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Sugar beet (Beta vulgaris) is a fairly young but also diverse crop that is farmed across Europe. The cultivation of sugar beet was the starting point for the industrial sugar production. Today, approximately one third of the global sugar consumption originates from sugar beet, which generates a yearly revenue of about €25 billion. However, in recent years the plant  the beet necrotic yellow vein virus (BNYVV)  - causing rhizomania  - has endangered the sugar beet yield more and more. The virus is transferred via fungi that live in the soil, and has reduced the global yield by up to 80%. These huge losses occur, because rhizomania does not respond to conventional pesticides. An international research team headed by the Kiel University (CAU) has detected a novel resistance-gene that protects the plant from the virus.

Rhizomania overcomes previous resistance mechanism

Incorporating resistance mechanisms into plant breeding has been done for decades. However, over the last few years the virus causing rhizomania has been overcoming the genetic resistance mechanism that had been used for sugar beet thus far. An international team of researchers now identified an alternative rhizomania resistance gene, which naturally occurs in wild populations of sugar beet. Because of the exact genetic identification of this novel resistance gene it can be immediately applied to its agricultural usage. The study was published in the journal "Nature Communications".

The exact identification of the gene underlying the resistance mechanism allows for their application in plant breeding. The fact that a second resistance mechanism exists had been known for a while. But since sugar beets carrying this resistance provided smaller yields than other plants, they were hardly used in farming.

Wild sugar beets in Denmark hold the resistance key

In order to identify the gene the researchers went to the coastal area of the Danish island Seeland. There a wild sugar beet population grows that is not affected by the Rhizomania virus. “Interestingly we noticed that resistant and vulnerable wild beets are living next to each other on a stretch of 15 kilometres”, says Gina Capistrano-Gossmann of the CAU. „Resistant plants have no advantage over vulnerable plants at this spot, because the soil is not infected with the Rhizomania virus”, he explains. To decipher the genetic basis of the virus-resistance in these beets, the researchers compared gene sequences of the resistant beets with the sequences of vulnerable beets and performed an association analysis. At the end of their analyses they were able to localize where in the genome the resistance gene could be found.

Biodiversity enables alternative resilience

Since they now know the resistance-causing gene sequence, the researchers can easily distinguish between resistant and vulnerable young plants. Moreover, the molecular reaction based on the resistance-gene can be analysed in more detail now. Because of these findings future farmers will be able to cultivate rhizomania-resistant sugar beets that hold the promise of high yields. Of note: the resistance was found in a wild beet population, highlighting once more the importance of biodiversity, the potential therein, as well as the need to protect the naturally occurring biodiversity and the diverse genetic gene pool.

jmr

Pflanzen können Nährstoffe über ihre Wurzeln und Blätter aufnehmen. Obwohl die Blattdüngung beispielsweise im Weinbau längst praktiziert wird, birgt sie Gefahren für die Kulturpflanzen und die Umwelt. Bei Niederschlag wird der wasserlösliche Dünger schnell von den Blättern gewaschen und gelangt ins Erdreich, wo er, chemisch verändert, nicht mehr von der Pflanze aufgenommen werden kann. Stattdessen führt er zu einer Belastung der Umwelt. Bei warmen Temperaturen verdunstet das Wasser, in dem die Nährstoffe gelöst sind, von den Blättern. Die Nährstoffe bleiben als kristalline Salze liegen, entziehen dem Blatt Wasser und können Verbrennungsschäden verursachen. Forschende der Universität Bonn sowie der RWTH und des DWI-Leibnitz-Instituts für Interaktive Materialien in Aachen haben nun ein Gel entwickelt, mit dem Pflanzen bedarfsgerecht über ihre Blätter gedüngt werden.

Böden sind durchzogen von einem feinen Geflecht dünner Pilzfäden, den sogenannten Hyphen. Die oberirdisch sichtbaren Fruchtkörper machen nur einen geringen Teil des eigentlichen Pilzes aus. Bis zu mehreren Quadratmetern, teilweise sogar bis zu mehreren Hektar dehnt sich das unterirdische Geflecht eines einzigen Pilzes aus. Die Hyphen funktionieren dabei wie mikroskopische Pipelines, die den gesamten Organismus mit Wasser und Nährstoffen versorgen. Lange schon wird vermutet, dass Pilze eine wichtige Rolle im Feuchtigkeitshaushalt der Böden spielen. „Nun konnten wir endlich den experimentellen Beweis erbringen“, sagt Matthias Kästner, Umweltbiotechnologe am Helmholz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. Über ihren Fund berichten sie im Fachjournal in "Nature Communications".

Pilze erwecken Bakterien zu neuem Leben

Den Beweis erbrachten die Forscher, indem sie Pilze auf künstlichem Nährboden statt in der Natur wachsen ließen. Der künstliche Nährboden bestand aus einem Substrat mit Wasser, Traubenzucker und stickstoffhaltigen Nährstoffen. Allerdings gab es auch trockene, nährstofflose Substrat-Zonen. Die Hyphen mussten auch durch diese Bereiche wachsen, damit der Pilz ein neues, nährstoffreiches Areal erschließen konnte. In den trockenen Arealen befanden sich Überdauerungsstadien von Bodenbakterien, sogenannte Sporen. Diese werden bei Wasser- und Nährstoffmangel von manchen Bakterienarten gebildet. Sie eine Art „Tiefschlaf-Stadium“, bei dem ihr Stoffwechsel zum Erliegen kommt. Während dieser Phase können sich sich auch nicht vermehren. Sobald die Umgebung ausreichend feucht ist, entstehen aus den Sporen wieder frische Bakterienzellen, die Nährstoffe benötigen und sich durch Zellteilung reproduzieren. „Als die Pilzhyphen durch die trockene Zone hindurch wuchsen, keimten die Sporen der Bakterien aus“, beobachtete UFZ-Umweltmikrobiologie Lukas Wick. Damit setzte auch die mikrobielle Aktivität ein. Offenbar hatten die Pilze die Umweltbedingungen so verbessert, dass die Bakteriensporen zu neuem Leben erwachten. Dieser Beobachtung ist das Forscher-Team nachgegangen.

