Aktuelle Veranstaltungen

Die Anforderungen an Pflanzen, ob als Nahrungs-, Rohstoff- oder Energiequelle, sind hoch. Die Nutzpflanzen der Zukunft sollen ertragreich und gegen Krankheiten und Schädlinge gewappnet sein, weniger Dünger verbrauchen sowie Wetterextremen wie Trockenheit und Nässe trotzen. Das Wissen um die Eigenschaften der Pflanzen und deren Wachstums- und Anpassungsmechanismen ist für die Züchtung neuer Sorten daher von grundlegender Bedeutung.

Bessere Pflanzen für die Bioökonomie

Am Institut für Pflanzenwissenschaften des Forschungszentrums Jülich steht Wissenschaftlern aus Forschung und Industrie mit dem neuen „Hightech-Gewächshaus“ nun ein hochmodernes Instrument für die Pflanzenzüchtungsforschung zur Verfügung. In der Anlage soll erforscht werden, wie Pflanzen nachhaltig und effizient gezüchtet, angebaut und genutzt werden können. „Zur Lösung der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts brauchen wir eine nachhaltige Bioökonomie. Hierzu müssen wir die Mechanismen verstehen, wie sich Pflanzen an unterschiedliche, zum Teil schwierige Umweltbedingungen anpassen. Das neue 'Gläserne Labor' des Instituts für Pflanzenwissenschaften ist ein wichtiger Schritt, um diesem anspruchsvollen Ziel näherzukommen", sagte der Parlamentarische Staatssekretär im Bundesforschungsministeriums, Thomas Rachel, in seinem Grußwort bei der Eröffnung des Forschungslabors. Die Baukosten für das Hightech-Labor von rund 4,1 Mio. Euro wurden zu 90% vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und zu 10% vom Land Nordrhein-Westfalen finanziert.

Roboter vermessen Pflanzen

Das rund 1.700 m² große Forschungsgebäude ist in mehrere Pflanzenabteile untergliedert. Es besteht aus einem speziellen Glas, das UV-Licht durchlässt und so Pflanzen besser mit Licht versorgt. „Innerhalb des 'Gläsernen Labors' lassen sich viele Umweltbedingungen einstellen, die für die Pflanzenforschung relevant sind – bei deutlich geringeren Kosten und flexibler als in Klimakammern“, erklärt der Direktor des Instituts für Pflanzenwissenschaften, Ulrich Schurr. Darüber hinaus gibt es Bereiche, wo sogar die Länge eines Tages reguliert werden kann. Zentral angeordnete massive Stützen, kombiniert mit leichteren Trägern an der Außenwand, bilden einen großen Raum, in seiner Form ähnlich einem gespannten Regenschirm, in dem Pflanzen künftig von Robotern vermessen werden. 

Ein Infrastruktur-Netzwerk für Hochdurchsatz-Analysen

„Mit dem neuen Gewächshaus verstärkt das Forschungszentrum sein Engagement beim Aufbau einer leistungsfähigen Infrastruktur von Plattformen zur Phänotypisierung von Pflanzen mit zentraler Bedeutung in Deutschland, Europa und weltweit", betont Harald Bolt, Mitglied des Vorstands des Forschungszentrums Jülich. Das Hightech-Gewächshaus wird damit zum Herzstück der Hochdurchsatz-Analyse pflanzlicher Strukturen und Funktionen innerhalb des Deutschen Pflanzen Phänotypisierungs-Netzwerks (DPPN). Es ist auch der erste Baustein einer gesamteuropäischen Infrastruktur für die Phänotypisierung, wie sie im Projekt EMPHASIS entstehen soll. Das DPPN wird vom Jülicher Institut für Pflanzenwissenschaften koordiniert. Daran beteiligt sind neben dem Helmholtz Zentrum München (HMGU) auch das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben, wo Ende August ebenfalls eine neue Pflanzenkulturhalle eröffnet wurde.

