlich sind. Diese Erkenntnisse könnten künftig helfen, Pflanzen zu züchten, die widerstandsfähiger gegenüber Nährstoffschwankungen sind.

Erkenntnisse auf Raps übertragen

Auf Basis der Ergebnisse richtet sich der Blick nun auf die wichtige Nutzpflanze Raps. Da Raps eng mit Arabidopsis verwandt ist, hoffen die Forschenden, die neu gewonnenen Erkenntnisse rasch übertragen zu können. „Wir möchten besonders effiziente Raps-Individuen finden, ihre Strategien identifizieren und anschließend diese Merkmale in die Linien hinein züchten, die einen hohen Ertrag liefern. So könnten Pflanzen entstehen, die beides sind – ertragreich und klimaresilienter“, erklärt Bienert.

Pollinators such as bees, wasps and butterflies make a vital contribution to stable ecosystems: they enable numerous plants to reproduce and increase the yields of many crops by transferring pollen between flowers. What is less well known, however, is that many of them spend crucial phases of their lives on or in the soil, where they nest, rest or hibernate. It is also unclear what conditions pollinators need during their time in the soil and to what extent modern soil management practices harm both the insects and the ecosystem services they provide.

This is where the EU project ProPollSoil comes in. Its aim is to investigate the relationship between pollinators and soil health. The project brings together an international team of experts led by the Technical University of Munich and is funded with a total of €7.7 million over four years as part of the European research and innovation programme Horizon Europe.

The importance of soil for pollinators

The project investigates the as yet little-researched importance of soil for pollinators and develops innovative soil management practices that protect ground-nesting pollinators, thereby opening up new approaches to soil and insect conservation. To this end, the remaining ‘hotspots’ of healthy soil that promote high pollinator diversity are being identified, habitats on agricultural land are being improved, and targeted measures to protect biodiversity are being implemented.

Improving soil and pollinator protection

‘With ProPollSoil, we are bringing together leading European research to highlight a previously underestimated dimension of biodiversity conservation,’ explains Gert Bange, Vice President for Research at the University of Marburg, one of the 23 partner organisations. Sara Leonhardt from the lead organisation, the Technical University of Munich, adds: ‘Ultimately, the research will contribute to better protection of soils and the pollinators that depend on them.’

Bestäuber wie Bienen, Wespen oder Schmetterlinge leisten einen zentralen Beitrag für stabile Ökosysteme: Sie ermöglichen die Vermehrung zahlreicher Pflanzen und erhöhen die Erträge vieler Nutzkulturen, indem sie Pollen zwischen Blüten übertragen. Weniger bekannt ist jedoch, dass viele von ihnen entscheidende Lebensphasen auf oder im Boden verbringen – dort nisten, ruhen oder überwintern sie. Unklar ist bisher aber auch, welche Bedingungen Bestäuber während ihrer Zeit im Boden benötigen und inwieweit moderne Bodenbewirtschaftungspraktiken sowohl den Insekten als auch den von ihnen erbrachten Ökosystemleistungen schaden.

Hier setzt das EU-Projekt ProPollSoil an. Ziel ist es, die Beziehung zwischen Bestäubern und Bodengesundheit zu erforschen. Das Vorhaben bringt ein internationales Expertenteam unter der Leitung der Technischen Universität München zusammen und wird über vier Jahre mit insgesamt 7,7 Mio. Euro im Rahmen des Europäischen Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon Europe gefördert.

Bedeutung des Bodens für Bestäuber

Das Projekt untersucht die bislang wenig erforschte Bedeutung des Bodens für Bestäuber und entwickelt innovative Bodenbewirtschaftungspraktiken, die bodennistende Bestäuber schützen und damit neue Ansätze für den Erhalt von Böden und Insekten eröffnen. Dazu werden die noch erhaltenen „Hotspots“ gesunder Böden ermittelt, die eine hohe Bestäuberdiversität fördern, Lebensräume auf landwirtschaftlich genutzten Flächen verbessert und gezielte Maßnahmen zum Schutz der biologischen Vielfalt umgesetzt.

