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Rizinus für festen Halt

Normalerweise werden Dübel aus besonders belastbaren und beständigen Kunststoffen wie Nylon hergestellt. Das in Baden-Württemberg angesiedelte Unternehmen Fischer setzt stattdessen auf ein Polymer, das zum Teil aus Rizinusöl besteht. Das Öl wird aus den Samen des Wunderbaums gewonnen und steht damit nicht in Konkurrenz zu Nahrungs- und Futtermitteln bzw. den entsprechenden Anbauflächen.

So wird der Dübel grün

Das Ausgangsmaterial für die nachhaltigen Dübel liefert der Chemiekonzern DuPont. Er gewinnt aus dem Rizinusöl den chemische Synthesebaustein Sebacinsäure. Zusammen mit weiteren – konventionell aus Erdöl gewonnenen – Komponenten entsteht der technische Kunststoff Polyamid. Dieses Polymer ist zu 58% biobasiert und wird bei Fischer zu Dübeln verarbeitet.

Marktreife

Die Dübel aus nachwachsenden Rohstoffen sind in der Herstellung zwar etwas teurer, aber ebenso belastungsfähig wie herkömmliche Dübel aus Nylon. Nach Auskunft des Herstellers werden die Biodübel von den Baumarktkunden gut angenommen.

Castor for firm hold

Normally, dowels are made from highly robust and resistant plastics such as nylon. The Baden-Württemberg-based construction company Fischer relies on a polymer that is partly based on castor oil as a raw material. The oil is extracted from the seeds of the castor oil plant Ricinus communis, which belongs to the spurge plant genus.

How the dowel gets biobased

The US chemical company Dupont extracts sebacic acid, a chemical synthetic building block, from castor oil. The synthetic polymer polyamide is produced together with other petroleum-derived building blocks. This new polymer is 58% biobased. Subsequently, Fischer processes the plastic granules into plugs.

Ready for the market

The bio-based dowels may be slightly more expensive; however, they are as robust as traditional nylon plugs. According to the manufacturer, the biobased dowels are well accepted by DIY market customers.

Pflanzen brauchen eine Ruhepause, damit sie sich erfolgreich fortpflanzen können. Eine Art innere Uhr sorgt dafür, dass sie zum richtigen Zeitpunkt wieder aktiv werden. Vor allem bei Nutzpflanzen wie Getreide ist es wichtig, dass das Timing simmt und der Samen nicht schon bei den ersten Sonnenstrahlen im Winter keimt. Zu wissen, wie Pflanzen die sogenannte Samenruhe steuern, ist daher für Pflanzenzüchter besonders wichtig.

Signalwege zur Samenruhe erkundet

Forscher vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und der Universität Münster zeigen in einer Studie, die im Fachjournal „Nature Communications“ erschienen ist, welcher Akteur die Auszeit bei Pflanzen maßgeblich und wie regelt. "Diese Arbeit beantwortet die seit Langem unbeantwortete Frage, wie der DOG1-Signalweg und der Abscisinsäure-vermittelte Signalweg, die beide zur Samenruhe führen, miteinander verbunden sind", unterstreicht Guillaume Née.

Bekannt ist, dass das Protein DOG1 als auch das Pflanzenhormon Abscisinsäure die Samenruhe beeinflussen. So ist die Auszeit um so länger, je mehr die Pflanze von dem Eiweiß bildet. Dagegen gibt es weder eine Samenruhe noch kommt es zur Keimung, wenn das DOG1-Protein fehlt. "Die Samenruhe wird durch eine innere Uhr der Pflanzen und durch Umwelteinflüsse gesteuert. Der Mensch hat diese Steuerung bei vielen Nutzpflanzen durch Züchtungen beeinflusst", erläutert Guillaume Née.

Protein stört Interaktion mit Pflanzenhormonen

Anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand hat das internationale Forscherteam um Guillaume Née nun erstmals die molekulare Funktion des Proteins aufgeklärt. Dabei konnten sie klären, wie das DOG1-Protein mit zwei speziellen regulatorischen Enzymen des Abscisinsäure-Signalwegs, den Protein-Phosphatasen, interagiert. Mittels Genanalyse sowie durch Protein-Protein-Interaktionsstudien konnte das Forscherteam beweisen, dass DOG1 die Funktion beider Phosphatasen hemmt.

Dauer der Samenruhe entscheidend

Die Forscher geben damit Pflanzenzüchtern einen entscheidenden Hinweis, um ein zu frühes Keimen neuentwickelter Pflanzensarten verhindern zu können. Denn die Samenruhe darf nicht zu kurz sein, wie Nèe betont. „Sonst kann es ungewollte Nebeneffekte geben. Beispielsweise kommt es vor, dass Gerstensamen noch an der Mutterpflanze keimen – damit sind sie unbrauchbar.“

Schokolade ist die beliebteste Nascherei der Deutschen. Mit einem Pro-Kopf-Verbrauch von knapp 12 Kilogramm ist Deutschland innerhalb Europas gar Spitzenreiter und liegt noch vor der Schweiz. Zugleich ist Deutschland auch der größte Schokoladenexporteur und auf Kakao-Importe angewiesen. In den Anbauländern wie Afrika müssen Kakaobauern jedoch zunehmend Ertragseinbrüche infolge der Dürre hinnehmen. Der Göttinger Agrarökologe Manuel Toledo-Hernández hat im Rahmen seiner Doktorarbeit nun den Schlüssel zur Ertragsteigerung gefunden.