Pilzhyphen sind Miko-Pipelines für Wasser, Zucker und Nährstoffe

Um herauszufinden, was in wenigen Mikrometern um die Hyphen und Bakteriensporen abläuft, markierten die Forscher Wasser, Zucker und Nährstoffe im Substrat mit sogenannten „schweren Isotopen“. Mit einem speziellen physikalischen Messverfahren, der Massenspektrometrie, konnten später die schweren Isotope sichtbar gemacht werden. „Und tatsächlich konnten wir in den Bakterien die stabilen Isotope des markierten Wassers, der Glucose und den stickstoffhaltigen Nährstoffen nachweisen, die nur die Pilze liefern konnten“, erklärt der UFZ-Umweltbiotechnologe Matthias Kästner.

Relevanz für das Ökosystem Boden

Das Experiment liefert zwei Informationen: Zum einen wirken Pilzhyphen wie kleine Pumpstationen und Pipelines für Wasser, Substrate und Nährstoffe. Zum anderen sorgen sie dafür, dass die bakterielle Aktivität angekurbelt wird. „Die Ergebnisse zeigen, dass Pilze durch ihre Interaktion mit Bakterien eine bedeutende und bislang unterschätzte Rolle im Ökosystem Boden spielen“, so Wick. In Böden enthaltene Schadstoffe können teilweise durch Bakterien abgebaut werden. Ist der Boden zur trocken, kommen die bakteriellen Abbauprozesse zum Erliegen. Kästner: „Ist die Trockenperiode zeitlich begrenzt, wirken Pilze stabilisierend und können die Bodenprozesse am Laufen halten.“ Dies könne insbesondere im Hinblick auf die Veränderungen durch den Klimawandel von Bedeutung sein. Es sei zu erwarten, dass das Verhältnis von trockenen zu feuchten Bodenbereichen zunehmen wird. Zukünftige Experimente unter verschiedenen Umweltbedingungen sollen Erkenntnisse liefern, welchen Einfluss das Pilzwachstum tatsächlich auf den Schadstoffabbau hat.

bp

Der brasilianische Regenwald mit seinem berühmten Amazonasbecken ist der Lebensraum unzähliger Tiere- und Pflanzen und als grüne Lunge der Erde für das Klima entscheidend. Doch Rodungen und die Erschließung neuer Rohstoffquellen bedrohen zunehmend die biologische Vielfalt. Wie sich der Einfluss des Menschen auf die Biodiversität in den tropischen Wäldern Brasiliens auswirkt, erforscht seit Jahren Marcello Tabarelli. Der Biologe von der brasilianischen Universidade Federal de Pernambuco wird für seine wegweisende Arbeit mit dem Humboldt-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet.

Einflüsse auf Vielfalt der Tropenwälder

Im deutsch-brasilianischen Forschungsprojekt „Anthropogenic disturbances and the regeneration of the semiarid Caatinga - Brazil's threatened Dry Forest Biome“ arbeitet Tabarelli seit Jahren mit Burkhard Büdel und Rainer Wirth von der TU Kaiserslautern zusammen und untersucht, wie beispielsweise Landwirtschaft und Klimawandel die Caatinga, ein Trockenwald-Gebiet im Nordosten Brasiliens, maßgeblich verändert hat.

Preis für nachhaltige Spitzenleistung

Im Rahmen des Preises wird der brasilianische Biodiversitätsexperte von Juni bis September zu Gast an der TU Kaiserslautern sein und dort gemeinsam mit den beiden deutschen Kollegen die begonnene Forschungsarbeit fortführen.

Mit dem Humboldt-Forschungspreis würdigt die Alexander von Humboldt-Stiftung alljährlich die Arbeit ausländischer Wissenschaftler „deren grundlegende Entdeckungen, Erkenntnisse oder neue Theorien das eigene Fachgebiet nachhaltig geprägt haben und von denen auch in der Zukunft weitere Spitzenleistungen erwartet werden können.“ Der Humboldt-Forschungspreis wird Ende Juni von Bundespräsident Frank Walter Steinmeier in Berlin übergeben.

bb

Agriculture, food production, and many more result in a substantial amount of bio-based waste material. However, although they provide high energetic potential, they are thus far hardly used to generate energy. This is due to their high moisture content and inhomogeneous composition. Researchers from the Technical University of Munich together with SunCoal Industries have now developed a new technique to produce biocoal from these waste materials. Subsequently they turn the biocoal into syngas, which then fuels a “combined-heat-and-power” engine (CHP) that generates electricity and heat.

Biological residues turned into CO₂-neutral energy

Biowaste is conventionally used to generate energy by direct combustion or fermentation in combination with a gas engine. However, organic waste such as agricultural waste or waste from food production is only usable to a limited extent. The materials are fibrous, with a very heterogeneous composition and a high moisture component. By means of a new process technique the energy potential in biogenic waste material can now be turned into biocoal that produces synthetic gas (syngas) and ultimately generates CO₂-neutral energy.

Biocoal with 70% higher energetic value than raw material

SunCoal is using the hydrothermal carbonization process (HTC) to produce the high quality biocoal that is comparable to brown coal. The HTC works with pressure and heat in order to replicate the natural carbonisation process of biomass. The biocoal has a energetic value that is 70% higher than that of the starting materials. It is ground for the subsequent gasification process. An entrained-flow gasifier developed by the TU Munich then converts the biocoal dust into a high-energy syngas that can be used to drive the gas engine of a CHP. The HTC plant and the entrained-flow gasifier have successfully completed testing on a pilot scale. SunCoal is currently working on improving the process economically. That includes the future utilisation of waste heat from the processes and automating the process to a greater extent. 

jmr

Kartoffeln anbauen und ernten, Heu wenden, Tiere füttern und wenn notwendig schlachten: Für Frank Ellmer war das Leben auf dem elterlichen Bauernhof im thüringischen Spechtsbrunn nicht immer eine Idylle. Der Spross einer traditionsreichen Landwirtsfamilie musste oftmals ordentlich anpacken. Abgeschreckt hat es ihn nicht. Schon damals stand für ihn schnell fest, in welche Richtung es gehen sollte. „Den Tieren hinterher zu rennen, hat mir keinen Spaß gemacht. Ich wollte immer was mit Pflanzen machen", erinnert sich Ellmer, heute promovierter Agrarwissenschaftler.

