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Household sponges, mattresses, car seats or insulating walls: it is hard to imagine everyday life without foams, whether hard or soft. However, the production of the petroleum-based material is not very environmentally friendly. Researchers at Kaiserslautern University of Applied Sciences think it's time for a change: Together with partners from seven countries, the team led by polymer chemist Sergiy Grishchuk wants to make foam and composite materials more sustainable. A total of 26 partners from Germany, France, Great Britain, Israel, Italy, Latvia, Portugal and Spain are working together in the EU-funded joint project BIOMAT.

Nano-filler from agricultural residues

The EU project aims to boost a sustainable European bioeconomy. To this end, nanobased foam and composite materials for buildings, construction, automobiles as well as furniture and bedding are to be developed that consist of at least half renewable raw materials. In addition, the greenhouse gas emissions during the production of the material are to be reduced by 30 to 50%. The BIOMAT project is funded by the European Union as part of the "Horizon 2020" research and innovation program. The work of the researchers at the Pirmasens Campus of Kaiserslautern University will be supported with a total of 1.3 million euros over the next four years alone.

Polyurethanes with higher organic content

The researchers are relying on nanofillers from agricultural waste materials such as rice husks, which are also expected to improve material properties such as durability. A team from the Department of Applied Logistics and Polymer Sciences will contribute its experience from research on hybridizing natural plant fibers with high-performance natural fibers. The researchers are convinced that combining plant fibers such as flax, hemp and kenaf with inorganic high-performance natural fibers from basalt can improve material properties without reducing the proportion of renewable raw materials. Another team wants to make polyurethanes more environmentally friendly by increasing the proportion of renewable raw materials and improve material properties by using nanofillers.

Service center for bio-based flexible foams

As part of the EU BIOMAT project, a service center for the development of new bio-based flexible foams for mattresses and upholstered furniture is also to be set up at the Pirmasens University Campus. In addition, the construction of a special processing plant for the development of new foam formulations and for testing new biopolyols and additives is planned.

Lebewesen passen sich infolge der Evolution an ihre jeweilige Umwelt an. Das gilt auch für Flechten, jene symbiontischen Lebensgemeinschaften aus Pilzen und Grünalgen oder Cyanobakterien. Wie Forschungsteams des Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrums sowie des LOEWE-Zentrums für Translationale Biodiversitätsgenomik jetzt im Fachmagazin „Environmental Microbiology“ berichten, ist diese Eigenschaft der flechtenbildenden Pilze auch für die Suche nach biologisch aktiven Wirkstoffen relevant.

Drei Gengruppen hängen von der Klimazone ab

Im Fokus der Untersuchungen standen bestimmte Gencluster der Pilze, Bereiche des Erbguts, die mit der Bildung von biologisch aktiven Substanzen in Zusammenhang gebracht werden. „Wir haben bei Umbilicaria pustulata drei Gencluster-Varianten gefunden, die entweder nur im mediterranen Klima am Fuß der Berge oder nur im gemäßigten Klima in den höheren Lagen vorkommen. Damit ist es wahrscheinlich, dass diese Gene mit Naturstoffen assoziiert sind, die bei der Klimaanpassung eine Rolle spielen“, erklärt die Erstautorin der Studie, Garima Singh. Jetzt sei das Ziel, herauszufinden, welche Naturstoffe zu diesen klimatisch differenzierten Genclustern gehören.

Potenzial der Flechten erschließen

So wäre beispielsweise denkbar, dass Flechtenpilze auf den Gipfeln von Bergen Substanzen hervorbringen, die sie vor Frostschäden schützen. Am Fuß des Berges im mediterranen Klima hingegen könnten die Organismen Stoffe bilden, die das Überleben bei Trockenheit fördern. „Die Fähigkeit von Flechten, Naturstoffe zu produzieren, die ihnen das Überleben in einer bestimmten klimatischen Nische erleichtern oder erst ermöglichen, zeigt uns, dass wir das wahre Potenzial von Flechten überhaupt noch nicht kennen“, erläutert Projektleiterin Imke Schmitt – ein Umstand, der auch für andere Pilze gelte. So kenne die Wissenschaft bei Pilzen pro Art bis zu 80 Gruppen von Genen, die für die Naturstoffproduktion verantwortlich sind. „Das sind viel mehr als wir bisher tatsächlich Naturstoffe nachweisen können.“

Klimakrise bedroht Suche nach medizinischen Wirkstoffen

Zahlreiche Naturstoffe aus Pflanzen, Pilzen oder Mikroorganismen sind biologisch aktiv und haben sich als wertvoll für die Medizin erwiesen. Sie hemmen beispielsweise Tumore oder wirken gegen Krankheitserreger. Die allermeisten Naturstoffe des weltweiten Artenreichtums sind jedoch noch gar nicht bekannt, geschweige denn erforscht. „Die Genome von Flechten zu erforschen, kann uns dabei helfen, neue Naturstoffe mit nützlichen Eigenschaften zu finden“, hofft Schmitt. Gleichzeitig warnt sie: „Wenn durch den Klimawandel oder menschliche Eingriffe einzelne Flechten-Populationen aussterben, verschwinden jedoch möglicherweise auch die genetischen Grundlagen für die Produktion noch unentdeckter Naturstoffe.“

Living organisms adapt to their respective environment as a result of evolution. This also applies to lichens, which are symbiotic communities of fungi and green algae or cyanobacteria. Research teams from the Senckenberg Biodiversity and Climate Research Center and the LOEWE Center for Translational Biodiversity Genomics now report in the journal "Environmental Microbiology" that this property of lichen-forming fungi is also relevant for the search for biologically active agents.