Kakao-Bestäubung optimieren

„Kakao-Bestäubung ist ein Schlüsseleffekt für die Ertragssteigerung und es ist erstaunlich, wie wenig Augenmerk in der Vergangenheit darauf gelegt wurde“, erklärt der Forscher. Im Rahmen seiner Doktorarbeit hatte Toledo-Hernández Studien zur Bestäubung von Kakaopflanzen aus den vergangenen 70 Jahren ausgewertet. Über seine Erkenntnisse berichtet der Forscher im Fachjournal "Agriculture, Ecosystems and Environment". Darin formuliert der Agrarökologe auch Maßnahmen, die zur Steigerung der Kakao-Erträge führen können.

Biodiversität fördern

Die Prüfung der Studien ergab, dass maximal 10% der Kakaoblüten auf natürliche Weise von Insekten bestäubt werden. Die natürliche Bestäubungsleistung könnte nach Einschätzung von Toledo-Hernández möglicherweise verbessert werden, wenn Waldstreifen in der Nähe erhalten bleiben und Agroforstsysteme im Sinne einer Förderung der Biodiversität gepflegt werden. „Ein umweltfreundliches Management der Kakaoplantagen sollte sowohl biodiversitätsfreundlich wie agronomisch bedeutsam sein“, so der Vorschlag der Forscher. Frühere Untersuchungen zeigen aber auch, dass durch Handbestäubung der Kakaoblüten der Ertrag auf den Plantagen verbessert werden kann. Toledo-Hernández schlägt daher vor, selbst diese aufwendige Arbeit im Hinblick auf die Ertragssteigerung wieder in Betracht zu ziehen.

Darüber hinaus gibt es viele noch offen Fragen, die der Göttinger Agrarökologe als nächstes klären will. „Es ist derzeit noch unklar, welche Gruppen oder Arten von winzigen Insekten, wie Mücken, Wespen oder Fliegen, die wichtigste Rolle bei der Bestäubung der Kakaopflanze spielen, wie Ameisen die Bestäubungsleistung fördern können oder wie durch Schatten- und Streumanagement der Ertrag zu fördern ist“, so Toledo-Hernández.

Das perfekte Zusammenspiel von Insekten, Pflanzen und Boden ist für den Erhalt der Ökosysteme von entscheidender Bedeutung. Ohne die Dienstleistungen der natürlichen Helfer wären die Böden nicht fruchtbar und die Teller leer. Durch den Klimawandel und vor allem die zunehmende Erwärmung sehen Forscher die Biodiversität jedoch gefährdet. Ökologen vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), der Universität Leipzig und der University of Minnesota (USA) haben daher untersucht, wie sich Klimaerwärmung auf die Vielfalt von Tieren und Pflanzen auswirken würde.

Experimentierflächen mit Wärmelampen

In einem Langzeit-Feldversuch in Cedar Creek, Minnesota, hatten die Forscher auf Wiesen mehr als 30 verschiedene Beobachtungsflächen eingerichtet. Auf einigen Parzellen wurde nur eine Pflanzenart angebaut, während sie auf anderen bis zu 16 verschiedene Pflanzen gedeihen ließen. Anschließend wurden die Wiesenparzellen mit Heizlampen um ungefähr 3 °C erwärmt. In der Folgezeit beobachteten die Forscher, wie sich die künstlich erzeugte Klimaerwärmung auf die im Erdreich lebenden Fadenwürmer auswirkte. Das Ergebnis des Freiluft-Experiments: In den Monokultur-Parzellen ging die Vielfalt der Nematoden deutlich zurück. Sie glichen intensiv bewirtschafteten landwirtschaftlichen Flächen, wie die Forscher im Fachjournal "Science Advances" berichten. Auf Parzellen mit großer Pflanzenvielfalt nahm hingegen die Anzahl der Nematodenarten sogar zu. „Wir brauchen Biodiversität, wenn wir die Biodiversität in einer wärmeren Welt erhalten wollen“, resümiert iDiv-Forscher Madhav Thakur.