bb

Erst im Mai hatte Clariant eine Fusion mit dem US-Unternehmen Huntsman zu biobasierten Chemikalien angekündigt. Nun gibt es wieder Neuigkeiten aus der Zentrale des Schweizer Spezialchemiekonzerns in Muttenz: Mitte September hat das Unternehmen sein Sunliquid-Verfahren zur Umwandlung von Agrarreststoffen in Ethanol an den slowakischen Bioethanol-Spezialisten Enviral auslizenziert. Noch in diesem Jahr will Enviral an seinem Standort in Leopoldov mit dem Bau einer neuen Produktionsanlage im 50.000-Tonnen-Maßstab beginnen, um Zellulose-Ethanol aus Pflanzenreststoffen wie Getreide- oder Maisstroh kommerziell herstellen zu können.

Offizieller Markteintritt für Bioethanol-Verfahren

„Das Lizenzabkommen markiert unseren offiziellen Markteintritt und die erfolgreiche Kommerzialisierung dieser hochgradig innovativen und nachhaltigen Technologie“, erklärt Christian Kohlpaintner, Mitglied des Executive Committee der Clariant AG. Welchen Preis das slowakische Unternehmen für die erworbene Sunliquid-Lizenz zahlen musste, ist nicht bekannt. In der slowakischen Anlage sollen neben der Sunliquid-Technologie auch Starterkulturen von Clariants eigenen Enzym- und Hefeplattformen zum Einsatz kommen.

Erfolgreiche Kompatibilitätstests in Straubingen

Erste Tests zur Kompatibilität der Rohstoffe von Enviral und der Sunliquid-Technologie haben beide Unternehmen bereits im vergangenen Jahr in Straubing durchgeführt. Der Bau der Demonstrationsanlage in Bayern wurde von der Landesregierung und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 28 Mio. Euro gefördert. In dem 2012 eröffneten Straubinger Werk konnten sämtliche Prozessschritte zur Herstellung von Bioethanol durchlaufen werden, die später auch in einer großindustriellen Anlage zum Einsatz kommen.

Als nächsten Schritt in der Kommerzialisierung von Sunliquid will Clariant mit "Biofuels" eine neue Geschäftslinie als Teil des Geschäftsbereichs Catalysis etablieren und so die weitere Entwicklung des gesamten Biokraftstoffgeschäfts ankurbeln.

hm/bb

Last May Clariant announced a merger with the US company Huntsman regarding biobased chemicals. And now there are again news out of the headquarters: the Swiss chemical company licensed their Sunliquid-Technology for the conversion of biowaste into ethanol to the Slovakian bioethanol specialist Enviral. Before the end of this year Enviral plans to start construction of their new production plant at their site in Leopoldov in order to commercially produce cellulosic ethanol from plant waste such as wheat straw and corn stover at an annual production capacity of 50,000 tons.

Official market entry for bioethanol process

Christian Kohlpaintner, Member of the Executive Committee at Clariant explains: "This license deal marks our official entrance into the market and the successful commercialisation of this highly innovative and sustainable technology. Cellulosic ethanol has significant potential for reducing greenhouse gas emissions and we are proud in making it a reality."

First successful tests done in Straubing

Clariant and Enviral already conducted extensive tests of Enviral's feedstock with Clariant's technology at Clariant's pre-commercial sunliquid demonstration plant in Straubing (Germany to ensure effective and efficient compatibility. Next steps are detailed engineering studies before the official ground breaking which is expected at the end of 2017.

Cellulosic ethanol is an advanced and truly sustainable biofuel which is almost carbon neutral. It is produced from agricultural residue such as wheat straw and corn stover that is obtained from farmers. By using agricultural residue, cellulosic ethanol can extend current biofuels production to new feedstocks and improved performance.