Three gene clusters depend on the climate zone

The studies focused on certain gene clusters of the fungi, areas of the genome that are associated with the formation of biologically active substances. "We found three gene cluster variants in Umbilicaria pustulata that occur either only in the Mediterranean climate at the foot of the mountains or only in the temperate climate at higher altitudes. This makes it likely that these genes are associated with natural products that play a role in climate adaptation," explains the study's first author, Garima Singh. The goal now, she says, is to find out which natural products belong to these climatically differentiated gene clusters.

Tapping the potential of lichens

On the one hand, lichen fungi on mountain tops could produce substances that protect them from frost damage. On the other hand, at the foot of the mountain in a Mediterranean climate, the organisms could produce substances that promote survival in drought conditions. "The ability of lichens to produce natural substances that make it easier or possible for them to survive in a particular climatic niche shows us that we don't yet know the true potential of lichens at all," explains project leader Imke Schmitt - a fact that also applies to other fungi. In fungi, for example, scientists know of up to 80 groups of genes per species that are responsible for natural product production. "That's many more than we have actually been able to detect natural products so far."

Climate crisis threatens search for medical agents

Numerous natural substances from plants, fungi or microorganisms are biologically active and have proven valuable for medicine. For example, they inhibit tumors or act against pathogens. However, the vast majority of natural substances from the world's wealth of species are not even known, let alone researched. "Studying the genomes of lichens can help us find new natural products with useful properties," Schmitt hopes. At the same time, she warns, "However, if individual lichen populations go extinct due to climate change or human intervention, the genetic basis for producing as yet undiscovered natural products may also disappear."

Ob Plastiktüten, Joghurtbecher oder Kinderspielzeug, biobasierte Kunststoffe haben sich in den vergangenen Jahren einen festen Platz auf dem Markt erobert. Noch ist ihr Anteil im Vergleich zu den fossilen Kunststoffen gering, auch, weil Probleme bei der Verarbeitung befürchtet werden. Der Verpackungshersteller SÜDPACK und ILLIG Maschinenbau demonstrieren anhand einer Musterverpackung für Lebensmittel, dass die Verarbeitung problemlos funktioniert.

Praxistest für Biokunststoff von BASF

Zur Herstellung des Behälters wurde der von der BASF entwickelte Biokunststoff ecovio verwendet. Er besteht unter anderem aus Polymilchsäure (PLA) und ist in gängigen Industrieanlagen kompostierbar. Wie SÜDPACK und ILLIG gemeinsamen mitteilten, wurde der Biokunststoff in einer Fallstudie „speziell für die Filmextrusion mit anschließendem Thermoformen optimiert“ und konnte so „auf Standard-Maschinen in Mono- oder Co-Extrusion zu Folien mit oder ohne zusätzliche Sauerstoffbarriere verarbeitet werden“ – und das bei der gleichen Produktionsgeschwindigkeit wie bei ähnlichen Verpackungen aus konventionellen Kunststoffen.

Mechanische Eigenschaften ähnlich wie PP

Die von SÜDPACK und ILLIG entwickelte Schale ist für Lebensmittel wie vegane oder vegetarische Burger oder Milchprodukte wie Joghurt oder Käse zugelassen. Die Wärmebeständigkeit sei mit bis zu 95° C sehr hoch. Auch die mechanischen Eigenschaften seien „ähnlich gut“ wie die von Polypropylen (PP), heißt es. PP ist ein begehrter, aus fossilen Rohstoffen bestehender Thermokunststoff, der häufig für Lebensmittelverpackungen genutzt wird. Anhaftungen von Essensresten machen das Recycling des fossilen Pendants jedoch aufwendig. Die neuartige Lebensmittelbox könnte demnach einschließlich der Essensreste problemlos verwertet werden.

Verarbeitung auf Standardanlagen

„Zusammen mit ILLIG, einem global führenden Hersteller von Thermoform- und Werkzeugsystemen, konnten wir mit dieser Fallstudie zeigen, dass Folien aus dem Material ecovio nicht nur effektiv auf gängigen Extrusionsanlagen hergestellt werden können, sondern darüber hinaus auch hervorragende Eigenschaften bei der Verarbeitung auf Tiefziehanlagen zeigen“, resümiert Jürgen Betz von SÜDPACK. Die von dem Unternehmen hergestellte Folie für den Deckel der Lebensmittelbox besteht aus einem mehrschichtigen, teilweise transparenten Laminat auf Basis von PLA und braunem Papier und ist ebenfalls industriell kompostierbar.