Ausgerechnet die steinreichen Böden im Thüringer Wald, die er als Kind und Jugendlicher bestellen musste, sollten Anstoß für seine spätere berufliche Karriere als Ackerbau-Experte sein. Nach vier Jahren Studium der Agrarwissenschaften Mitte der 70er Jahre in Halle und Berlin kehrte Ellmer mit dem Diplom in der Tasche zunächst – mit „wehenden Fahnen“ wie er sagt – in die landwirtschaftliche Praxis zurück. „Das hatte auch mit den politischen Umständen der Zeit zu tun. Vor allem in Berlin wehte ein heißer Wind“, erinnert sich Ellmer.

Wie lässt sich Boden sinnvoll nutzen?

Doch ein Jahr später ging Ellmer bereits wieder an die Humboldt Universität zurück, um im Fach Ackerbau zu promovieren. „Die Schnittstelle von Boden und Pflanzen hat mich immer interessiert. In meiner Promotion habe ich mich dann auch mit dem Thema Bodennutzungssysteme beschäftigt. Es ging darum, Systeme zu entwickeln, um Böden in ihrer unendlichen Vielfalt sinnvoll nutzen zu können.“ Diesem Thema ist der gebürtige Thüringer bis heute treu geblieben. Seit 1992 lehrt und forscht der heute 64-Jährige an der Berliner Humboldt Universität auf diesem Gebiet.

Herausforderung Klimawandel und Welternährung

Als Wissenschaftler und heutiger Leiter des Fachbereichs Acker- und Pflanzenbau ist sein Blick stets nach vorn gerichtet. Denn Klimawandel und Bevölkerungswachstum geben dem Thema Bodennutzung eine neue Brisanz und stellen Landwirte und Forscher gleichermaßen vor große Herausforderungen. Ellmer zufolge macht die geografische Lage Deutschland zwar noch immer im Vergleich zu anderen europäischen Ländern zu einer "Hochertragsregion", die auch zukünftig ausreichend Nahrungs-und Futtermittel produzieren wird. Doch auch hier sind die Auswirkungen des Klimawandels bereits zu spüren: Im Land Brandenburg beispielsweise nimmt die Wasserverfügbarkeit auf Grund der tendenziell steigenden Temperaturen ab. "Deshalb brauchen wir Pflanzen, die zukünftig in der Lage sind, mit weniger Wasser wenigstens das Gleiche zu erreichen", betont der Wissenschaftler.

So hat Ellmer in einem Forschungsprojekt herausgefunden, dass klimaangepasste Hybridsorten eindeutig leitungsstärker sind. "Im Vergleich zu herkömmlichen Populationssorten haben sie eine höhere Ertragsstabilität, weil sie unter anderem ein kräftigeres Wurzelsystem entwickeln."

Alternativen zum externen Einsatz von Stickstoffdünger 

Aber nicht nur die Ertragssicherung muss zukünftig garantiert sein. Ellmer geht es um eine nachhaltige Bewirtschaftung der Böden und hier insbesondere um einen möglichst minimalen Einsatz von Stickstoff als Dünger in der Landwirtschaft. "Um mehr Stickstoff im System selbst zu generieren, brauchen wir eine Biologisierung des Ackerbaus“, ist sich Ellmer sicher. Eine Lösung hat er bereits zur Hand: der Anbau von Leguminosen, also eiweißhaltigen Hülsenfrüchten wie Lupinen oder Erbsen, die nachweislich die Humusbildung befördern und über ihre Knöllchenbakterien an den Wurzeln Stickstoff aus der Luft binden. Ellmer: „Leguminosen können mittels Symbiose den Stickstoff über die Wurzel in den Boden bringen und sind somit unabhängig von externem Dünger." Aus Sicht des Bodenexperten ließe sich damit auf umwelt- und klimafreundliche Weise der Ackerboden verbessern.

Gärprodukte aus Biogasanlagen als Bodenoptimierer

Ein anderer vielversprechender Weg, die Vielfalt des Bodens sinnvoll zu nutzen:  Gärprodukte aus Biogasanlagen, die bei der Fermentierung von Gülle oder Mais übrigbleiben. "Hier entsteht am Ende ein Gärprodukt, das Stickstoff, Phosphat und Kalium enthält“, erläutert Ellmer. „Es ist außerdem kohlenstoffreich und damit eine exzellente Ausgangsquelle für die Humusreproduktion. So können die Nährstoffe direkt im Kreislauf des landwirtschaftlichen Systems gehalten werden."

Die Leidenschaft für Bodenfruchtbarkeit und der Kampf um den Erhalt von Anbauflächen lebt der Wissenschaftler nicht nur an der Universität aus. Auch ehrenamtlich engagiert sich Ellmer seit Jahren in zahlreichen Vereinen und Organisationen wie der Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften und steht Projekten wie "Friedensbrot" beratend zur Seite. Denn Ellmer ist überzeugt: „Boden ist Leben. Und die Nahrungsmittelerzeugung wird auf weite Sicht auf Böden stattfinden.“ Um den Ackerbau voranzubringen muss man Ellmer zufolge jedoch  "Böden verstehen". Dieses Verständnis seinen Studenten zu vermitteln, ist dem praxiserfahrenen Forscher daher von jeher wichtig.