hm/bb/jmr

Wie wollen wir Menschen künftig leben? Wie soll in Zukunft die Ernährung der rasant wachsenden Weltbevölkerung gesichert werden? Welche Möglichkeiten und Gefahren hält die Biotechnologie für uns bereit? Wird insektenbasierte Kost bald auch in Mitteleuropa zum Speiseplan gehören – und wie schmeckt sie? Fragen wie diese, die den Umgang mit natürlichen Ressourcen und den damit verbundenen Wandel der Industrie zur einer Bioökonomie betreffen, interessieren die Öffentlichkeit. Das Futurium am Spreeufer des Regierungsbezirks in Berlin will sich als Wissensort und Wissensforum in Zukunft diesen und vielen weiteren Fragen unseres Lebens widmen. Mitte September hat Direktor Stefan Brandt in einem feierlichen Akt den Schlüssel für das jüngst fertig gestellte Gebäude erhalten. Bereits wenige Tage später, am 16. September, konnte das Futurium-Team zu „einem Tag Zukunft“ rund 15.000 Neugierige in seinem Haus begrüßen.

Bundesforschungsministerin Wanka: „Man soll hier fruchtbar streiten können.“

Mit seiner futuristischen Architektur durchbricht das neue Gebäude des Futuriums das einheitliche Erscheinungsbild der ebenen Glasfronten am Ufer der Spree im Regierungsviertel in Berlin. Und so soll es sein. Zwischen Hauptbahnhof und Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gelegen, will das Futurium Fragen aufwerfen. „Es soll ein wissensreicher Ort sein, aber auch ein Ort des Fragenstellens“, betonte Direktor Stefan Brandt bei der feierlichen Schlüsselübergabe am 13. September. Es wird darum gehen, wie der Mensch zukünftig leben möchte, welche Ressourcen die Natur dazu bietet und wie der technische Fortschritt helfen kann. Dabei sollen neue Wege beschritten werden: inhaltlich wie konzeptionell. Johanna Wanka, Bundesministerin für Bildung und Forschung, meint dazu: „Das Futurium ist ein Ort der Partizipation, der Teilhabe. Man soll hier auch fruchtbar streiten können.“ Und dass es das Futurium-Team ernst damit meint, zeigte es am 16. September. Es hatte Interessierte jeden Alters zu „einem Tag Zukunft“ in das jüngst fertig gestellte Gebäude eingeladen.

Woher kommt das Fleisch auf dem Teller? Diese Frage stellen sich Verbraucher immer öfter. Aktuelle Umfragen zeigen: Aspekte wie Tierwohl und Umweltschutz spielen bei der Kaufentscheidung zunehmend eine Rolle. Zwar bekommen die Proteine von Steak und Schnitzel durch die pflanzlichen Pendants aus Hülsenfrüchten zunehmend Konkurrenz. Der pro Kopfverbrauch beim „menschlichen Konsum“ bei Fleisch ist in Deutschland jedoch seit Jahren mit etwa 60 Kilogramm fast unverändert. In Entwicklungs- und Schwellenländern wie Indien, wo vegetarische Kost eine lange Tradition hat, ist hingegen der Fleischbedarf gestiegen.

Um die wachsende Bevölkerung auch in 20 Jahren noch ernähren zu können, suchen Forscher seit Langem nach Alternativen. Eine vielversprechende Option könnte Laborfleisch sein. Dafür werden Muskelstammzellen von Huhn oder Rind in der Petrischale kultiviert. „In Zukunft könnte In-vitro-Fleisch vielleicht helfen, Probleme zu lösen, die unser Fleischkonsum im Hinblick auf eine wachsende Weltbevölkerung, den Klimawandel und Tierschutz verursachen", erklärt Inge Böhm vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Mit der Kultivierung von tierischen Muskelstammzellen in einer Zellkultur wäre es eventuell nicht länger nötig, unter enormem Ressourcenaufwand Tiere erst heranzuzüchten und dann zu töten.“

Chancen und Risiken von Laborfleisch

Im Rahmen einer vom Bundesforschungsministerium geförderten Innovations- und Technikanalyse (ITA) ist das Team um Böhm der Frage nachgegangen, ob die Gesellschaft In-vitro-Fleisch als Fleischersatz akzeptieren würde. Dafür wurden Experten aus Wissenschaft und Systemgastronomie, Vertreter von Umwelt- und Tierschutzorganisationen sowie ökologischen und konventionellen Anbauverbänden, aber auch Bürger befragt. Ziel war es, Chancen, Risiken und Herausforderungen der Innovation zu analysieren, um mögliche Impulse für eine künftige Forschungspolitik abzuleiten. Die Ergebnisse der zweijährigen Untersuchung wurden am 6. Oktober auf dem ITAForum in Berlin vorgestellt. Mehr gibt es auch auf der Website www.invitrofleisch.info.