„Mit unserem gemeinsamen Projektansatz wollen wir auch zeigen, wie sich zertifiziert kompostierbare und biobasierte Kunststoffe auf Standardmaschinen problemlos thermoformen und weiterverarbeiten lassen“, sagt Sven Engelmann von ILLIG. „Wir konnten dieselbe Maschinengeschwindigkeit fahren wie bei Polypropylen.“ Auch Schriftzüge könnten mit Hilfe von Thermoform-Werkzeugen auf dem Biokunststoff „detailgenau“ abgebildet werden.

Multikulti gibt es jetzt nicht mehr nur in der Soziologie, sondern auch in der Mikrobiologie: Es ist der Name eines nun gestarteten Forschungsverbunds, der sich zum Ziel gesetzt hat, einen neuartigen Bioreaktor zu entwickeln. Mit ihm soll es möglich werden, auch jene aquatischen Mikroorganismen im Labor zu kultivieren, bei denen das bislang gescheitert ist. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert den Verbund mit 2,5 Mio. Euro über einen Zeitraum von drei Jahren.

Nur 1% aller Mikroorganismenarten bislang kultiviert

Ob im Wasser, im Boden oder in höheren Lebewesen – Mikroorganismen erfüllen überall auf der Erde wichtige Funktionen, die der Mensch gerne besser verstehen würde. „Dennoch ist der Großteil aller freilebenden Mikroorganismen bisher so gut wie unbekannt“, erläutert Projektleiter Martin Könneke von der Universität Oldenburg. Viele Mikroorganismen stellen Anforderungen, die bislang nicht verstanden oder im Labor schwierig nachzubilden sind, weshalb bis heute nur ein winziger Bruchteil aller Arten erfolgreich im Labor lang genug am Leben gehalten werden konnte, um daran zu forschen.

Bioreaktor optimiert Parameter automatisiert

Ändern soll das nun ein modular aufgebauter, vollautomatischer Bioreaktor. Molekularbiologische Methoden sollen regelmäßig die Zusammensetzung der Mikroben im Reaktor überprüfen. Auf dieser Grundlage passt der Reaktor die Haltungsbedingungen so an, dass die Mikroorganismen möglichst natürliche Umweltbedingungen vorfinden. Der Schwerpunkt der Forschung soll dabei auf drei bislang zu wenig erforschten Gruppen von Einzellern liegen: solche, die aus technischen Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung und dem Grundwasser stammen; solche, die in Kaltwassergeysiren wie dem in Andernach leben, weil diese Arten Potenzial für die Biotechnologie haben könnten; und solche, die im Meer wichtige ökologische Funktionen erfüllen.

Gemeinschaften erhalten und dann erforschen

„Im ersten Schritt wollen wir die natürlichen Gemeinschaften der Mikroorganismen erhalten“, schildert Könneke. Später sollen dann einzelne Organismen isoliert und angereichert werden, um sie gezielt zu untersuchen und die Art mit ihren individuellen Ansprüchen besser zu verstehen, ebenso wie die Gemeinschaften, in denen sie bevorzugt leben. Beteiligt sind an diesen Arbeiten neben der Universität Oldenburg die Universitäten Erlangen-Nürnberg, Duisburg-Essen, die Humboldt-Universität Berlin, das DVGW-Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. Letzteres ist besonders daran interessiert, wie Umweltbedingungen wie auf dem Mars sich auf bestimmte Mikroorganismen auswirken.

Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen im Boden sind auf eine ausgewogene Versorgung mit Nährstoffen wie Stickstoff angewiesen. Die Realität sieht jedoch oft anders aus, weil landwirtschaftliche Flächen überdüngt sind. Welche Auswirkungen Nährstoffeinträge wie Stickstoff auf Ökosysteme haben und wie deren Fähigkeiten dadurch beeinflusst werden, erforscht Sönke Zaehle. Im Interview erklärt der Jenaer Geoökologe, warum ein nährstoffreicher Boden nicht immer gut ist für die Artenvielfalt, wie sich Ökosysteme dadurch verändern können und auf welche Faktoren Landwirte achten sollten, um die Biodiversität der Ökosysteme durch Überdüngung nicht zu gefährden.

Animals, plants or microorganisms in the soil depend on a balanced supply of nutrients such as nitrogen. However, the reality looks often different, because agricultural areas are overfertilized. Sönke Zaehle is researching the effects that nutrient inputs such as nitrogen have on ecosystems and how their capabilities are affected as a result. In an interview, the Jena-based geoecologist explains why nutrient-rich soil is not always good for biodiversity, how ecosystems can change as a result, and which factors farmers should pay attention to in order not to endanger ecosystem biodiversity through overfertilization.

Was nach der Ernte übrig bleibt, landet meist in der Biogasanlage und wird energetisch genutzt. Die dabei anfallenden Gärreste werden wegen ihres hohen Nährstoffgehaltes häufig als Dünger in der Landwirtschaft verwendet. Forschende vom Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung Denkendorf demonstrieren, dass die Verwertungskette der Gärreste nicht auf dem Feld enden muss, sondern diese in der Industrie als Rohstoff weiter verarbeitet werden können.