Zweite Leidenschaft Musik

Viel Zeit für seine zweite Leidenschaft, die Musik, blieb Frank Ellmer in den vergangenen Jahrzehnten nicht. Klavier, Gitarre und Kontrabass könnten aber schon bald wieder den Ton angeben. Nach 45 Jahren Forschung und Lehre steht der 64-Jährige kurz vor der Pensionierung. Als einer der Köpfe des Albrecht Thaer-Fördervereins wird er aber auch weiter für die Zukunft des Ackerbaus streiten und sein Wissen weitergeben. Beim Blick zurück sind es aber vor allem die Erfolge seiner Zöglinge, die den Agrarwissenschaftler stolz machen. „Wenn ich mir anschaue, was aus meinen Studenten und Doktoranten geworden ist, ist das durch die Bank positiv. Und das zählt am Ende.“

Interview: Beatrix Boldt

Viele Pilze sind dafür bekannt, dass sie in Symbiose mit Pflanzen leben und dabei vor allem das Wurzelwachstum ankurbeln. Gleichzeitig sind sie jedoch auch zahlreichen Fressfeinden ausgesetzt, die sich von ihnen ernähren wollen. Forschern der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben nun herausgefunden, wie sich der Pilz namens BY1 zur Wehr setzt. Wie das Team um Dirk Hoffmeister im Fachjournal „Angewandte Chemie“ berichtet, verteidigt sich der Pilz mit einem in der Natur extrem selten auftretenden Klasse von Abwehrstoffen.

Gelber Farbstoff vertreibt Fressfeinde

Gemeinsam mit Kollegen vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut – und der Technischen Universität Dortmund konnte der Jenaer Forscher beweisen, dass der Schimmelpilz einen gelben Farbstoffe produziert, sobald Insektenlarven beginnen, an ihm zu fressen. Bei dem an den verletzten Stellen produzierten Abwehrstoffen handelt es sich um zwei sogenannte Polyen-Carbonsäuren, welche die angreifenden Larven abwehren.

Weitverbreitetes Abwehrprinzip

„Die Gene für diese Art Farbstoffe sind weit verbreitet bei den Pilzen. Wir nehmen daher an, dass es sich bei dieser Verteidigungsstrategie um ein viel allgemeineres und weit verbreitetes Abwehrprinzip handelt“, erklärt Dirk Hoffmeister. Das ungewöhnliche an Polyen-Carbonsäuren ist die Struktur der Substanzen, die der Studie zufolge „auf einem eher untypischen Molekülgerüst aufbaut“. Ungewöhnlich auch die Synthese dieser Polyene: dafür ist nur ein einziges Enzym verantwortlich, das zur Gruppe der Polyketidsynthasen gehört. Diese Polyketidsynthase verschiebt zahlreiche Kohlenstoff-Doppelbindungen innerhalb des Moleküls und verändert so die Abwehrstoffe auf eine bisher ungewöhnliche und unbekannte Weise. „Unsere Studien tragen entsprechend dazu bei, Pilze in ihrer Umwelt und im Austausch mit anderen Organismen besser zu verstehen“, erklärt Dirk Hoffmeister.

Interaktion mit der Umwelt

Der Pilz BY1 wurde in der Natur bisher nur ein einziges Mal gefunden. Da BY1 an seinem natürlichen Standort das Wachstum anderer Pilze hemmt, forschten die Wissenschaftler zunächst nach sogenannten antifungalen Verbindungen. Solche Substanzen kämen auch als Wirkstoffe gegen Pilzinfektionen infrage. Erst im Laufe der Studie offenbarte sich BY1 als Produzent des Abwehrstoffs gegen Fressfeinde. Für die Forscher um Hoffmeister ist der Verteidigungsmechanismus vom Pilz exemplarisch für das Zusammenspiel chemischer Verbindungen mit der Umwelt.

bb

Ob Lachs, Forelle oder Muscheln: Fisch und Meerestiere zählen auch in Deutschland zu den wichtigsten Nahrungsmitteln und werden immer beliebter. Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes lag der Pro-Kopf-Verbrauch 2015 bei rund 14 Kilogramm. Experten der Welternährungsorganisation (FAO) rechnen bis 2025 mit einem weltweiten Anstieg des individuellen Fischkonsums auf durchschnittlich 21,8 Kilogramm. Bereits heute kann die wachsende Nachfrage nur durch Aufzucht bedient werden. Jeder zweite Speisefisch kommt schon jetzt aus der Aquakultur.

Das Problem: Aquakultur-Fische wie Lachs oder Forelle ernähren sich vorwiegend von tierischem Eiweiß, das meist in Form von Fischmehl aus sogenannten Beutefischen wie Sardellen hergestellt wird, was zur Überfischung der Meere beiträgt. Forscher Christian-Albrechts-Universität Kiel, der Gesellschaft für Marine Aquakultur (GMA) mbH und der Dalhousie Universität in Halifax, Kanada haben nun untersucht, wie sich eine vegetarische Kost auf das Mikrobiom der ansonsten fischfressenden Speisefische auswirkt.

Mikrobiom passt sich an

Im Fokus des sechsmonatigen Fütterungsversuches standen junge Regenbogenforellen, die sich wie Lachs oder Karpfen zur Aufzucht besonders gut eignen. Wie die Forscher im Fachjournal „PLOS One“ berichten, konnten sie dabei nicht nur die Zusammensetzung des Mikrobioms bei tierischer und pflanzlicher Eiweißkost näher entschlüsseln. Zugleich wiesen sie nach, dass sich die Bakterienzusammensetzung im Verdauungstrakt der Forellen an das jeweilige Futtermittel – vegetarisch oder konventionell - anpassen kann. „Bei der Fütterung mit modernem pflanzlichem Futter ähnelte die Zusammensetzung der Bakterien im Verdauungsprozess besonders den Fischarten, die sich auch sonst vegetarisch ernähren. Die Ergebnisse waren umso erstaunlicher, als dass sich das Mikrobiom der Forelle wieder änderte als wir nach drei Monaten das Futter auf Fisch umstellten“, so erklärt Stéphanie Céline Michl, Biologin an der Gesellschaft für Marine Aquakultur (GMA) mbH in Büsum.