Akzeptanz durch Aufklärung 

Demnach akzeptiert die Mehrheit der Befragten In-vitro-Fleisch als eine mögliche Alternative zur konventionellen Fleischproduktion. „Anfangs waren die Teilnehmer noch skeptisch. Doch nach Konfrontation mit den Vorteilen für Umwelt und Tierwohl sahen viele die Innovation positiv", sagte Projektkoordinatorin Arianna Ferrari bei der Veranstaltung. Die Umfrage zeigte auch, wie groß der Wunsch der Teilnehmer nach Aufklärung hinsichtlich der damit verbundenen Probleme ist. Auch sollte nach Wunsch einiger Befragter ein Nährmedium für die Zellen entwickelt werden, das nicht aus Tieren gewonnen wird.

Politische Strategien gefordert

Während Vertreter der Industrie großes Interesse an der Entwicklung zeigten, stieß die kultivierte Kost bei jenen auf Widerstand, die eine generelle Reduzierung des Fleischkonsums und den Ökolandbau favorisieren. Argumente gegen das Fleisch aus dem Labor waren insbesondere die Befürchtung einer weiteren Entfremdung des Menschen vom Tier und die Gefahr einer Monopolisierung der In-vitro-Fleisch-Produktion. Einig waren sich die Befragten hingegen, dass der Fleischkonsum aus Gründen der Nachhaltigkeit reduziert werden muss. „Der überwiegende Teil der Gesellschaft wünscht sich, dass die Politik Strategien entwickelt, um den Fleischkonsum zu reduzieren, die nachhaltige Umgestaltung der Landwirtschaft voranzutreiben sowie Forschung und Entwicklung pflanzenbasierter Alternativen zu fördern“, so Ferrari.

Das Fazit der KIT-Analyse: Noch sind nicht alle Bedenken ausgeräumt, doch Fleisch aus der Petrischale wird als alternativer Fleischersatz durchaus akzeptiert. Der Weg in den Supermarkt ist aber noch weit. Denn die Herstellung von Laborfleisch ist noch sehr teuer und die Massenproduktion in der Zellkultur birgt noch viele Herausforderungen.

bb

Wie kann die Industrie von Morgen nachhaltiger gestaltet und der Wandel in Richtung Gesellschaft kommuniziert werden? Dies waren nur einige der großen Fragen und Themenkomplexe, die auf dem zweiten Internationalen Bioökonomie-Kongress Mitte September in Stuttgart-Hohenheim diskutiert wurden.

Der zweitägige Kongress wurde vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg, der Universität Hohenheim und der BIOPRO Baden-Württemberg GmbH ausgerichtet. Die Veranstaltung bot mit 62 Vorträgen und 88 Posterbeiträgen ein dicht gepacktes Programm - sowohl für Experten aus Industrie und Wissenschaft als auch für die zahlreich erschienenen Nachwuchswissenschaftler. Dabei ging es vor allem darum, Ergebnisse aus dem seit 2014 aufgelegten Forschungsprogramm Bioökonomie der Landesregierung Baden-Württemberg zu präsentieren. Hierbei werden Wissenschaftler in den Themenfeldern Biogas, Lignozellulose und Mikroalgen unterstützt. Darüber hinaus gibt es ein übergreifend angelegtes Kompetenznetz "Modellierung der Bioökonomie" und ein standortübergreifendes Graduiertenprogramm. Die Veranstaltung bot vor allem den zahlreichen Nachwuchswissenschaftlern eine Plattform, ihre Arbeiten in Posterbeiträgen oder Vorträgen wvorzustellen. Die Themen hierbei reichten von nachhaltiger Produktion von Biomasse, der Nutzung alternativer Ressourcen für die Produktion von Lebens- und Futtermitteln bis hin zu Plattformchemikalien und Kraftstoffen.