Mehr ähnliche Würmer auf Biodiversitäts-Flächen

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass auf den Wiesenparzellen mit höherer Biodiversität die Arten der Würmer aber auch näher miteinander verwandt, sich also ähnlicher waren. „Diese Zunahme der Ähnlichkeit kann Auswirkungen darauf haben, wie gut biologische Gemeinschaften auf künftige Umweltveränderungen reagieren können. Denn eine größere Anzahl von Spezies stellt eine gewisse ‚Versicherung' gegen negative Einflüsse dar, die jedoch potenziell eingeschränkt ist, wenn diese Arten einander sehr ähnlich sind“, erklärt Jane Cowles, von der University of Minnesota. Was diese Erkenntnisse für die Stabilität der Ökosysteme bedeutet, wollen die Forscher als nächstes klären. Fest steht aber schon jetzt: die Forscher haben einen weiteren Beweis dafür geliefert, wie wichtig Biodiversität in Zeiten des Klimawandels ist und wie Vielfalt dazu beitragen kann, die negativen Folgen abzufedern.

Diese und andere zentrale Fragen rund um die Wechselwirkung zwischen Ökosystem, Artenverlust und Klimawandel können am iDiv seit Kurzem mit Hilfe der zentralen Versuchsplattform iDiv-Ecotron in Bad Lauchstädt untersucht werden. Mithilfe der modernen Anlage kann das komplexe Wechselspiel der Nahrungskette zwischen Pflanzen, Tieren, Mikroben und Boden nachgestellt, manipuliert und so in seiner Gesamtheit betrachtet werden.

In 1997 the IBM-computer “Deep Blue” defeated former world chess champion Garry Kasparov. In 2011 the IBM-computer software “Watson” beat its human counterpart during a US- game show. By now the former pioneer of artificial intelligence broadened his abilities even further and is being used by companies worldwide. Especially the healthcare sector and the insurance industry appreciate the unprecedented potential of “Watson” to collect, analyse, and interpret mostly unstructured information and be able to make predictions based on them. By means of the so-called cognitive assistant “Watson” Evonik aims to push the digitalisation forward. “For us as a specialty chemicals company, digitalization brings with it a world of possibilities. Now it’s about identifying them, testing them out, and being able to put them to good use“, explains Christian Kullmann, chairman of the Executive Board of Evonik Industries AG.

€100 million for innovative ideas

By founding their own digital company in February, Evonik paved their digital way. In addition to the space for creative thinking, the employees of the newly founded Evonik Digital GmbH are now also receiving the appropriate financial resources. According to the company, they aim to invest €100 million into the development and testing of digital technologies and the development of digital skills. “It’s not just about data and technology, but especially about new business models, solutions, services for customers, and training qualified staff”, says Henrik Hahn, who coordinates digitalization activities for the Group in his role as chief digital officer (CDO).

Watson: clever usage of available knowledge

Due to the cooperation with IBM, Evonik will be able to profit off of the newest technologies and projects of the company – such as the computer software “Watson”. In July 2017 the first pilot project will start with Evonik and IBM set to co-develop a Cognitive Evonik-specific Chemical and Life Science Knowledge Corpus based on data analysed by IBM Watson Explorer and Watson Knowledge Studio. Watson Explorer is IBM’s cognitive search and content analysis platform; Watson Knowledge Studio is the company’s cloud-based app that enables developers to identify relationships in unstructured data and can be used in Watson Explorer. The resulting insights from this solution will be made available as a Digital Advisory Service, but also to be used for efficiency improvements.

Martina Koederitz, General Manager at IBM Germany, Austria and Switzerland, said: “With Watson, IBM is creating the foundation for companies to make wise use of existing knowledge and to further develop it in the spirit of a learning organization. We are very pleased to partner with Evonik and bring our most advanced Cognitive and Cloud technologies and our newest research findings combined with our deep expertise, to support Evonik stand out and taking a pioneering role in the chemical industry in digital transformation.”

Moreover, Evonik is cooperating with the University Duisburg-Essen (UDE) in order to develop and establish for instance interactive knowledge dissemination and individual programs for schools.

bb/jmr

Die Vanadium-Nitrogenase ist ein Enzym, das zwei wichtige Prozesse katalysiert. Sie fixiert Stickstoff (N₂) aus der Luft und verstoffwechselt Kohlenmonoxid (CO). Das Enzym erzeugt so bioverfügbaren Stickstoff und kurzkettige Kohlenwasserstoffe. Beide Vorgänge werden heute in großem Maßstab mittels chemischer Katalyse durchgeführt, um Ammoniak und Kraftstoffe für die Industrie herzustellen. Ammoniak wird auch für synthetischen Stickstoffdünger benötigt, der für rund die Hälfte der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion sichert. Nun haben Forscher der Universität Freiburg im Breisgau erstmals die 3D-Struktur des Enzyms beschrieben, das beide Reaktion biokatalytisch durchführt. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Chemical Biology“.