Mehr verdauungsfördernde Bakterien bei vegetarischem Futter

In ihrem sechsmonatigen Fütterungsversuch stellten die Forscher fest, dass sich im Verdauungstrakt vor allem solche Bakterien etablieren, die bei anderen Fischarten mit einer besonderen Nahrungsstrategie verbunden werden. So stieg der Anteil bestimmter Milchsäurebakterien stark an, wenn junge Forellen mit einem vegetarischen Futter gefüttert wurden. Einige Milchsäurebakterien sorgen bei Fischarten, die pflanzliches Futter bevorzugen, für eine Fermentation langkettiger Kohlenhydrate oder Pflanzenfasern, die der Fisch ansonsten nicht besonders gut verdauen kann.

Fischbestände schonen

„Wenn wir es schaffen würden, die Aufzucht von fischfressenden Fischarten in der Aquakultur mit rein pflanzlichem Futter sicherzustellen, könnte die Aquakultur zur weiteren Entlastung wildlebender Fischbestände beitragen und einen besonders nachhaltigen Beitrag zur Schonung der Ressourcen im Ozean leisten,“ sagt die Büsumer Aquakulturforscherin Stéphanie Michl. Die Studie zeigt nicht nur den Einfluss pflanzlicher und tierischer Eiweiße im Fischfutter auf das Mikrobiom, sondern auch, dass sich die verschiedenen Komponenten modellieren lassen. Auf welche Art und Weise sich diese Stoffwechselprodukte verändern lassen, sollen nachfolgende Studien klären.

bb

Der Ruf nach einem nachhaltigen Wassermanagment wird auch in Deutschland immer lauter. Nicht nur in Afrika zehrt langanhaltende Dürre an den Trinkwasserreserven. Auch hierzulande sprudeln die Trinkwasserquellen nicht mehr so stark, wenn der Regen ausbleibt. Abwässer gewinnen so immer mehr an Bedeutung. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt im Rahmen des Förderprogramms „Forschung für nachhaltige Entwicklungen“ (FONA) die Entwicklung neue Technologien, um kommerzielle und industrielle Abwässer wieder nutzbar zu machen. 40 Prozent des Abwassers sind dabei Konzentrate wie Salze, organische Verbindungen oder Schwermetalle. Diese werden hierzulande jedoch fast ausschließlich in Kläranlagen geleitet.

Industrieabwässer wiederverwenden

Im Verbundvorhaben HighCon wollen Forscher gemeinsam mit Industriepartnern nun nach Wegen suchen, diese Konzentrate besser zu verwerten und so als Rohstoffquelle nutzen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes sollen neue Prozesse entwickelt werden, um kommunale und industrielle Abwässer wiederzuverwerten. Hier gibt es jedoch keine Lösung für alle. Die Wasserwiederverwendung muss auf die jeweilige Branche angepasst werden. Daher wollen die HighCon-Forscher branchenspezifische Lösungen für die im Projekt beteiligten Unternehmen aus Chemie, Biotechnologie und Lebensmittelproduktion entwickeln.

Branchenspezifische Lösungen

Basierend auf deren Anforderungen sollen bestehende Technologien wie die Membrandestillation, selektive Niedertemperatur-Destillation-Kristallisation und die monoselektive Elektrodialyse weiterentwickelt und an die speziellen Anwendungen der Industriepartner, einer Kaffeerösterei, einem Bioethanolproduzenten und einer Berufskleidungswäscherei, angepasst werden. Anliegen ist es, problematische Stoffe so aus dem Wasserkreislauf fernzuhalten und wertvolle Substanzen zurückzugewinnen. Dazu zählen unter anderem Soda, Schwefelsäure oder Trockensalze wie Tausalz oder andere Salzarten.

Prozess der Wasserwiederverwendung optimieren

Erstmalig soll auch der Wasserwiederverwendungsprozess ganzheitlich optimiert werden. Dafür soll ein Simulationswerkzeug entwickelt werden, dass die komplexen Zusammenhänge von den Rohwasserströmen bis hin zur Konzentratverwertung abbildet. Nach entsprechenden Labortests mit synthetischen und realen Abwässern werden die Technologien am Ende bei den Industriepartnern den Praxistest durchlaufen.

Das Verbundprojekt HighCon wird von der Technischen Universität Berlin koordiniert. Neben Partnern aus der Wirtschaft sind die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE und die DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie beteiligt.

bb

Die Wiederbelebung ausgestorbener Arten ist schon seit Langem ein Traum vieler Forscher, und auch Hollywood hat mit Jurassic Park schon Dinosaurier auferstehen lassen. So märchenhaft und hollywoodreif die Idee auch erscheinen mag – wissenschaftlich gesehen gab es in den letzten Jahren so große Fortschritte im Bereich der Molekularbiologie und Stammzellforschung, dass das Prozedere der genetischen Wiederherstellung ausgestorbener Arten durchaus in greifbare Nähe gerückt ist. Allerdings denken die Wissenschaftler hierbei eher an ausgestorbene Arten wie Mammut, Wandertaube oder Auerochse. Und auch für viele Arten, die zwar noch nicht ausgestorben aber stark bedroht sind, könnte diese „De-Extinction“ genannte Technik das Überleben sichern. Doch wie sollen die wiederauferstandenen Arten bezeichnet werden? Umweltjuristen und Biogeografen der Universität Trier haben diese Frage und mögliche juristische Konsequenzen in einem Artikel für das Fachjournal „Science“ diskutiert.