Schutz von Boden und Bestäubern verbessern

„Mit ProPollSoil bringen wir europäische Spitzenforschung zusammen, um eine bislang unterschätzte Dimension des Biodiversitätsschutzes sichtbar zu machen“, erklärt Gert Bange, Vizepräsident für Forschung der Uni Marburg, eine der 23 Partnerorganisationen. Sara Leonhardt von der federführenden TU München ergänzt: „Die Forschung wird letztlich dazu beitragen, Böden und die von ihnen abhängigen Bestäuber besser zu schützen.“

Peat is an important component of plant substrates and is used primarily in horticulture to improve soil quality. However, its extraction destroys valuable moorland areas and releases carbon that has been stored there for thousands of years. Researchers at the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB) have now developed an environmentally friendly alternative and have applied for patents for two innovative processes for producing artificial peat.

Artificial peat from biomass

In nature, peat is formed by the decomposition of dead plant remains in moors due to a lack of oxygen and moisture. What nature takes a thousand years to achieve, the ATB researchers led by Nader Marzban have managed in just 30 minutes – without harming the environment or climate. ‘We can produce artificial peat from almost any organic source material, including biomass such as wood, grasses, leaves and paludiculture plants,’ explains the inventor of artificial peat, Nader Marzban. ‘This process requires water, pressure and temperatures between 70 and 120 °C, as well as a suitable formula for successful production.’

Marzban came up with the idea after a mishap while cooking, when ingredients burned in a pressure cooker and left black-brown residues on the bottom. For the researcher, the mishap prompted the question of whether this burnt mass could also have humus-like properties. Laboratory analyses confirmed his suspicion. Further experiments with agricultural residues followed and were equally successful. Together with Thomas Hoffmann and Ralf Pecenka, Marzban further developed the approach until two processes for producing artificial peat were created.

Simple and scalable process

In the first process, artificial peat is produced in two steps using alkali-assisted twin-screw extrusion. Here, the biomass is first cooked under pressure at around 70 °C. The fibres of the material are then broken down in the twin-screw extruder. The result is ‘a stable, humus-rich material whose properties can be adjusted to match or even exceed those of natural peat,’ according to the report. The peat substitute produced in this way is particularly suitable for applications in agriculture and horticulture, where fibrous materials and humic substances are required.
The second method produces artificial peat from biomass in a single step using a batch process. It is particularly suitable for less fibrous raw materials, but requires a slightly higher temperature of 120 °C.

Climate-positive and reusable

The artificial peat is not only free of pathogens, but also contributes to carbon sequestration, making it climate-positive. After use, the substrate can be recycled and reprocessed. The ATB team is convinced of the potential of artificial peat production: ‘It offers a way to replace natural peat, reduce emissions and recycle biomass.’ Due to its scalability and low cost, industrial production will soon be possible. Furthermore, the concept is an ‘exciting starting point for continuous development, adaptation and innovation,’ according to Marzban.

Torf ist ein wichtiger Bestandteil von Pflanzensubstraten und dient vor allem im Gartenbau der Bodenverbesserung. Doch mit seinem Abbau werden wertvolle Moorgebiete zerstört und damit der darin zum Teil über Jahrtausende gebundene Kohlenstoff freigesetzt. Forschende des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) haben nun eine umweltfreundliche Alternative entwickelt und gleich zwei innovative Verfahren zur Herstellung von künstlichem Torf zum Patent angemeldet.

Künstlicher Torf aus Biomasse

In der Natur entsteht Torf durch die Zersetzung von abgestorbenen Pflanzenresten in Mooren aufgrund von Sauerstoffmangel und Nässe. Wozu die Natur tausend Jahre braucht, gelang den ATB-Forschenden um Nader Marzban in nur 30 Minuten – und das, ohne Umwelt und Klima zu schaden. „Wir können künstlichen Torf aus fast jedem organischen Ausgangsmaterial herstellen, darunter Biomasse wie Holz, Gräser, Blätter und Paludikulturpflanzen“, erklärt der Erfinder des künstlichen Torfs, Nader Marzban. „Dieser Prozess erfordert Wasser, Druck und Temperaturen zwischen 70 und 120 °C sowie eine geeignete Rezeptur für eine erfolgreiche Produktion.“

Die Idee dazu kam Marzban nach einem Missgeschick beim Kochen, als im Schnellkochtopf Zutaten verbrannten und am Boden schwarzbraune Rückstände zurückließen. Für den Forscher war das Malheur der Anlass zur Frage, ob diese angebrannte Masse auch humusähnliche Eigenschaften besitzen könnte. Laboranalysen bestätigten seinen Verdacht. Weitere Versuche mit landwirtschaftlichen Reststoffen folgten und waren ebenso erfolgreich. Gemeinsam mit Thomas Hoffmann und Ralf Pecenka entwickelte Marzban den Ansatz weiter, bis zwei Verfahren zur Herstellung von künstlichem Torf entstanden.