Spezielle Nitrogenase fixiert zusätzlich Kohlenmonoxid

Die Vanadium-Nitrogenase stammt aus dem freilebenden Bodenbakterium Azotobacter vinelandii und gehört zur Enzym-Familie der Nitrogenasen. Diese Enzyme sind auf die Fixierung von Luftstickstoff spezialisiert. Für die Biokatalyse benötigen sie in der Regel Eisen- und Molybdän-Moleküle als sogenannten Cofaktor. Die spezielle Nitrogenase aus Azotobacter vinelandii verwendet anstelle von Molybdän Vanadium und wird deshalb auch als Vanadium-Nitrogenase bezeichnet. Das Enzym katalysiert nicht nur die Fixierung von Stickstoff, sondern wandelt auch Kohlenmonoxid in kurzkettige Kohlenwasserstoffe um. Es gilt deshalb auch als „Two-Hit-Wonder“. Allerdings ist die Funktion dieses komplexen, metallhaltigen Enzymsystems ist bislang nur unvollständig geklärt.

3D-Struktur der Vanadium-Nitrogenase entschlüsselt

Die Freiburger Forscher haben nun die dreidimensionale Molekülstruktur der Vanadium-Nitrogenase entschlüsselt. „Dazu haben wir das Enzym zunächst kristallisiert und anschließend die 3D-Struktur bei einer Auflösung bis auf Ebene einzelner Atome durch Röntgenbeugungsexperimente aufgeklärt“, so Daniel Sippel aus der Biochemie-Arbeitsgruppe. „Wir konnten zeigen, dass neben dem Vanadium an Stelle des Molybdäns im Cofaktor auch ein Schwefelion durch ein Carbonat-Anion ersetzt ist“, erklärt Oliver Einsle, Biochemie-Professor an der Universität Freiburg. „Das hat weitreichende Auswirkungen auf die geometrische und elektronische Struktur.“

Biotechnologisches Potenzial

Heute nutzt die Industrie und Landwirtschaft vor allem großtechnische chemische Verfahren zur Bindung von Stickstoff oder zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen. Die Verfahren wurden Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt. Synthetischer Stickstoff-Dünger kann so mittels Haber-Bosch-Verfahren produziert und Kohle zu Treibstoffen mit der Fischer-Tropsch-Synthese umgewandelt werden. Das Haber-Bosch-Verfahren kann nur bei hohem Druck und 400 bis 500 Grad Celius erfolgen und benötigt entsprechend viel Energie. Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist seit den 1990er Jahren wieder stärker in den Fokus geraten, da Treibstoff so nicht nur aus Kohle sonder auch aus Biomüll, Holz und landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden kann. Seit 2009 sind FT-Treibstoffe für die Luftfahrt zugelassen. „Unser langfristiges Ziel ist es, die Nitrogenase biotechnologisch nutzbar zu machen“, so Einsle. Die Vanadium-Nitrogenase könnte eine Alternative zu den großtechnischen chemischen Verfahren bieten.

Brandenburgs Forstminister Jörg Vogelsänger und NABU-Präsident Olaf Tschimpke haben in der Landeswaldoberförsterei Reiersdorf den offiziellen Startschuss für das Projekt „Gläserner Forstbetrieb“ gegeben. Die Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) wird zusammen mit dem Naturschutzbund Deutschland (NABU), der Landesforstverwaltung Brandenburg und der Universität Göttingen in den nächsten sechs Jahren erforschen, wie sich verschiedene Maßnahmen der Waldbewirtschaftung auf Ertrag, Stabilität und Naturschutz auswirken.

Ein Wald – viele Funktionen

Forstwirtschaft, Erholungsgebiet, Jagdrevier und Wasserversorger – all das muss ein Wald heute leisten. Diese vielfältigen Bedürfnisse müssen in Wirtschaftswäldern aufeinander abgestimmt werden. Auch im Hinblick auf Klimawandel, Umweltverschmutzung oder unkontrollierten Holzeinschlag – es gibt viele Einflüsse, die auch die Artenvielfalt in den Wäldern rund um den Globus bedrohen. In Anbetracht dieser neuen und komplexen Situation ist nicht nur die Forstwirtschaft, sondern vor allem auch die Forstwissenschaft gefordert.

„Monotone Kiefernforste sind anfälliger gegenüber den sich ändernden Umweltbedingungen und haben beispielsweise negative Auswirkungen auf die Grundwasserneubildung und den pH-Wert des Bodens“ sagt Pierre Ibisch, Professor für Naturschutz an der HNEE. „Im Projekt sollen gezielt naturnähere Strukturen durch die Förderung von Laubbäumen und die gezielte Anreicherung von Totholz gefördert werden. Totholz ist nicht nur ein wichtiger Ausgangspunkt für die Artenvielfalt im Wald, sondern es ist auch bedeutsam für die Bodenbildung. Es speichert zudem Wasser und kühlt – es unterstützt die Funktionstüchtigkeit des Waldökosystems. Das ist in Zeiten des Klimawandels besonders wichtig.“

Naturnahes Waldmanagement und Wirtschaftlichkeit kombinieren

Innerhalb des Forschungsprojekts soll wissenschaftlich belegt werden, dass naturnahes Waldmanagement der Erhaltung und Entwicklung von vielfältigen Ökosystemleistungen dient, ohne die langfristige Wirtschaftlichkeit von Forstbetrieben wesentlich zu beeinträchtigen. Das Projekt „Gläserner Forstbetrieb“ ist bisher in Deutschland einmalig und ist besonders wichtig, um zu testen, wie unterschiedliche Waldbewirtschaftungsmaßnahmen langfristig auf die hiesigen Wälder wirken. Stabile und naturnahe Wälder seien elementar für die Zukunft der Wälder, so Tschimpke.