Trotz neuester Gentechnik nur ungenaue Kopien

Der Mensch ist der Hauptgrund für das Aussterben vieler Tierarten im Laufe der letzen Jahrtausenden. Inzwischen ist die Wissenschaft soweit, dass sie einige dieser Arten wiederbeleben könnte. Allerdings können nur Arten wiederbelebt werden, die in den letzten etwa 20.000 Jahren verschwunden sind, da sich die DNA von älteren Arten nicht ausreichend wiederherstellen lässt. Eine Wiederbelebung der vor etwa 65 Millionen Jahren ausgestorbenen Dinosaurier à la Jurassic Park bleibt also pure Fiktion. Ein wesentlich reelleres Problem für die Wissenschaftler hingegen ist die Frage: Wie sollen die wiederbelebten Organismen benannt werden? Selbst mit den neuesten genetischen Methoden werden sie maximal eine ungenaue Kopie der Originale sein. Denn zum einen wird in den meisten Fällen zusätzliche genetische Informationen einer Wirtsart verwendet werden müssen, zum anderen sind bestimmte Merkmale wie etwa erlerntes Verhalten nicht in den Genen enthalten.

Namenszusatz „recr“ für künstliche Organismen

Tierarten sind in unterschiedliche Listen klassifiziert, von „nicht-bedroht“ über „geschützt“ bis „ausgestorben“. Wenn eine wiederbelebte Art denselben Namen trägt wie die ursprüngliche Art, wäre es also nicht nur biologisch ungenau, sondern auch rechtlich verwirrend. Daher, so argumentieren die Wissenschaftler von der Universität Trier, sollten wiederbelebte Arten mit einem eigenen Namen versehen werden. Dieser sollte die Arten durch den Zusatz „recr“ für „recrearis“ klar als künstliches Produkt kennzeichnen. Diese Kennzeichnung würde juristische Unsicherheiten beseitigen und auch den praktischen Umgang mit solchen Organismen erleichtern.

Die Wissenschaftler weisen zudem darauf hin, dass aufgrund der gentechnischen Entstehung solcher Arten eine Ansiedlung in Europa dem Gentechnikrecht unterliegen würde. Das wäre zwar unabhängig von der Benennung der Arten, unterliege jedoch deutlich strengeren Auflagen und bedürfe ebenfalls juristischer Klärung.

jmr

Resurrecting formerly extinct animal species has been a utopian dream for many researchers, and even Hollywood used this idea to resurrect dinosaurs in Jurassic Park. As implausible and surreal it may seem – scientifically speaking we’re not that far off from being able to bring back extinct species. The recent huge breakthroughs in the area of genetic engineering and stem cell biology have turned this utopia into a not-so-distant reality. However, researchers are not planning to resurrect dinosaurs anytime soon, rather, they are considering to bring back the mammoth, the aurochs, or the wild pigeon. Moreover, for many species that are not yet extinct, but severely endangered, this technique dubbed “de-extinction” could secure their survival. But what should the newly resuscitated species be called? Environmental lawyers and biogeographic scientists at the university in Trier have discussed this question and possible legal repercussions in an article for the journal “Science“.

Vague copies of the originals

Humans have caused mass extinctions over the course of the last several millennia. By now scientific progress has made it possible to resurrect some of these species. Nevertheless, only organisms that have vanished within the last 20.000 years or so could be revived – the DNA of species that died out before that would be too degraded by now to be used to resurrect the organism. Thus, reviving dinosaurs, which went extinct roughly 65 million years ago, à la Jurassic Park remains pure science fiction. A far more pressing issue however is, how the newly revived organisms should be named. Even using the most advanced genetic and molecular methods to bring these species back – at best – they would be a rough copy of the original. This is due to two major limitations: in most cases in order to resurrect a species, genetic information of a host species will have to be used as well. Moreover, certain distinct features such as learned behaviour are not present in the genes.

Special name tag for new organisms

Plant and animal species are categorized on several lists from “not-endangered” to “endangered” or “extinct”. In case a species can be revived and would carry the same name as the original, it would not only be biologically misleading but might also be within a legal grey area. The researchers at Trier university argue as follows: resurrected species should carry their own name. It should be marked by the affix “recr” for “recrearis” in order to clearly classify them as artificially reintroduced. This label would identify them clearly in a biological as well as legal context and thus greatly simplify their handling.

The scientists furthermore point out that due to their origin in genetic engineering, settling these species in Europe would also fall under the genetic engineering laws. Although this issue is very much independent of the question regarding nomenclature, it nonetheless also requires legal clarification.

jmr

Pflanzen, die wachsen wo und wie man will und bei Licht-, Nährstoff- oder Wassermangel auf sich aufmerksam machen: Solch intelligente Pflanzen sind zwar noch Zukunftsmusik. Doch die Vision ist keinesfalls unrealistisch. Im Gegenteil: Im EU-Projekt „Flora Robotics“ arbeiten polnische, dänische und österreichische Forscher unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Paderborn seit 2015 an Robotern, die den Traum der Pflanzenarchitektur von Morgen Wirklichkeit werden lassen.  

Roboterschwärme lassen Pflanzen wachsen

"Diese intelligenten Pflanzen sollen künftig - von Roboterschwärmen angeleitet - unsere Städte architektonisch beleben: Von der kontrolliert begrünten Wand bis hin zu ganzen Häusern aus lebender Biomasse", erläutert Heiko Hamann vom Heinz Nixdorf Institut und Institut für Informatik der Universität Paderborn das Projekt. Das Projekt, an dem Informatiker, Robotiker, Zoologen, Zellbiologen, Mechatroniker und Architekten beteiligt sind, wird durch den Forschungsrahmen der Europäischen Union „Horizon 2020“ mit rund 3,6 Mio. Euro gefördert.

Damit die Kommunikation zwischen Menschen, Pflanzen und Maschine auf hohem Niveau möglich wird, entwickeln die Forscher "biohybride Gesellschaften" aus Roboterschwärmen und Pflanzen. Neben Hochintensitäts-LEDs und Vibrationsmotoren, welche das Pflanzenwachstum kontrollieren, nutzen die Forscher blaues Licht als Lockmittel, um die Wachstumsspitze der Pflanzen in die gewünschte Richtung zu lenken. Im Gegenzug nutzen sie Licht im sogenannten "far-red"-Bereich oder Vibrationstöne, um Pflanzen abzuschrecken oder im Zaun zu halten.