Einfacher und skalierbarer Prozess

Beim ersten Verfahren entsteht in zwei Schritten künstlicher Torf mittels Alkali-unterstützter Doppelschneckenextrusion. Hier wird die Biomasse zunächst bei etwa 70 °C unter Druck gekocht. Danach werden die Fasern des Materials im Doppelschneckenextruder zerkleinert. Im Ergebnis entsteht „ein stabiles, humusreiches Material, dessen Eigenschaften so angepasst werden können, dass sie denen von Naturtorf entsprechen oder diese sogar übertreffen“, heißt es. Der so erzeugte Torfersatz ist vor allem für Anwendungen in der Landwirtschaft und im Gartenbau geeignet, wo faserige Materialien und Huminstoffe benötigt werden.
Die zweite Methode erzeugt aus Biomasse künstlichen Torf im sogenannten Batch-Verfahren in nur einem Schritt. Es ist besonders geeignet für weniger faserige Ausgangsstoffe, benötigt aber mit 120 °C eine etwas höhere Temperatur.

Klimapositiv und wiederverwendbar

Der künstliche Torf ist nicht nur frei von Krankheitserregern, sondern trägt auch zur Kohlenstoffbindung bei und ist damit klimapositiv. Nach dem Einsatz kann das Substrat recycelt und erneut aufbereitet werden. Das ATB-Team ist vom Potenzial der Herstellung von künstlichem Torf überzeugt: „Er bietet eine Möglichkeit, natürlichen Torf zu ersetzen, Emissionen zu reduzieren und Biomasse zu recyceln.“ Aufgrund der Skalierbarkeit und geringen Kosten sei auch die industrielle Produktion bald möglich. Darüber hinaus sei das Konzept ein „spannender Ausgangspunkt für kontinuierliche Weiterentwicklung, Anpassung und Innovation“, so Marzban.

Whether walls or furniture: with her research work and the science and art collective MY-CO-X, Vera Meyer has already demonstrated on several occasions the potential of fungi – especially for the construction industry. The Berlin-based biotechnologist is receiving around £8.5 million in funding from the German Research Foundation (DFG) for research and development into fungus-based materials as part of a new Collaborative Research Centre (SFB).

Interdisciplinary research into fungal materials

In the new SFB ‘MY-CO BUILD: Biotechnological production, characterisation and sustainability assessment of fungus-based building materials’, a team led by the fungus expert will investigate the suitability of fungi as a building material and for furniture production in more detail from 2026 onwards. In the joint project, which will run until 2029, researchers from a wide range of disciplines will work together for the first time to investigate ‘the biological, mechanical, physical, chemical, thermal, acoustic and architectural property profiles of fungus-based materials’.

Laying the foundations for defined manufacturing processes

Based on renewable raw materials from agriculture and forestry, the aim is to develop a new class of fungus-based materials that are produced biologically and are biodegradable. ‘Our goal is to lay the scientific foundations for defined manufacturing processes and reproducible property profiles for fungus-based materials,’ explains Vera Meyer, spokesperson for the SFB and head of the Department of Applied and Molecular Microbiology at TU Berlin.

Sustainability forecasting with AI

One focus is on the development of new mathematical models that use numerical simulations to predict the properties of fungus-based materials across different size scales. ‘These models will then enable the tailored design of material properties,’ says Meyer. In addition, systematic stability and ageing tests as well as AI-based sustainability analyses will be carried out. These should contribute to the targeted development of bio-based materials and the realistic evaluation of their potential applications.

In addition to the TU Berlin, the TU Munich, the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), the Bochum University of Applied Sciences, the Potsdam Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB) and Aalborg University in Denmark are also involved in the SFB 1743 ‘MY-CO BUILD’.