Mehr als 1.000 Hektar Wald werden von der NABU-Stiftung Nationales Naturerbe und dem Landesbetrieb Forst Brandenburg für die Forschungszwecke zur Verfügung gestellt. Zu finden sind die zwei Areale – beides Kiefernwälder – im nördlichen Brandenburg. Als Referenzflächen wurden aber auch alte, naturnahe Buchenwälder ausgewählt. Unterschiedliche forstliche Messmethoden, wie der Klimadaten-Logger, der die Auswirkungen der forstwirtschaftlichen Maßnahmen auf die Temperatur und Luftfeuchte misst, werden zum Einsatz kommen. Außerdem soll untersucht werden, welchen Einfluss die Holzernte oder die Pflanzung von Laubbäumen auf das Waldinnenklima hat, oder wie sich der Verbiss, verursacht durch Wildtiere, auf den Wald auswirkt. Das Zentrum für Ökonik und Ökosystemmanagement der HNEE wird dabei die ökologische Auswertung übernehmen.

jmr

Moderne Technologien wie Sensoren, Automaten und Roboter bestimmen immer häufiger den Alltag des Landwirts. Reiner Brunsch, Direktor des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und Bioökonomie in Potsdam (ATB), weiß um die Chancen aber auch Risiken der neuen Technologien. Der Fokus seiner Arbeit liegt daher auf zukunftsfähigen Lösungen für die Landwirtschaft, die effizient, umweltschonend und sozialverträglich sind.

Bienen sind für die landwirtschaftlich geprägten Ökosysteme von unschätzbarem Wert. Doch die Artenzahl der Bestäuber ist in einem bedrohlichen Sinkflug: Die Hälfte der insgesamt 561 Wildbienenarten in Deutschland steht bereits auf der Roten Liste. Forscher suchen daher intensiv nach Lösungen, das Bienensterben zu stoppen. Wissenschaftler der Universitäten Würzburg und Wageningen scheinen nun eine einfache wie nachhaltige Methode gefunden zu haben, um mehr Wildbienen auf landwirtschaftliche Nutzflächen zu locken.

Nistplätze am Feldrand

Wie das Team um den Würzburger Biologen Ingolf Steffan-Dewenter im Fachmagazin „Journal of Applied Ecology“ berichtet, stellten sie dafür am Rand von Rapsfeldern mehrere Nisthilfen auf, um die Äcker für die Bestäuber attraktiver zu machen. Die neue Behausung bestand dabei aus gebündelten kurzen Schilfhalmen, wo die Wildbienen ihre Eier ablegen konnten. „Blütenpflanzen sind die einzige Nahrungsressource von Wildbienen – und zwar sowohl der erwachsenen Tiere als auch ihrer Larven. Die Insekten gedeihen also nur dort, wo auch ausreichend Blütenpflanzen zur Verfügung stehen“, erläutert Ingolf Steffan-Dewenter.

Blütenreiche Habitate als Nachbarn bevorzugt

Während der zweijährigen von der EU finanzierten Studie beobachteten die Biologen dann, wie viele Brutzellen in den Nestern angelegt wurden und um welche Wildbienenarten es sich handelte. Während der Rapsblüte im Mai kamen die Wildbienen jeweils in Scharen, sodass die von ihnen besiedelten Nistplätze geradezu explodierten, wie die Forscher berichten. „Wir konnten zeigen, dass derartige Maßnahmen, aber auch naturnahe Habitate in der Umgebung, die Häufigkeit von Wildbienen auf den Feldern positiv beeinflussen.“ Die Zahl der Wildbienen stieg dabei deutlich an. Das Fazit der Forscher lautet daher: Um eine größere Vielfalt von Bienen anzusiedeln, müssten ausreichend blütenreiche Gebiete in der Nähe der Nistplätze geschaffen werden. „Dazu reichen oft schon schmale Streifen mit Wildblumen“, erklärt Steffan-Dewenter. Wichtig ist aber auch, dass dafür ausreichend Nistplätze für Insekten zur Verfügung stehen.

Von Honigbienen unabhängig machen

Der Studie zufolge könnten sich Landwirte mit dieser einfachen und wirkungsvollen Methode von Honigbienen unabhängig machen, da sich mithilfe von Wildbienen der Ertrag vieler Nutzpflanzen sogar noch steigern lässt. Auf verschiedene Bestäuber zu setzen hätte auch den Vorteil, dass das Risiko von Infektionen oder Parasitenbefall dezimiert werden könnte. Denn die Forscher stellten fest: Je größer die Zahl der Wildbienen war, desto größer war auch der Anteil jener, die von Parasiten befallen wurden. Nachhaltig beeinträchtigen konnte dieser Effekt die Vermehrung der nützlichen Insekten jedoch nicht, wie die Forscher berichten. In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördeten Projekt wird in den kommenden Jahren ebenfalls intensiv nach neuen Lebensräumen für Bienen geforscht.