Enzyme sind hochspezialisierte Eiweißstoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen. Dabei verfügen sie über eine besondere Eigenschaft: Sie funktionieren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Nur wenn ein Molekül exakt zu dem Enzym passt, erfolgt die chemische Reaktion. Dies haben sich Forschende von der Universität Rostock und der Greifswalder Firma Enzymicals AG zunutze gemacht, um einen neuen Syntheseweg zu entwickeln.

Enzyme als Biokatalysatoren

Bei komplexeren chemischen Verbindungen gibt es die Möglichkeit, dass die gleichen chemischen Bausteine in verschiedenen Winkeln miteinander verbunden werden. Es entstehen sogenannte Enantiomere, die spiegelsymmetrisch sind – ähnlich einer rechten und linken Hand. Will man auf chemischem Weg nur eine Form des Enantiomers erhalten - sogenannte „optisch reine Produkte“ - so ist die Synthese extrem aufwendig. Hier helfen Enzyme als Biokatalysatoren mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip weiter. Enzyme unterscheiden zwischen den Enantiomeren und steuern deshalb nur die Produktion einer von mehreren Varianten.

Die Tier- und Pflanzenwelt hat sich in den letzten vier Jahrzehnten weltweit stark verändert. Klimawandel oder internationaler Schiffsverkehr sorgen dafür, dass verschiedenste Arten von Flora und Fauna auswandern. Das Ausmaß der Bioinvasion zeigte erst kürzlich eine internationale Studie, an der Forscher der Universität Konstanz beteiligt waren. Ihre Analyse ergab, dass jährlich 585 gebietsfremde Arten registriert werden. Ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung Konstanzer Wissenschaftler zeigt nun erstmals auf, in welchen Gegenden der Erde besonders viele eingebürgerte Arten zu finden sind. Die Liste der Hotspots der sogenannten Neobiota ist im Fachjournal „Nature Ecology and Evolution“ erschienen.

Globale Verteilung erstmals aufgelistet

Bei ihrer Analyse konzentrierten sich die Forscher auf acht Tier- und Pflanzengruppen und hielten in einer Datenbank fest, wo sich diese Arten außerhalb ihres Heimatgebiets angesiedelt haben. Danach wurde die Verbreitung nicht heimischer Säugetiere, Vögel, Amphibien, Reptilien, Fische aber auch Spinnen, Ameisen und Gefäßpflanzen auf 186 Inseln und 423 Regionen erfasst. Die Liste, ist die erste ihrer Art, die eine solche globale Verteilung von Neobiota der wichtigsten Organismengruppen überhaupt darstellt.

Neobiota bei Inseln und Küstenregionen besonders stark

Die Auswertung ergab: Inseln und Küstenregionen weisen die höchsten Zahlen eingebürgerter Neobiota auf. Platz eins der Hotspots belegt Hawai, gefolgt von Neuseeland und den kleinen Sunda-Inseln in Indonesien. Hawaii und Neuseeland waren der Studie zufolge bei allen untersuchten Artengruppen im Spitzenfeld. „Beide Regionen sind abgelegene und ursprünglich sehr isolierte Inseln, in denen manche Organismengruppen von Natur aus fehlten – wie etwa Säugetiere. Heute liegen beide Regionen in ökonomisch hochentwickelten Ländern mit intensiven Handelsbeziehungen und dementsprechend massiven Folgen für die Einschleppung und Einbürgerung von Neobiota“, erklärt der Wiener Ökologe Franz Essl.

Im Rahmen der Studie untersuchten die Forscher auch, welche Faktoren für Einbürgerung der Arten entscheidend waren. In dicht besiedelten Regionen sowie Gebieten mit hoher ökonomischer Entwicklung war danach die Anzahl eingebürgerter Neobiota besonders hoch. „Der Grund dafür ist, dass diese Faktoren die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass der Mensch viele neue Arten in ein Gebiet ‚einschleppt‘. Die dadurch mitverursachte Zerstörung von Lebensräumen begünstigt die Ausbreitung von Neobiota. Inseln und Küstenregionen scheinen daher besonders anfällig zu sein, da sie im globalen Fernhandel eine dominierende Rolle einnehmen“, so Dietmar Moser von der Universität Wien.

Neue Gesetze zum Schutz der Artenvielfalt nötig

Ökologen warnen seit langen vor den Folgen der Bioinvasion, die auf Inseln jedoch besonders problematisch ist. Die Verdrängung einheimischer Pflanzen- und Tierarten scheint da nur ein Problem zu sein. „Viele der fremden Pflanzen und Tiere, die in unseren Häusern und Gärten gehalten werden und sich bisher noch nicht wild lebend etabliert haben, könnten dies in Zukunft tun. Dies gilt insbesondere in Anbetracht des zunehmenden Klimawandels“, so der Konstanzer Ökologe Mark van Kleunen. Mit ihrer Studie wollen die Forscher auch deutlich machen, dass bisherige Anstrengungen zum Schutz der Biodiversität nicht „effektiv genug waren“. „Es ist daher dringend erforderlich, effektivere gesetzliche Maßnahmen zu implementieren, besonders für Inseln“, betont Essl. Die Forscher sehen hier Neuseeland als Vorbild. Hier wurden bereits vor Jahrzehnten entsprechende Regelungen erlassen, um die Einschleppung fremder Arten zu stoppen.

bb

The rainforest in Brazil with its famous Amazon basin is home to countless animals and plants that function as earth’s green lungs and play an important part for the global climate. However, deforestation and developing new and more sources for raw material severely endangers the biodiversity of that area. Marcello Tabarelli has been investigating for years, exactly how mankind affects the biodiversity within the rainforest. For his pioneering work the biologist at the Brazilian Universidade Federal de Pernambuco now received the Humboldt Research Award by the Alexander von Humboldt Foundation.