Ob Wände oder Möbel: Mit ihrer Forschungsarbeit und dem Wissenschafts- und Kunstkollektiv MY-CO-X hat Vera Meyer bereits mehrfach demonstriert, welches Potenzial in Pilzen steckt – vor allem für die Baubranche. Bei der Forschung und Entwicklung pilzbasierter Materialien wird die Berliner Biotechnologin von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen eines neuen Sonderforschungsbereichs (SFB) mit rund 10 Mio. Euro unterstützt.

Interdisziplinäre Erforschung von Pilzmaterialien

Im neuen SFB „MY-CO BUILD: Biotechnologische Herstellung, Charakterisierung und Nachhaltigkeitsbewertung pilzbasierter Baumaterialien“ wird ein Team um die Pilzexpertin ab 2026 die Eignung von Pilzen als Baumaterial und zur Möbelherstellung genauer untersuchen. In dem bis 2029 laufenden Verbundvorhaben werden erstmals Forschende aus den verschiedensten Fachbereichen zusammenarbeiten, um „die biologischen, mechanischen, physikalischen, chemischen, thermischen, akustischen und architektonischen Eigenschaftsprofile pilzbasierter Materialien“ zu ergründen.

Grundlagen für definierte Herstellungsprozesse schaffen

Auf Basis nachwachsender Rohstoffe aus der Agrar- und Forstwirtschaft soll schließlich eine neue Klasse pilzbasierter Materialien entstehen, die biologisch hergestellt und biologisch abbaubar sind. „Unser Ziel ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen für definierte Herstellungsprozesse und reproduzierbare Eigenschaftsprofile von pilzbasierten Materialien zu legen“, erklärt Vera Meyer, Sprecherin des SFB und Leiterin des Fachgebiets Angewandte und Molekulare Mikrobiologie an der TU Berlin.

Nachhaltigkeitsprognose mit KI

Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung neuer mathematischer Modelle, die mithilfe numerischer Simulationen die Eigenschaften der pilzbasierten Materialien über verschiedene Größenskalen hinweg vorhersagen sollen. „Diese Modelle werden dann ein maßgeschneidertes Design der Materialeigenschaften möglich machen“, sagt Meyer. Ergänzend werden systematische Stabilitäts- und Alterungsuntersuchungen sowie KI-basierte Nachhaltigkeitsanalysen durchgeführt. Sie sollen dazu beitragen, biobasierte Werkstoffe gezielt zu entwickeln und ihre Einsatzmöglichkeiten realistisch zu bewerten.

An dem SFB 1743 „MY-CO BUILD“ sind neben der TU Berlin die TU München, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Hochschule Bochum, das Potsdamer Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB) und die Aalborg University in Dänemark beteiligt.

Fruit pomace, rapeseed straw and potato peelings are usually used in animal feed. For the bioeconomy, however, these residues have long been valuable raw materials that can be used both materially and energetically. In the BIOWIN project, young researchers at the TU Bergakademie Freiberg want to upgrade these biogenic residues from agriculture and forestry, which have been insufficiently utilised in Saxony to date, and transform them into innovative, polymer-based materials.

Complete utilisation of biomass

To this end, the interdisciplinary team is focusing on three manufacturing processes in which fibres in the micrometre or nanometre range and defined layers can be obtained – specifically electrospinning, wet spinning and spray coating. To this end, the residues are broken down into their components using sustainable mechanical processes and green solvents and then recombined for specific applications. ‘Ultimately, we want to utilise as much as possible from the complex structure of biomass and use green chemistry with sustainable processes to do so,’ explains Vanessa Castro, head of the junior research group.

Economic and sustainability analysis of the products

In addition to manufacturing innovative products such as nanofibres from fruit or packaging from potatoes, the BIOWIN team will also examine whether Saxon companies can use the new materials in an economically and ecologically sensible way. ‘The practical work in the laboratory will be combined with a detailed economic and sustainability analysis,’ says Castro. To this end, the group is developing an evaluation model and a database that provides simulations and potential analyses for partners from research and industry.

Strengthening innovative power in Saxony

The Freiberg junior research group is convinced that interdisciplinary cooperation enables ‘scalable upcycling processes along circular value chains’ and thus strengthens ‘innovative capacity in Saxony’.