How can the industry of tomorrow become more sustainable and the new direction be communicated to the public? That was only one of the main questions and topics raised and discussed during the second international bioeconomy conference in mid-September in Stuttgart-Hohenheim.

The two-day congress was organised by the Ministry of Science, Research, and the Arts Baden-Württemberg, the University Hohenheim and the BIOPRO Baden-Württemberg GmbH. With 62 lectures and 88 poster presentations the event offered a densely packed programme for the experts from industry and research as well as the junior scientists in attendance of the conference. The main focus was to present the first results from the research programme bioeconomy, which was initiated and organised by the state government of Baden- Württemberg and started in 2014. Throughout the programme the scientists are supported across the research topics of biogas, lignocellulose, and microalgae. Additionally, there is a comprehensively organised competence network “Modelling the Bioeconomy” as well as a graduate programme across multiple locations.

The conference offered in particular for the junior scientists a platform to present their research projects in lectures and poster presentations. The topics included the sustainable production of biomass, employing alternative and renewable resources for the production of food and feed, as well as platform chemicals and fuels.

Hülsenfrüchte wie Erbsen und Soja sind dafür bekannt, dass sie eine Symbiose mit Wurzelbakterien pflegen, um an den kostbaren Nährstoff Stickstoff zu gelangen. Die integrierten Stickstofffabriken machen Leguminosen daher zu natürlichen Bodenverbesserern. Unter den Nutzpflanzen sind sie jedoch eine Ausnahme. Bei Getreide oder Mais greifen daher Landwirte meist zu Düngemitteln, um die Nährstoffversorgung zu verbessern.

Neues Unternehmen setzt auf pflanzliches Mikrobiom

Bayer will künftig mithilfe von Mikroben die Stickstoffbindung bei Nutzpflanzen ankurbeln und so einen Beitrag zur Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft leisten. Dafür wird das Leverkusener Unternehmen seine Expertisen künftig mit dem US-Spezialisten für synthetische Biologie Gingko Bioworks bündeln und eine neue Firma gründen, die im Bereich des pflanzlichen Mikrobioms tätig sein wird. Wie Bayer verkündet, umfasst die Mitte September geschlossene Vereinbarung eine Serie-A-Investitionsrunde über 100 Mio. US-Dollar, die durch die Muttergesellschaften beider Firmen sowie Viking Global Investors LP getragen werden. Das neue Unternehmen wird vom Ginkgo-Standort im Bostoner Stadtteil Seaport aus operieren. Die Transaktion wird noch im Herbst dieses Jahres erwartet.

Synthetische Biologie für nachhaltige Landwirtschaft

„Der Einstieg in die Mikrobiom-Forschung ist Teil der Innovationsstrategie von Bayer. Wir bringen dieses Unternehmen an den Start, um auf Grundlage der neuesten Methoden der synthetischen Biologie zukunftsweisende landwirtschaftliche Produkte anbieten zu können“, erklärt Bayer-Vorstandsmitglied Kemal Malik, der im Konzern für Innovation verantwortlich ist. Das neue Unternehmen wird sich mit Technologien zur Verbesserung von pflanzenassoziierten Mikroorganismen befassen, wobei die Stickstofffixierung von besonderem Interesse sein wird. Im Fokus auch: eine Plattform für die Entwicklung in Pflanzen lebender Mikroorganismen, sogenannter endophytischer Mikroben, die auf flexible Weise neuartige agronomische Vorteile wie die Nährstoffbindung bedienen. „Je mehr wir über das im Boden vorkommende Mikrobiom lernen, umso eher können wir neue Wege entdecken, um Landwirten Mehrwert zu bieten und zu ihren biologischen – und damit nachhaltigeren – Ursprüngen zurückkehren“, erklärte Jason Kelly, Mitbegründer und CEO von Ginkgo Bioworks.