Gärreste des Hopfens als Industrierohstoff

Im Fokus eines Forschungsprojektes mit drei Industriepartnern ging es um Reststoffe des Hopfenanbaus aus dem größten Anbaugebiet Deutschlands in Hallertau. Die so genannten Hopfenrebenhäcksel, die bei der Ernte übrig blieben, wurden auch hier zunächst in einer Biogasanlage in umweltfreundliches Bioerdgas umgewandelt. Aus den Gärresten entwickelte das Team jedoch einen Verbundwerkstoff, der sogar zum Bauen von Möbeln genutzt werden kann. Konkret wurde ein Verbundstoff für sogenannte Schichtstoffe hergestellt, die sehr flexibel gestaltet werden können und daher in der Möbelindustrie sehr begehrt sind.

Neuer Verbundstoff für den Möbelbau

Dafür wurden die pflanzlichen Reststoffe des Hopfenanbaus zunächst umweltschonend gereinigt. Nach Angaben der Forschenden wurde aus dieser Masse mit der Hochschule Reutlingen ein Nassvlies entwickelt, das zusammen mit einem biobasierten Harzsystem zu einem Verbundwerkstoff gepresst wurde. Das Material sei nicht nur nachhaltig, weil bei der Produktion auf chemische Zusätze verzichtet wurde. Es sei auch belastbar und könne vielseitig eingesetzt werden, heißt es.

Dass dieser nachhaltige Verbundstoff aus Gärresten tatsächlich zum Möbelbau taugt, zeigt ein kleiner quadratischer Schrank, der als Demonstrator gebaut wurde. Das spezielle Design des Möbelstücks prägen Reststoffe, die als Verschnitt in der Textilindustrie anfallen und damit ebenfalls eine neue Verwertung erfahren. Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) gefördert. Neben der DITF waren die Hopfenpower GmbH, die Novis GmbH und die Schreinerei Nuding am Projekt beteiligt.

What remains after harvesting usually ends up in the biogas plant and is used for energy. The resulting fermentation residues are often taken as fertilizer in agriculture because of their high nutrient content. Researchers from the German Institute of Textile and Fiber Research Denkendorf have now shown that the recycling chain for fermentation residues does not have to end in the field, but that they can be further processed in industry as a raw material.

Fermentation residues from hops as an industrial raw material

The focus of a research project with three industrial partners was on residues from Germany's largest hop-growing region in Hallertau. The so-called hop bine chaff left over from the harvest was initially converted into environmentally friendly biomethane in a biogas plant. However, the team used the fermentation residues to develop a composite material that can even be used to build furniture. Specifically, a composite material was produced for so-called laminates, which can be designed very flexibly and are therefore in great demand in the furniture industry.

New composite material for furniture construction

To this end, the plant residues from hop cultivation were first cleaned in an environmentally friendly manner. According to the researchers, a wet fleece was developed from this mass with Reutlingen University, which was pressed together with a bio-based resin system to form a composite material. The material is not only sustainable because no chemical additives were used in production. It is also resilient and can be used in a variety of ways, they say.

A small square cabinet that was built as a demonstrator shows that this sustainable composite material made from fermentation residues is actually suitable for furniture construction. The special design of the piece of furniture is characterized by residual materials that occur as offcuts in the textile industry and are thus also recycled in a new way. The research project was funded as part of the Central Innovation Program for SMEs (ZIM). In addition to DITF, Hopfenpower GmbH, Novis GmbH and Schreinerei Nuding were involved in the project.

Ab heute beansprucht die Menschheit für das restliche Jahr mehr Acker- und Weideland, Fischgründe und Wald, als uns rechnerisch zur Verfügung stünden. Und wir stoßen weit mehr CO2-Emissionen aus, als die Wälder und Ozeane der Welt aufnehmen können. Der Tag verdeutlicht, dass die gesamte Weltbevölkerung 1,7 Erden bräuchte, um den durchschnittlichen globalen Bedarf an natürlichen Rohstoffen nachhaltig zu decken.

Den Berechnungen zufolge nähert sich der weltweite Ressourcenverbrauch wieder dem Stand von vor dem Beginn der Corona-Pandemie. 2020 hatte sich der Erdüberlastungstag wegen des Lockdowns um fast drei Wochen nach hinten verschoben, auf den 22. August. Die Übernutzung der Erde war also etwas zurückgegangen. In diesem Jahr jedoch sind die nachhaltig nutzbaren Ressourcen wieder so früh verbraucht wie 2019, am 29. Juli. Zurückgeführt wird dies auf den bereits befürchteten Rebound-Effekt, das sprunghafte Wiederansteigen der Emissionen nach dem Höhepunkt der Pandemie. So prognostiziert das Global Footprint Network einen Anstieg der CO2-Emissionen um 6,6% gegenüber 2020. Zudem wirkt sich aus, dass die globale Biokapazität der Wälder in diesem Jahr um 0,5% zurückgehen wird, maßgeblich verantwortlich ist dafür die rasante Abholzung des Amazonas-Regenwaldes.