Obsttrester, Rapsstroh und Kartoffelschalen kommen in der Regel ins Tierfutter. Für die Bioökonomie sind diese Reststoffe jedoch längst kostbare Rohstoffe, die sowohl stofflich als auch energetisch genutzt werden. Im Projekt BIOWIN wollen Nachwuchsforschende der TU Bergakademie Freiberg diese bislang in Sachsen unzureichend genutzten biogenen Reststoffe aus Land- und Forstwirtschaft stofflich aufwerten und in innovative, polymerbasierte Materialien verwandeln.

Biomasse vollständig verwerten

Dafür nimmt das interdisziplinäre Team drei Herstellungsverfahren ins Visier, bei denen Fasern im Mikrometer- oder Nanometerbereich sowie definierte Schichten gewonnen werden können, – konkret Elektrospinnen, Nassspinnen und Sprühbeschichtung. Dafür werden die Reststoffe mithilfe nachhaltiger mechanischer Prozesse und grüner Lösungsmittel in ihre Bestandteile zerlegt und anschließend anwendungsspezifisch neu kombiniert. „Schlussendlich wollen wir möglichst alles aus der komplexen Struktur der Biomasse verwerten und dafür eine grüne Chemie mit nachhaltigen Prozessen nutzen“, erklärt die Leiterin der Nachwuchsgruppe Vanessa Castro.

Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsanalyse der Produkte

Neben der Herstellung innovativer Produkte wie Nanofasern aus Obst oder Verpackungen aus Kartoffeln wird das BIOWIN-Team auch prüfen, ob sächsische Unternehmen die neuen Materialien wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll einsetzen können. „Kombiniert werden die praktischen Arbeiten im Labor mit einer detaillierten Wirtschaftlichkeits- und Nachhaltigkeitsanalyse“, so Castro. Dafür entwickelt die Gruppe ein Bewertungsmodell und eine Datenbank, die Simulationen und Potenzialanalysen für Partner aus Forschung und Industrie bereitstellt.

Stärkung der Innovationskraft in Sachsen

Die Freiberger Nachwuchsgruppe ist überzeugt davon, dass die interdisziplinäre Zusammenarbeit „skalierbare Upcycling-Prozesse entlang zirkulärer Wertschöpfungsketten“ ermöglicht und damit die „Innovationsfähigkeit in Sachsen“ stärkt.

Bei der Entwicklung einer kreislauforientierten und dekarbonisierten Wirtschaft will die EU künftig stärker auf biologische Ressourcen setzen und damit die Abhängigkeit Europas von fossilen Importen reduzieren. So sieht es die neue Bioökonomie-Strategie vor, die Ende November von der Europäischen Kommission vorgelegt wurde.

Nutzung biologischer Ressourcen stärken

Mit der neuen Strategie sollen demnach insbesondere Maßnahmen unterstützt werden, die nachhaltige praktische Lösungen für die Nutzung biologischer Ressourcen in Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Aquakultur, Biomasseverarbeitung, Bioproduktion und Biotechnologien bieten.

Mit einem Wert bis zu 2,7 Billionen Euro im Jahr 2023 und 17,1 Millionen Beschäftigten würde die Bioökonomie in der EU bereits erheblich zur Schaffung von Arbeitsplätzen und zum Wirtschaftswachstum in Europa beitragen, heißt es. Dennoch ist das ungenutzte Potenzial riesig. Es soll nun gezielt erschlossen werden, indem Innovationen und Investitionen ausgeweitet, Leitmärkte für biobasierte Materialien und Technologien entwickelt, eine nachhaltige Versorgung mit Biomasse sichergestellt und globale Chancen genutzt werden.

„Die Bioökonomie bietet ein enormes Skalierungs-Potenzial – von Produkten des täglichen Bedarfs, über die Häuser, in denen wir leben, bis hin zu großen industriellen Anwendungen“, sagt Jessika Roswall, EU-Kommissarin für Umwelt, resiliente Wasserversorgung und wettbewerbsfähige Kreislaufwirtschaft. „Dies ist eine Wachstumsstrategie, die unsere Widerstandsfähigkeit und Wettbewerbsfähigkeit erhöhen und gleichzeitig sicherstellen wird, dass die Natur und gesunde Ökosysteme das Rückgrat unserer Wirtschaft bleiben.“

Biomassenutzung optimieren

Ein Schwerpunkt ist, die Nutzung von Biomasse zu optimieren. Die Kommission schlägt daher vor, Biomasse „soweit möglich“ für höherwertige Produkte und Materialien zu verwenden, die Kohlenstoff länger speichern und fossile Materialien ersetzen. Rest- und Nebenströme sollten für die Energiegewinnung genutzt werden, insbesondere wenn keine alternativen Dekarbonisierungslösungen existieren oder wenn dadurch die Energiesicherheit und die Bezahlbarkeit von Energie gewährleistet werden kann.