Es ist der universelle Energieträger aller Lebewesen: das Molekül Adenosintriphosphat, kurz ATP. Ohne ATP wären weder Stoffwechsel noch Wachstum möglich, das gilt für tierische ebenso wie für pflanzliche Zellen. Unter der Leitung der Universität Bonn hat ein internationales Forscherteam erstmals in lebenden Pflanzenkeimlingen die ATP Verteilung und dessen Verbrauch unter Stressbedingungen sichtbar gemacht. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „eLIFE“ publiziert und könnte Hinweise für die Züchtung stressresistenter Pflanzen geben.

Energie sichtbar machen

ATP ist ein chemisches Molekül, das universell und unmittelbar Energie bereitstellt. „Unsere Arbeit macht diese Energie sichtbar“, sagt Markus Schwarzländer, Leiter einer Emmy-Noether-Gruppe am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn. „Und zwar in lebenden Pflanzen – vom kleinsten Zellorganell bis zum kompletten Keimling“, ergänzt sein Kollege Stephan Wagner.

Unter der Leitung der beiden Biochemiker haben Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, China, England und Dänemark einen innovativen Weg entwickelt, ATP im lebenden Organismus mit Hilfe eines fluoreszierenden Proteins sichtbar zu machen. Hierfür nutzte das Team die Methode von Takeharu Nagai aus Osaka in Japan, mit der ATP an ein fluoreszierendes Protein einer Qualle bindet. Die japanischen Wissenschaftler haben diese Technik ursprünglich in Säugetieren entwickelt, die Forscher der Universität Bonn haben sie nun für die Nutzung an Pflanzen angepasst. „Mit dieser Technologie wird es möglich, in Echtzeit zu verfolgen, wo wieviel ATP in lebenden Pflanzen vorliegt“, sagt Erstautorin Valentina De Col.

ATP im lebenden Organismus beobachten

Das Besondere: bisherige ATP Untersuchungen konnten nur Momentaufnahmen darstellen. Ganze Pflanzen oder Teile davon wurden pulverisiert und die darin enthaltene Menge an ATP wurde bestimmt. „Dagegen sieht man mit unserer Technologie der laufenden Maschine bei der Arbeit zu“, so Schwarzländer. Damit meint er die lebenden Keimlinge der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Die Wissenschaftler untersuchten mit ihrer Methode verschieden Arabidopsis-Organellen, Organe und sogar ganze Keimlinge am Mikroskop und mit einem Fluoreszenz-Analysegerät.
Bei der live-Beobachtung zeigt sich die Verteilung des ATP’s: „Bei normaler Versorgung mit Wasser, Luft und Licht liegt in den Wurzeln weniger ATP vor als zum Beispiel in den grünen Blättern“, berichtet Wagner. Um herauszufinden, wie die Verteilung von ATP unter Stressbedingungen ist, setzten die Wissenschaftler die leuchtenden Arabidopsis-Keimlinge unter Wasser und schnitten sie damit von der lebenswichtigen Sauerstoffzufuhr ab.

Einblick in die Symbiosen mit Wurzelpilzen

Allerdings kam dadurch die Produktion von ATP nicht sofort zum Erliegen – es muss also unterschiedliche Anpassungsprozesse geben, mit denen die Pflanze versucht, sich gegen den zunehmenden Sauerstoffmangel zu wappnen und ihren Energiehaushalt aufrecht zu erhalten. „Eine entscheidende Frage ist nun, ob sich diese Schutzprogramme stimulieren lassen, um neue Pflanzensorten zu züchten, die besser mit Stress zurechtkommen“, so Schwarzländer. Mit der innovativen Methode ließe sich künftig auch untersuchen, wie Krankheitserreger in den Energiehaushalt von Pflanzen eingreifen und wie die Symbiose zwischen Wurzeln und bestimmten Pilzen (Mykorrhiza) genau funktioniert.

jmr

Stroh zu Alkohol

Alkohol hat fett- und schmutzlösende Eigenschaften, deshalb wird er als Zusatz zu Reinigungsmitteln besonders geschätzt. In Kooperation mit dem Chemieunternehmen Clariant hat das Mainzer Familienunternehmen Werner & Mertz, bekannt für seine Frosch-Produkte, nun zwar nicht Stroh zu Gold gesponnen, aber die Verwendung von Bioethanol auf Basis von Stroh in Wasch-, Putz- und Reinigungsmitteln erprobt.

Innovatives sunliquid® Verfahren

Clariant betreibt in Straubing eine Bioraffinerie-Anlage zur Biosprit-Gewinnung der zweiten Generation. Lignocellulosehaltiges Weizenstroh und andere Feldabfälle werden dort mit dem speziell entwickelten sunliquid® Verfahren nahezu vollständig in Bioethanol umgewandelt. Clariant produziert in diesem mehrstufigen Prozess etwa 1000 Tonnen Bioethanol jährlich. Einen Teil davon verwenden Werner & Mertz in ihrem Multiflächenreiniger.