Im Jahr 2000 fiel der Erdüberlastungstag noch auf den 22. September, 2010 war es bereits der 6. August. Ein Gleichgewicht von Verbrauch und Regeneration der Ressourcen bestand zuletzt im Jahr 1970.

Bei den Berechnungen werden nach Angaben des Netzwerkes zwei rechnerische Größen gegenübergestellt: zum einen die biologische Kapazität der Erde zum Aufbau von Ressourcen sowie zur Aufnahme von Müll und Emissionen, zum anderen der Bedarf an Wäldern, Flächen, Wasser, Ackerland und Fischgründen.

Laut der Analyse des Global Footprint Networks war hierzulande der nationale Erdüberlastungstag bereits Anfang Mai erreicht.

As of today, humanity is taking up more arable and pasture land, fishing grounds and forests for the rest of the year than would be available to us mathematically. And we are emitting far more CO2 than the world's forests and oceans can absorb. The Earth Overshoot Day illustrates that the entire world population would need 1.7 Earths to sustainably meet the average global demand for natural resources.

According to the calculations, global resource consumption is approaching the level of before the start of the Corona pandemic. Because of the lockdown, Earth Overshoot Day in 2020 had moved back almost three weeks, to 22 August. The overuse of the Earth had thus decreased somewhat. This year, however, the sustainably usable resources will again be used up as early as 2019, on 29 July. This is attributed to the already feared rebound effect, the sudden increase in emissions after the peak of the pandemic. So the Global Footprint Network forecasts a 6.6% increase in CO2 emissions compared to 2020. In addition, the global biocapacity of forests will decline by 0.5% this year. The rapid deforestation of the Amazon rainforest is largely responsible for this.

In 2000, the Earth's Overshoot Day still fell on 22 September; in 2010, it was already 6 August. The last time there was a balance between consumption and regeneration of resources was in 1970.

According to the network, the calculations compare two mathematical variables: on the one hand, the biological capacity of the Earth to build up resources and absorb waste and emissions, and on the other hand, the demand for forests, land, water, arable land and fishing grounds.

According to the Global Footprint Network's analysis, the National Overshoot Day was already reached in Germany at the beginning of May.

Ob Weizen oder Mais: Nutzpflanzen werden in der Regel als sogenannte Reinkulturen auf einem Feld angebaut. Der Anbau einer einzelnen Kultur ist bis heute eine gängige Praxis in der Landwirtschaft. Doch Reinkulturen sind, wenn sie als Monokulturen ohne eine vielseitige Fruchtfolge angebaut werden, nicht immer umweltfreundlich. Sie nutzen die Nährstoffe sehr einseitig und sind anfälliger für Schädlinge, so dass Dünger oftmals nicht optimal genutzt werden und regelmäßig Pflanzenschutzmittel ausgebracht werden müssen. Das schadet sowohl Boden als auch Grundwasser. Außerdem sind die Böden weniger vor Wetterextremen und Erosion geschützt. Auch die Biodiversität leidet nachweislich unter den Folgen der einseitigen und meist intensiven Bewirtschaftung. Nicht nur Felder und Wiesen, auch Wälder haben mit den Folgen von Monokultur zu kämpfen. Neue Anbauformen sind nötig, um Erträge zu sichern und gleichzeitig die Umwelt zu schützen.

Genotypen für den Mischanbau getestet

Eine vielversprechende Alternative dazu ist der sogenannte Mischanbau. Der Anbau verschiedener Pflanzenarten auf einer Fläche stand daher im Fokus des Verbundprojekts IMPAC3. Forschende der Georg-August-Universität Göttingen haben darin von 2015 bis 2020 gemeinsam mit zwei Unternehmen der Pflanzenzüchtung, Norddeutsche Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke KG (NPZ) und Deutsche Saatveredelung AG (DSV), neuartige Genotypen für den Mischanbau getestet. Das Vorhaben wurde im Rahmen der Förderrichtlinie „Integrierte Pflanzenzüchtung in Anbausystemen – IPAS“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 3,5 Mio. Euro gefördert.

„Bekannt ist, dass eine größere Vielfalt Ressourcen besser nutzen und Erträge steigern kann. Welche Sorten und Genotypen für den Mischanbau am besten geeignet sind, war aber weitestgehend unbekannt“, erklärt Ulf Feuerstein, Forschungsleiter für Saatguttechnologie bei der DSV. Im Projekt IMPAC3 ging es darum, die ideale Kombination der Mischungspartner in puncto Produktivität und Stabilität zu finden und in moderne Landnutzungssysteme zu integrieren.

Leguminosen neben Weizen, Gräsern und Pappeln

Der Mischanbau wurde an zwei Standorten in der Nähe von Göttingen, in Reinshof und Deppoldshausen, für drei verschiedene Landnutzungssysteme untersucht: Ackerland, Grünland und Wald. Angebaut wurden jeweils zwei Kulturarten. „Darunter war immer eine Leguminose, weil sie mithilfe von Bakterien Stickstoff aus der Luft binden und an die benachbarten Pflanzen abgeben kann“, erklärt Feuerstein.