Herstellung biobasierter Chemikalien unterstützen

Darüber hinaus wird die Nutzung biobasierter Kunststoffe und Polymere sowie von Faser-Verpackungsmaterialien als besonders ausbaufähig gesehen, da sie fossile Materialien durch Alternativen aus erneuerbaren Biomassequellen wie Stärke, Lignin oder Algen ersetzen können. Die Kommission will daher den Ausbau der industriellen Biotechnologie für die Herstellung biobasierter Chemikalien unterstützen und die Nachfrage nach und die Produktion dieser Chemikalien fördern.

Algen sind vielversprechende Kandidaten bei der Suche nach neuen Produkten für die Bioökonomie. Sie lassen sich nicht nur schnell und in großen Mengen als Biomasse kultivieren, sondern sind auch reich an Nährstoffen. Welches Potenzial in Algen für eine nachhaltige Ernährung steckt, zeigen Forschende des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) und der Universität Bremen.

Fünf Meeresalgen auf Nährstoffe untersucht

Im Fokus der Studie standen fünf essbare Meeresalgen, die teils noch wenig bekannt sind. Untersucht wurden vier Grünalgenarten – Caulerpa cylindracea, Caulerpa racemosa, Caulerpa lentillifera und Codium taylorii – sowie die Rotalge Botryocladia pseudodichotoma. Mithilfe verschiedener Verfahren bestimmte das Team deren Zusammensetzung sowie ihren Gehalt an Feuchtigkeit, Kohlenhydraten, Proteinen, Fettsäuren, Pigmenten sowie Mineralstoffen und antioxidativen Eigenschaften.

Die Analyse ergab, dass alle Meeresalgen hohe Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren enthalten, vor allem Omega-3-Fettsäuren. Während die Grünalgen vor allem Alpha-Linolensäure liefern, ist die Rotalge reich an Eicosapentaensäure (EPA). Zudem wiesen die Algen einen hohen Gehalt an Kalzium, Magnesium, Kalium und Natrium auf, Makronährstoffe, die für Knochen, Muskeln und Stoffwechsel wichtig sind.

Meeresalgen überzeugen mit hohem Nährstoffprofil

Wie die Forschenden im Fachmagazin Discover Food berichten, besitzen insbesondere die Grünalgen zudem starke antioxidative Eigenschaften und liefern teils hohe Proteinmengen, während die Rotalge einen besonders hohen Gehalt an Magnesium und Kalium aufwies. „Wir haben gezeigt, dass wenig genutzte Algenarten nicht nur ökologisch wertvoll sind, sondern auch mit ihrem Nährwertprofil überzeugen“, resümiert Studienerstautorin Beatrice Brix da Costa. „Dank ihrer biochemischen Zusammensetzung eignen sich die untersuchten Makroalgen ideal als nachhaltige, nährstoffreiche Lebensmittel oder als Basis für Nahrungsergänzungsmittel.“

Meeresalgen aus Aquakultur als Lebensmittelquelle

Auch wenn keine der untersuchten Arten alle für die Ernährung wichtigen Nährstoffe abdeckt, sehen die Forschenden angesichts des weltweiten Bevölkerungswachstums und der zunehmenden Belastung der Landwirtschaft durch den Klimawandel in Meeresalgen ein großes Potenzial für die Ernährungssicherheit und die Landwirtschaft. „Hier kann die nachhaltige Aquakultur mariner Algen oder die Nutzung invasiver Arten eine ressourcenschonende zusätzliche Lebensmittelquelle bieten und Abhängigkeiten von konventioneller Landwirtschaft reduzieren“, erklärt Andreas Kunzmann, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Aquakultur am ZMT.