Marktreife

Der Multiflächenreiniger mit Clariant sunliquid® Bioethanol, gewonnen aus heimischem Stroh, reinigt laut Hersteller alle glatten Oberflächen und ist im Handel erhältlich.

Straw to alcohol

Alcohol has fat and dirt dissolving properties, therefore it is particularly well suited as an additive to cleaners. In cooperation with the chemical company Clariant, the family-owned company Werner & Mertz, known for its ecological and environmentally friendly “Frosch”-products has tested the use of bioethanol based on straw in washing and cleaning agents.

Innovative sunliquid® process

In Straubing, Clariant operates a biofuel plant for second generation biofuels. Using the specially developed sunliquid® process lignocellulosic wheat straw and other field waste are almost completely converted into bioethanol. Clariant produces about 1,000 tons of bioethanol annually in this multi-stage process. A portion of this bioethanol is used in the multi-surface cleaner from Werner & Mertz.

Ready for the market

According to the manufacturer the multi-surface cleaner with Clariant sunliquid® bioethanol, obtained from local straw, cleans all smooth surfaces and is available in common stores.

Produkte aus ökologischer Landwirtschaft sind längst nicht mehr nur Bioläden vorbehalten. Auf Grund der großen Nachfrage gehören Bioprodukte auch in vielen Supermärkten heute zum Standardangebot. Dass Bio-Lebensmittel immer beliebter werden, zeigte kürzlich erst das aktuelle Ökobarometer. Die soeben veröffentlichten Strukturdaten vom Bundesamt für Landwirtschaft und Ernährung bestätigen nun diesen positiven Trend. Danach ist der ökologische Landbau im vergangenen Jahr überdurchschnittlich stark gewachsen. „Die ökologisch bewirtschaftete Fläche in Deutschland war noch nie so groß wie im vergangenen Jahr. Auch die Anzahl der Biobetriebe hat 2016 einen Höchststand erreicht“, erklärte Bundeslandwirtschaftsminister Christian Schmidt dazu.

Höchststand bei ökologischen Anbauflächen

Die Fläche der nachhaltig bewirtschafteten Felder und Wiesen stieg danach im Vergleich zum Vorjahr um 14,9% auf 1.251.320 Hektar, die Zahl der ökologisch erzeugenden Betriebe um 9,6% auf 27.132 an. Darüber hinaus zeigt sich, dass auch immer mehr Unternehmen Bioprodukte produzieren. 2016 waren im Bio-Sektor rund 41.200 Unternehmen tätig, was ein Plus von 7,7% im Vergleich zum Vorjahr bedeutet.

Adenosine triphosphate (ATP) is the ubiquitous energy currency of all living organisms. Without it there would be no metabolic processes or growth possible – for animal cells as well as plant cells. Headed by the University Bonn an international team of researchers was able to visualise the ATP distribution and utilisation during stressful phases in living plant seedlings. The results were published in the journal „eLIFE“ and could aid future breeding schemes for stress-resistant plants.

Visualising the energy transport

ATP is a chemical molecule that provides universal and immediate energy release. “Our work makes this energy carrier visible,” says Markus Schwarzländer, head of the Emmy-Noether Group at the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES), University of Bonn. “In living plants, in fact – from the smallest cell organelle up to the complete seedling,” adds his colleague Stephan Wagner. Led by the two INRES biochemists, scientists from Germany, Italy, China, England and Denmark have developed an innovative way of visualizing ATP in the living plant aided by a fluorescent protein. The team used a method developed by Takeharu Nagai from Osaka in Japan, in which ATP binds to a fluorescent protein from a jellyfish. The Japanese researchers had originally used this technique in mammals, and the researchers at the University of Bonn have now optimized it for use in plants. “This method makes it possible to track where and how much ATP is present in the living plants in real time,” says lead author Valentina De Col.

Watching ATP in a living organism

Importantly, previous studies on ATP were only able to provide snapshots. Whole plants or plant parts were ground up before ATP could be quantified. “In contrast, our methodology allows watching the running machine at work”, says Schwarzländer. The “machines” are seedlings of the model plant Arabidopsis thaliana. The researchers investigated tiny cell organelles, such as the cellular powerhouses (mitochondria), as well as entire organs, such as roots and even whole seedlings, under the microscope and with a fluorescence analyzer. Live-imaging showed the distribution of cellular fuel in real time. “With a normal supply of water, air and light, there is less ATP in the roots than, for example, in the green leaves,” reports Wagner.