So wurde auf der Ackerfläche der gemeinsame Anbau von Winterweizen und Winterackerbohne, auf dem Grünland eine Kombination von Weißklee, Deutschem Weidelgras und Futterzichorie sowie auf der Forstfläche der Mischanbau von Pappel und Robinie untersucht. Parallel zu den beiden großen Feldversuchen der Göttinger wurde von der NPZ der Mischanbau auf dem Acker und von der DSV der Kombi-Anbau auf dem Grünland getestet, um die Ergebnisse des Großversuchs später abzugleichen. Faktoren wie Wurzelwachstum, Stickstoffanreicherung und Bodenfeuchte wurden mit Hilfe moderner Technologien gemessen. Auch Drohnen kamen dabei zum Einsatz.

The cultivation of a single crop is common practice in agriculture today, i.e., crops such as wheat or corn are usually grown as pure cultures. However, as monocultures without versatile crop rotation, they are not always environmentally friendly. They use nutrients in a very one-sided way and are more susceptible to pests, which means that fertilisers are not used optimally and pesticides have to be applied regularly. This damages both groundwater and soil, leaving the soil less protected from weather extremes and erosion. Biodiversity also demonstrably suffers from the consequences of one-sided and usually intensive cultivation. Not only fields and meadows, but also forests are struggling with the consequences of monoculture. New forms of cultivation are needed to secure yields and protect the environment at the same time.

Genotypes tested for mixed cultivation

A promising alternative to this is so-called mixed cultivation. The cultivation of different plant species on one area was therefore the focus of the joint project IMPAC3. From 2015 to 2020, researchers from the Georg-August University of Göttingen, together with two plant breeding companies, Norddeutsche Pflanzenzucht Hans-Georg Lembke KG (NPZ) and Deutsche Saatveredelung AG (DSV), tested novel genotypes for mixed cultivation. The project received funding of around 3.5 million euros from the German Federal Ministry of Education and Research as part of the "Integrated Plant Breeding in Cultivation Systems - IPAS" funding program.

"It is well known that greater diversity can make better use of resources and increase yields. But which varieties and genotypes are best suited for mixed cropping not yet," explains Ulf Feuerstein, research manager for seed technology at DSV. The IMPAC3 project was about finding the ideal combination of mixing partners in terms of productivity and stability and integrating them into modern land use systems.

Legumes alongside wheat, grasses and poplars

Mixed cropping was studied at two sites near Göttingen - Reinshof and Deppoldshausen - for three different land use systems: Arable land, grassland and forest. Two crop types were cultivated at each site. "One of them was always a legume, because it can bind nitrogen from the air with the help of bacteria and release it to the neighboring plants," explains Feuerstein.

The joint cultivation of winter wheat and winter field bean was tested on the arable land, a combination of white clover, German ryegrass and forage chicory on the grassland, and the mixed cultivation of poplar and black locust on the forestry land. In parallel to the two large-scale field trials conducted by the Göttingen researchers, the NPZ tested mixed cropping on arable land and the DSV tested combined cropping on grassland in order to later compare the results of the large-scale trial. Factors such as root growth, nitrogen accumulation and soil moisture were measured using modern technologies, such as drones.

Die Bioökonomie bietet viele Optionen, um auch beruflich etwas für Nachhaltigkeit und Umweltschutz zu tun. Die Möglichkeit für Schüler, sich über die Vielfalt der Angebote zu informieren, war in den vergangenen Monaten auf Grund der Pandemie jedoch äußerst eingeschränkt. Das soll sich nun ändern. Mit Beginn des neuen Schuljahres lädt der Wissenschaftsladen (WILA) Bonn e.V. Schülerinnen und Schüler zu einer Reihe von Dialogveranstaltungen ein, um nachhaltige Berufe in der Bioökonomie kennenzulernen. Das Projekt „Jobs ohne Kohle? Kommunikation nachhaltiger Berufe in der Bioökonomie“ wird im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2020/21 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Dialog mit jungen Fachkräften aus der Bioökonomie

Von August bis November können Jugendliche an den unterschiedlichsten Berufsbildungsformaten teilnehmen und dort mit jungen Fachkräften, die bereits auf dem breiten Feld der Bioökonomie arbeiten, ins Gespräch kommen. Die Veranstaltungen finden sowohl vor Ort in der Schule als auch digital statt. „Ziel ist es, junge Fachkräfte mit Schülern und Schülerinnen zusammenbringen“, sagt Projektmitarbeiterin Sabrina Jaehn im Gespräch mit bioökonomie.de. „Entweder wir gehen mit der jungen Fachkraft in die Schule oder Schüler und Schülerinnen lassen sich von der Fachkraft per Video durch das Unternehmen, wo sie arbeiten, navigieren und lernen so Aufgaben, Arbeitsplatz und Arbeitsalltag der jungen Fachkraft kennen.“ Das Angebot soll aber nicht nur Jugendliche inspirieren. Junge Fachkräfte und deren Arbeitgeber erhalten so die Chance, den Nachwuchs für einen Job in der Bioökonomie zu begeistern und das Unternehmen vorzustellen.