Im neuen Graduiertenkolleg „The Biological Making of Materials“ (GRK) erforschen bis zu 20 Doktorandinnen und Doktoranden, wie Organismen funktionelle Materialien erzeugen und deren Eigenschaften präzise steuern. Dieses Verständnis natürlicher Materialprozesse soll den Weg für nachhaltige, bioinspirierte Werkstoffe ebnen. Das GRK verbindet Expertise aus Biologie, Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Mathematik. Es wird von Yael Politi (B CUBE – Center for Molecular Bioengineering, TU Dresden) als Sprecherin und Franziska Knopf (CRTD – Center for Regenerative Therapies Dresden & Medizinische Fakultät, TU Dresden) als Co-Sprecherin geleitet. Insgesamt arbeiten fünfzehn Projektleitende über fünf Jahre hinweg in diesem interdisziplinären Programm zusammen, um allgemeine und spezialisierte biologische Strategien der Materialbildung zu entschlüsseln und neue Ansätze für nachhaltige Materialtechnologien zu entwickeln.

Brücke zwischen Bio- und Materialwissenschaften

Organismen erzeugen eine Vielzahl funktioneller Materialien, die sie im Wesentlichen aus einfachen Grundbausteinen wie Zuckern, Proteinen und Mineralien zusammensetzen. Diese „biologischen Materialien“ entstehen unter natürlichen Bedingungen – in wässriger Umgebung sowie bei normalem Druck und normaler Temperatur – und eignen sich daher als Vorbilder für die Entwicklung und Produktion bioinspirierter Werkstoffe. Für eine nachhaltige Materialherstellung braucht es eine neue Generation von „Materialbiologen“ aus der Forschung und aus Unternehmen, die interdisziplinär arbeiten und die Verbindung zwischen Bio- und Materialwissenschaften stärken. Sie sollen biologische Strategien zur Materialsynthese erkennen und verstehen, sodass diese in zukünftige Innovationen und nachhaltige Technologien überführt werden können.

„Auf diese Weise stellt unser Graduiertenkolleg ein Qualifizierungsprogramm dar, das speziell darauf ausgelegt ist, die Lücken zwischen den Lebenswissenschaften und den Materialwissenschaften zu schließen, indem es eine grundlegende Ausbildung in beiden Bereichen bietet“, sind sich Politi und Knopf einig.

Von Schwämmen bis zu Zebrafischen

Das GRK wird die Entstehung biologischer Materialien – etwa Kutikula-Proteine von Spinnen und Fliegen, biogene Kristalle im Zebrafisch, die Siliziumdioxid-Zellwände von Kieselalgen oder Glasskelette von Schwämmen untersuchen. Mithilfe mathematischer Modelle sowie biochemischer, biophysikalischer und molekularbiologischer Methoden sollen die grundlegenden Prinzipien ihrer Bildung entschlüsselt werden. Angela Rösen-Wolff, Prorektorin Forschung und Technologietransfer an der TUD, findet: „Das neu eingeworbene Graduiertenkolleg zeigt eindrucksvoll, wie kollaboratives und interdisziplinäres Forschen an der TUD im Sinne der Spitzenforschung verwirklicht wird.“

After cellulose, lignin is the second most common biopolymer on earth. It is a major component of trees and grasses and is produced in large quantities as a waste product in paper, pulp and bioethanol production. However, as this complex biopolymer is difficult to break down, the residual material is usually incinerated. An international research team led by the Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) is now showing how lignin can be efficiently utilised.

Together with Chinese partners, the LIKAT team has developed a process that converts the plant material into aromatic amides. Amides are organic compounds derived from ammonia (NH3) and are important raw materials for medicines and pesticides, for example.

Development of an innovative catalyst

The development focuses on a catalyst in which cobalt atoms are individually anchored in a carbon matrix. It is said to be extremely active and enables precise, selective conversion of lignin. The key factor is that the new catalytic process does not require toxic reagents and runs under mild conditions.

Amides from lignin

The conversion of lignin therefore takes place in two steps, which can be carried out in a reaction vessel: First, lignin is broken down into carboxylic acids with the aid of oxygen, which then react with ammonia or amines to form aromatic amides. ‘Instead of disposing of this valuable raw material, we can now convert it into useful chemical products,’ explains Zhuang Ma, one of the study's lead authors.

An important step towards sustainable circular chemistry

It is also noteworthy that the process works not only with processed lignin, but also with ordinary pine wood chips. Here, yields were achieved that almost reached the ‘theoretically possible maximum values’. In addition, the catalyst can be used multiple times without losing performance. ‘Our research lays the foundation for truly renewable production of important chemical building blocks,’ says LIKAT researcher Jagadeesh Rajenahally. ‘This is an important step towards sustainable circular chemistry.’