Endangered diversity within rainforests

Tabarelli has been working with Burkhard Büdel and Rainer Wirth at the Technical University Kaiserslautern for years. The German-Brazilian research project „Anthropogenic disturbances and the regeneration of the semiarid Caatinga - Brazil's threatened Dry Forest Biome“ is examining, to what extent agriculture and climate change affect and already have affcted the dry forests in the north-east of Brazil – the Caatinga.

Awarding sustainable excellence

From June to September the Brazilian biodiversity expert will visit the TU Kaiserslautern as part of the award in order to continue the research project together with his German colleagues.

The Alexander von Humboldt foundation is granting their annual research awards to “academics whose fundamental discoveries, new theories, or insights have had a significant impact on their own discipline and who are expected to continue producing cutting-edge achievements in the future”. German President Frank Walter Steinmeier will award the Humboldt Research Award in Berlin at the end of June.

bb/jmr

Environmentally-conscious customers demand drinking containers that are reusable as well as made of sustainable materials. Evonik and the Taiwanese company Sungo have combined their expertise to manufacture a handy but sturdy drinking bottle made of high-quality sustainable material: the Ludavi bottle. The bottle is made of the transparent microcrystalline polyamide Trogamid Terra biopolymer by Evonik Industries. The biopolymer consists of more than 50 percent renewable raw materials, such as palm kernel and coconut oil.

A lightweight and indestructible biopolymer

The biopolymer Trogamid Terra by Evonik is lightweight and abrasion-proof, as well as resistant to heat and chemicals. That makes Ludavi equally suitable to hold either hot tea or carbonated sodas, and helps the product withstand the mechanical stress a drinking bottle typically encounters in its life cycle. Evonik and Sungo praise the innovative material of their product as well as the high-class appearance that makes it suitable for exercise and business environments alike. “It is no longer sufficient to offer functional design products”, says Ken Lu, General Manager at Sungo. He emphasizes the need for a two-sided benefit of new products: it should benefit the customer as well as planet earth.

One bottle for different countries and customs

Moreover, Evonik also considered the different requirements for the bottle performance in different countries and cultures. In Asia for example, many people drink hot beverages, so the material has been tested to be just as good in boiling-hot conditions, and chemically stable for all kinds of beverages. German specialty chemical company Evonik has a proven track record of generating mechanically stable plastics that are resistant to heat and chemicals as well as being environmentally friendly. “The combined properties of appearance and environmental aspects set our materials apart,” says Alexander Richter, head of the Consumer Goods market segment at Evonik. With this environmentally friendly as well as practical approach, Sungo and Evonik have created optimal conditions to establish Ludavi as a popular product in international sports departments and set a sustainable example for future manufacturers of every-day accessories.

jmr

Laut Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft (BDBe) ist die Produktion von zertifiziert nachhaltigem Bioethanol für Kraftstoffanwendungen in Deutschland 2016 mit 738.169 Tonnen nahezu konstant hoch geblieben. Der Verbrauch stieg leicht um 0,2 Prozent auf rund 1,2 Mio. Tonnen. Dies zeigen die Marktdaten für 2016, die der BDBe kürzlich veröffentlichte.

738.169 Tonnen Bioethanol wurden 2016 in Deutschland hergestellt. Davon 12.310 Tonnen aus sonstigen Stoffen, wie zum Beispiel Resten und Abfällen aus der Lebensmittelindustrie. Das ist die größte Menge seit dem Jahr 2009 in diesem Segment.

Zusätzlich zu Bioethanol werden aus den übrigen pflanzlichen Inhaltsstoffen wie Proteinen, Ballaststoffen, Mineralien und Vitaminen hochwertige Co-Produkte gewonnen: Eiweißfuttermittel aus Getreide, Kraftfutter aus Industrierüben und sonstige Produkte für die Lebens- und Futtermittelindustrie wie beispielsweise Hefe, Gluten oder biogene Kohlensäure.

Der BDBe geht davon aus, dass sich die hohe CO₂-Minderung von Bioethanol positiv auf den Einsatz als Beimischung auswirken wird. Bioethanol minderte den CO₂-Ausstoß gegenüber dem fossilen Referenzwert im Jahr 2016 um 70%. Mit weiteren Effizienzsteigerungen wird gerechnet.

Pflanzen haben im Laufe der Evolution verschiedene Taktiken entwickelt, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Mit Dornen, scharfkantigen Blättern oder Gift verteidigen sie sich im Stillen gegen die Angreifer. Fast ein Drittel aller Landpflanzen haben sich dafür kleine Drüsenhaare auf der Blatt- oder Stengeloberfläche zugelegt, die wirksame Abwehrstoffe produzieren und so Fraßfeinde wie Insekten vertreiben. Die sogenannten glandulären Trichome sind hocheffiziente pflanzliche Wirkstofffabriken.

Energie- und Stoffwechselflüsse geklärt

Woher die Drüsenhaare für die Synthese der Inhaltsstoffe Energie und Kohlenstoff beziehen war bisher unklar. Forscher am Hallenser Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie haben die Quelle nun aufgespürt. Wie das Team im Fachjournal „Plant Cell“ berichtet, konnte es konkret die Energie- und Stoffwechselflüsse innerhalb der glandulären Trichome von Tomatenpflanzen nachverfolgen. Das Wissen um den trichomalen Stoffwechsel ist eine wichtige Voraussetzung für die Züchtung neuer resistenter Kultursorten, ist aber auch für die biotechnologische Herstellung wichtiger Pflanzenstoffe in Bakterien und Hefen bedeutsam.

Im Rahmen der Studie untersuchten die Hallenser sowohl Wildtomaten als auch deren kultivierten Verwandten. Dafür verglichen sie die Drüsenhaare der Tomate zunächst mit normalen haarlosen Blättern und untersuchten jeweils deren aktivierten Gene, als auch die vorhandenen Proteine, vor allem die dafür benötigten Stoffwechselenzyme sowie die produzierten Substanzen.