Kostenlose Berufsbildungsformate für Schulen und Unternehmen

Mit „Ask a Worker“, „Help a Worker“ oder „Navigate a Worker“ stehen insgesamt drei kommunikative Formate zur Berufsorientierung zur Auswahl. Im Format „Ask the Worker“ stellen sich junge Fachkräfte den Fragen der Schüler und Schülerinnen. In „Navigate a Worker" kann sich der interessierte Nachwuchs hingegen selbstständig per Kamera durch ein Unternehmen aus dem Bereich Bioökonomie navigieren und bestimmen, welche Maschine beispielsweise vorgeführt werden soll. In „Help a Worker" sollen Schüler und Schülerinnen gemeinsam mit der jungen Fachkraft Lösungsansätze für Herausforderungen entwickeln. „Die Formate sind jeweils so konzipiert, dass sie sowohl vor Ort als auch digital stattfinden können“, so Jaehn.

Die Angebote zur Berufsorientierung sind kostenlos und richten sich an Schülerinnen und Schüler ab der 9. Klasse sowie Unternehmen aus der Bioökonomie. Alle Termine sind nach vorheriger Absprache frei wählbar. Interessiert? Schulklassen, Gruppen sowie Unternehmen können sich für eine Teilnahme bei Krischan Ostenrath per Mail unter krischan.ostenrath@wilabonn.de anmelden.

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Stress ist ungesund – für Mensch wie für Pflanze. Anders als Mensch oder Tier können Pflanzen Stress jedoch nicht ausweichen, können beispielsweise nicht vor Hitze in den Schatten oder in kühlere Gebiete fliehen. Deshalb besitzen pflanzliche Zellen eine Reihe von Anpassungsmechanismen. Jetzt konnten Forschende zeigen, dass diese Mechanismen gegen Hitzestress im Sprossmeristem besonders gut greifen, wenn die Pflanze schon einmal Hitze überlebt hat. Dieser für das Wachstum so wichtige Gewebetyp entwickelt demnach auf epigenetischer Ebene ein „Stressgedächtnis“, wie das Forschungsteam im Fachjournal „Molecular Plant“ berichtet.

Gewebespezifischer Mechanismus

„In der Regel sind die einzelnen Zellen in der Lage, auf einen akuten Stress zu reagieren. Dies geschieht auf unterschiedlichen Ebenen“, erläutert Justyna Jadwiga Olas vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. So könne zum Beispiel der Stoffwechsel verändert oder entsprechende Gene könnten an- oder abgeschaltet werden, um mehr oder weniger Kopien bestimmter Proteine in der Zelle zu erzeugen. Die Zellen des Sprossscheitelmeristems verfügen jedoch über einen weiteren Mechanismus. „Im Vergleich zu anderen Organen, wie den Blättern, konnten wir zeigen, dass im Meristem eine unabhängige, gewebespezifische Regulation vorliegt“, berichtet Olas. „Sowohl die Komponenten, als auch die Geschwindigkeiten der einzelnen Reaktionen unterscheiden sich stark von den Reaktionen in anderen Organen.“

Vier Gene beteiligt

Analysen, welche Gene speziell in diesem Gewebetyp bei Hitze vermehrt oder vermindert in Proteine übersetzt wurden, halfen den Fachleuten, das „Stressgedächtnis“ auf molekularer Ebene zu identifizieren. Dabei handelt es sich um vier Gene: Eines der Gene kodiert für eine Aldolase – ein Enzym des Kohlenhydratstoffwechsels, das für die Energiezufuhr verantwortlich ist –, eines für ein Hitzeschockprotein, das andere Proteine vor der Zerstörung unter Hitze schützt, und die anderen beiden für zwei Stammzellregulatoren.

Potenzial für die Pflanzenzüchtung

Allerdings besitzt die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, an der die Studien durchgeführt wurden, diese Eigenschaft erst, nachdem sie eine milde Hitzephase überstanden hat. Eine zweite, größere Hitzewelle überlebt das Meristem danach und ermöglicht der Pflanze, nach der Hitze weiterzuwachsen und sogar verstorbene Organe zu ersetze. Pflanzen ohne diese Prägung leiden stark durch eine erste Hitze oder sterben ab. Dabei fiel auf, dass hitzegeprägte Pflanzen erst mit Abklingen der Hitze weiterwachsen. „Eine Wachstumshemmung während einer Hitzeperiode ist absolut sinnvoll und überlebensnotwendig, da dadurch auch die Blütenbildung während dieser Zeit verhindert und somit einem möglichen Ertragsverlust entgegengewirkt wird“, erklärt Bernd Müller-Röber vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie. Das bessere Verständnis des Hitzegedächtnisses soll nun mittelfristig der Pflanzenzüchtung helfen, neue Sorten resistenter gegen die Folgen der Klimakrise zu machen.

Stress is unhealthy - for both humans and plants. Unlike humans or animals, however, plants cannot avoid stress, e.g., they cannot flee from heat into the shade or into cooler areas. That is why plant cells have a number of adaptation mechanisms. Researchers have now been able to show that the mechanisms in the shoot meristem are particularly effective if the plant has already survived heat. This type of tissue, which is so important for growth, develops a "stress memory" at the epigenetic level, as the research team reports in the journal Molecular Plant.