Lignin ist nach Zellulose das zweithäufigste Biopolymer auf der Erde. Es ist ein Hauptbestandteil von Bäumen und Gräsern und entsteht in großen Mengen als Abfallprodukt bei der Papier-, Zellstoff- und Bioethanolproduktion. Da der Aufschluss des komplexen Biopolymers schwierig ist, wird der Reststoff allerdings meist verbrannt. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Leibniz-Instituts für Katalyse (LIKAT) zeigt nun, wie sich Lignin effizient verwerten lässt.

Gemeinsam mit chinesischen Partnern hat das LIKAT-Team ein Verfahren entwickelt, das den Pflanzenstoff in aromatische Amide umwandelt. Amide sind organische Verbindungen, die sich von Ammoniak (NH3) ableiten und wichtige Grundstoffe etwa für Arzneimittel und Pflanzenschutzmittel sind.

Entwicklung eines innovativen Katalysators

Im Fokus der Entwicklung steht ein Katalysator, in dem Kobalt-Atome einzeln in einer Kohlenstoffmatrix verankert sind. Er sei äußerst aktiv und ermögliche eine präzise, selektive Umwandlung des Lignins, heißt es. Das Entscheidende: Das neue Katalyseverfahren kommt ohne giftige Reagenzien aus und läuft unter milden Bedingungen.

Amide aus Lignin

Die Umwandlung von Lignin erfolgt demnach in zwei Schritten, die in einem Reaktionsgefäß durchgeführt werden können: Zunächst wird Lignin mithilfe von Sauerstoff in Carbonsäuren zerlegt, die anschließend mit Ammoniak oder Aminen zu aromatischen Amiden regieren. „Statt diesen wertvollen Rohstoff zu entsorgen, können wir ihn nun gezielt in nützliche chemische Produkte umwandeln“, erklärt einer der Erstautoren der Studie, Zhuang Ma.

Wichtiger Schritt hin zur nachhaltigen Kreislaufchemie

Bemerkenswert ist auch, dass das Verfahren nicht nur mit aufbereitetem Lignin funktioniert, sondern auch mit gewöhnlichen Kieferholzspänen. Hier konnten Ausbeuten erzielt werden, die fast die „theoretisch möglichen Höchstwerte“ erreichen. Zudem ist der Katalysator mehrfach einsetzbar, ohne an Leistung zu verlieren. „Unsere Forschung schafft eine Grundlage für eine wirklich erneuerbare Produktion wichtiger chemischer Bausteine“, sagt LIKAT-Forscher Jagadeesh Rajenahally. „Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigen Kreislaufchemie.“

Barley is one of the world's most important cereal crops. However, like other food crops, barley is also suffering from increasingly high temperatures. A research team from the University of Potsdam and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben is now showing how this important crop can be better equipped to withstand heat stress. In a study, the researchers present innovative approaches to further strengthen the plant's heat tolerance and thus ensure its productivity.

As the research group reports in the journal Nature Communications, barley can be prepared for heat stress by exposing the plant to ‘initially low levels of stress’. This process, known as priming, creates a ‘memory’ of the stress experienced, enabling plants to respond more efficiently to subsequent stress events, according to the report.

Heat stress memory controlled by two proteins

In the study, the researchers were able to show how two key proteins control the so-called heat stress memory in barley without impairing productivity. ‘Our research provides a promising basis for the development of more heat-resistant cereal varieties and could contribute significantly to the stability of agriculture in temperate climates,’ said Isabel Bäurle from the Institute of Biochemistry and Biology at the University of Potsdam.

However, the study also shows that the absence of the two proteins weakens heat-induced genetic responses, while a higher concentration puts the plants into a permanent ‘state of alert’ and thus has a positive effect on their stress response. ‘Knowledge of the function of the two proteins opens up practical approaches to improving heat tolerance without significant yield losses,’ adds lead author Loris Pratx.

Contribution to plant breeding

Building on previous findings from studies on the model plant Arabidopsis thaliana, the work makes an important contribution to the development of climate-resilient crops and shows how basic research can enable concrete solutions for tomorrow's agriculture.