Insights into how pathogenes intervene

In order to analyse how ATP is distributed and used under stressful conditions, the researchers placed the glowing Arabidopsis seedlings under water to cut them off from their vital oxygen supply. This, however, did not immediately inhibit ATP production. Thus, there have to be different acclimation processes that are activated by the plant in an attempt to protect itself against progressing oxygen shortage and to maintain its energy balance. “A crucial question is now whether these protective programmes can be stimulated to breed plant varieties that cope better with stress”, says Schwarzländer when asked about future opportunities built on these results. Using this new visualisation tool may allow novel insights into how pathogens intervene in the plant energy metabolism and how the symbiosis between roots and specific fungi, called mycorrhiza, works in detail.

jmr

Die optimale Verwendung nachwachsender Rohstoffe als Energiequelle und Ersatz für die Produktion bislang erdölbasierter Produkte spielt eine zunehmend größere Rolle. Dazu gehört auch die Verwendung von pflanzlichen Reststoffen und im Speziellen der sogenannten Lignocellulose. Sie ist Hauptbestandteil der Zellwände verholzter Pflanzen. Das LX-Verfahren ermöglicht die Produktion von Biokraftstoffen, Biochemikalien und natürlichem Lignin aus Lignocellulose. Die promovierte Chemikerin Katrin Streffer ist Geschäftsführerin des brandenburgischen Unternehmens LXP-Group GmbH, das derzeit erprobt, wie das Verfahren im großtechnischen Maßstab ökonomisch rentabel gestaltet werden kann.

Hülsenfrüchte wie Erbsen und Bohnen fristen in Deutschland noch immer ein Nischendasein auf den Äckern. Sie werden jedoch als Eiweißquelle und Stickstoffsammler bei Landwirten immer beliebter. Die aktuellen Daten zur Bodennutzung des Statistischen Bundesamtes belegen: Die Anbaufläche für Leguminosen ist in den vergangenen Jahren gewachsen. Spitzenreiter bei den Hülsenfrüchten sind demnach Erbsen. Hier hat sich das Areal von 38.000 Hektar in 2013 auf 87.000 Hektar in 2016 mehr als verdoppelt.

Sojaanbau erstmals statistisch erfasst

Während die landwirtschaftlichen Nutzflächen von Erbsen, Ackerbohnen und Süßlupinen in der Statistik seit Längerem einen festen Platz haben, wurde nun erstmals auch die Sojabohne in der Rubrik „Hülsenfrüchte zur Körnergewinnung“ berücksichtigt. Danach wurden 2016 bundesweit auf 15.770 Hektar Sojapflanzen angebaut. 2005 waren es nach Angaben des Deutschen Sojaförderrings nur 1.000 Hektar Nutzfläche. Seit 2012, wo die Anbaufläche etwa 6.000 Hektar betrug, hat die beliebte chinesische Hülsenfrucht auch hier stetig an Land gewonnen. In Deutschland sind vor allem Bayern und Baden-Württemberg mit bis zu 6.500 Hektar die Hauptsojaanbaugebiete. Auch wenn die Palette der Soja-Produkte breiter wird. Das Gros der Sojapflanzen wird in Deutschland zu Tierfutter verarbeitet.

Forscher arbeiten seit Jahren daran, Wasserstoff als Energieträger der Zukunft zu etablieren, um so eine Alternative zu Kohle oder Erdgas zu schaffen. Ein vielversprechendes Werkzeug zur Herstellung des Energiespeichers sind Enzyme. Die Supertalente der Bioindustrie können chemische Reaktionen entsprechend beeinflussen. „Um Wasserstoff in industriellem Maßstab mithilfe von Enzymen zu erzeugen, müssen wir deren Funktionsweise genau verstehen“, betont Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum.

Hydrogenasen agieren in zwei Richtungen

Gemeinsam mit seinen Teamkollegen Martin Winkler ist es Happe gelungen, den entscheidenden Katalyseschritt bei der sogenannten Hydrogenase zu klären. Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Communications“ berichten, haben Hydrogenasen das Talent in zwei Richtungen zu arbeiten. So können sie Protonen und Elektronen zu Wasserstoff umsetzen aber auch Wasserstoff in Protonen und Elektronen spalten. Beide Reaktionen finden jeweils im aktiven Zentrum der Hydrogenase statt, im sogenannten H-Cluster, das eine komplexe Struktur aus sechs Eisen- und sechs Schwefelatomen ist. Während des Katalyseprozesses durchläuft dieser Cluster dabei mehrere Zwischenzustände, wie die Bochumer Forscher herausfanden.

Bei der Spaltung von molekularem Wasserstoff (H₂) bindet das Wasserstoffmolekül zunächst an den H-Cluster. Es entsteht ein positiv geladenes Proton (H⁺) und ein negativ geladenes Hydrid-Ion (H^-), die dann schnell zu zwei Protonen und zwei Elektronen weiterreagieren. „Der Hydrid-Zustand des aktiven Enzyms, in dem also das Hydrid-Ion an das aktive Zentrum gebunden ist, gilt als hochgradig instabil – nachweisen konnte ihn bislang niemand“, so Winkler. Das ist dem Team um Happe und Winkler nun gelungen.