Tissue-specific mechanism

"In general, individual cells are able to respond to an acute stress. This happens at different levels," explains Justyna Jadwiga Olas of the Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology. For example, metabolism could be altered or corresponding genes could be switched on or off to produce more or fewer copies of certain proteins in the cell. However, the cells of the shoot apical meristem have another mechanism. "Compared to other organs, such as leaves, we showed that there is independent, tissue-specific regulation in the meristem," Olas reports. "Both the components and the rates of the individual reactions are very different from reactions in other organs."

Four genes involved

Analyses of exactly which genes increased or decreased in translation into proteins during heat helped the experts to identify the "stress memory" at the molecular level. Four genes are involved: one of the genes codes for an aldolase - an enzyme of carbohydrate metabolism responsible for energy supply - one for a heat shock protein that protects other proteins from destruction under heat, and the other two for two stem cell regulators.

Potential for plant breeding

Arabidopsis thaliana, the plant on which the studies were carried out, only possesses this property after it has survived a mild heat phase. The meristem survives a second, more severe heat wave thereafter, allowing the plant to continue growing after the heat and even replace deceased organs. Plants without this imprinting suffer greatly from a first heat or die. It was noticeable that heat imprinted plants did not continue to grow until the heat subsided. "Growth inhibition during a heat period makes absolute sense and is necessary for survival, since this also prevents flower formation during this time and thus counteracts a possible loss of yield," explains Bernd Müller-Röber of the Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology. The better understanding of heat memory should now help plant breeding in the medium term to make new varieties more resistant to the consequences of the climate crisis.

Besser nutzen als einlagern: Um den Kohlendioxidausstoß in die Atmosphäre zu begrenzen, propagieren insbesondere Energiekonzerne die Abscheidung des Treibhausgases aus Kraftwerks- und Fabrikemissionen. Das Gas soll dann beispielsweise in unterirdischen Depots für die Ewigkeit gelagert werden.

Neben den damit verbundenen Risiken bedeutet das Zusatzkosten für die bestehenden Prozesse, aber keinen Mehrwert für die Unternehmen. Besser wäre es daher, das CO₂ nicht zu lagern, sondern als Rohstoff einzusetzen. Das ist bislang nur in geringem Umfang möglich, gewinnt aber langfristig an Bedeutung, wenn weltweit Klimaneutralität erreicht sein muss, obwohl auf bestimmte Prozesse, bei denen Kohlendioxid entsteht, nicht verzichtet werden kann oder soll.

Methanol und Ameisensäure aus CO₂

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt dazu mit weiteren Beteiligten in zwei Projekten vielversprechende Verfahren, um CO₂ als Rohstoff für chemische Wertstoffe zu verwenden. Das sei, so Jonathan Fabarius vom IGB, „erstens die heterogene chemische Katalyse, bei der wir das Kohlendioxid mit einem Katalysator zu Methanol umsetzen; zweitens die Elektrochemie, mit der wir aus dem Kohlendioxid Ameisensäure produzieren“.

Doch an dieser Stelle endet der Prozess noch nicht. Sowohl Methanol als auch Ameisensäure dienen im Anschluss als Futter für Mikroorganismen, die diese durch ihren Stoffwechsel zu höherwertigen Verbindungen umbauen. Das sind in diesem Fall meist organische Säuren, die sich zu Polymeren verbinden lassen. Daraus könnte CO₂-basierter Kunststoff hergestellt werden, aber auch Aminosäuren, die als Nahrungsergänzungsmittel oder als Futtermittelzusatz Verwendung finden.

Flexibler Ansatz für Zellfabriken

Als Mikroorganismen kommen in den Forschungsprojekten sowohl Bakterien zum Einsatz, die von Natur aus die gewünschten organischen Säuren erzeugen, als auch Hefen, die gentechnisch für den gewünschten Zweck optimiert wurden. Erst dadurch verfügen die Zellen über die erforderlichen Enzyme, um die Zielprodukte herzustellen. Gleichzeitig werden mittels Gentechnik die Gene, die diese Produktion negativ beeinflussen könnten, deaktiviert. „Indem wir die eingeschleusten Gene variieren, können wir eine breite Palette an Produkten herstellen“, erläutert Fabarius die flexiblen Möglichkeiten.

Unabhängig vom Vorteil, auf diesem Weg CO₂ einer Nutzung zuzuführen, sieht der Forscher noch weitere Vorteile: „Wir können gänzlich neue Produkte realisieren, aber auch den Kohlendioxid-Fußabdruck klassischer Produkte verbessern.“ Und wo konventionelle chemische Prozesse viel Energie und oftmals toxische Lösungsmittel benötigten, ließen sich die Produkte mit Mikroorganismen bei milderen und energieeffizienteren Bedingungen produzieren. Bis die hier entwickelten Verfahren aber in industriellem Maßstab funktionieren und genutzt werden, dürfte es noch ein gutes Jahrzehnt dauern, da machen sich die Fachleute keine Illusionen.