Produktion von Stickstoffdünger in Nutzpflanzen ermöglichen

Im Rahmen der neuen Partnerschaft wird das Bostoner Biotech-Unternehmen seine automatisierte Plattform für synthetische Biologie bereitstellen, die in Branchen wie Konsumgüter und Körperpflege, Gesundheit und Medizin sowie Lebensmittel und Landwirtschaft bereits Anwendung findet. Die dritte Generation der Anlage befindet sich noch im Bau, soll aber in dem neu gegründeten Unternehmen in Boston eingesetzt werden, um zukünftig Technologien für den Einsatz in der nachhaltigen Landwirtschaft zu entwickeln. Im Gegenzug erhält Gingko Bioworks exklusiven Zugriff auf die firmeneigenen Mikrobenstämme von Bayer sowie seine gesamte für die Entwicklung erforderliche Expertise. Zudem soll das neue Unternehmen eine eigene Forschungseinrichtung am Bostoner Stammsitz bekommen. „Die Nutzung des pflanzlichen Mikrobioms ist zweifelsohne eine der größten Herausforderungen für die nachhaltige Landwirtschaft. Es wird uns in die Lage versetzen, einen echten Sprung in der Pflanzenphysiologie zu erreichen: die Produktion von Stickstoffdünger direkt in der Pflanze“, so der Leiter des Bayer Life Science Centers Axel Bouchon.

bb

Manche Lebensmittel können glücklich machen. Schokolade beispielsweise hat diesen Ruf. Sie enthält die Aminosäure Tryptophan, aus der das Glückshormon Serotonin im Hirn gebildet wird. Auch mancher Leckerei wird ein gewisses Suchtpotenzial zugesprochen, weil man gerne weiter isst, obwohl man bereits satt ist. Forscher bezeichnen dieses Phänomen als hedonische Nahrungsaufnahme. Auslöser für das gute Gefühl ist hier der Neurotransmitter Dopamin. Das Prinzip: Beim Essen werden Gehirnareale des Belohnungszentrums aktiviert, in denen der Dopamin-D2-Rezeptor zu finden ist.

Virtuelles Wirkstoff-Screening am Computer

Lebensmittelchemiker der Friedrich-Alexander Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg haben gemeinsam mit Kollegen des Computer-Chemie-Centrums der FAU nach speziellen Inhaltsstoffen in Lebensmitteln gesucht, die – analog zum körpereigenen Dopamin – den Dopamin-D2-Rezeptor im Belohnungszentrum aktivieren. Basis der Untersuchung bildete eine Datenbank mit insgesamt 13.000 in Lebensmitteln vorkommenden Molekülen. Diese wurden am Computer einem sogenannten virtuellen Screening unterzogen. Dabei wurde berechnet, welche Moleküle wahrscheinlich mit dem Dopamin-D2-Rezeptor interagieren können. Von den 13.000 Molekülen hatten demnach nur 17 Moleküle ein solches Potenzial, wie die Forscher im Fachjournal „Scientific Report“ berichten.

Bierinhaltsstoff überzeugt im Test

Diese 17 vielversprechenden Inhaltsstoffe wurden dann im Labor mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) und Massenspektrometrie genauer untersucht. Das Ergebnis: Den ersten Platz unter den Auserwählten belegte der Inhaltsstoff Hordenin, der in Gerstenmalz und Bier zu finden ist. „Es ist schon überraschend, dass – ohne dass wir speziell in der Gruppe der Genussmittel gesucht haben – ein Inhaltsstoff von Bier zur Aktivierung des Dopamin-D2-Rezeptors führt“, sagt Lebensmittelchemikerin Monika Pischetsrieder. Ähnlich wie Dopamin aktiviert Hordenin zwar den Dopamin-D2-Rezeptor, aber über einen anderen Signalweg. Der Studie zufolge aktiviert Hordenin diesen Rezeptor über sogenannte G-Proteine statt mit dem Neurotransmitter. Diese alternative Aktivierung könnte zu einem nachhaltigeren Effekt auf das Belohnungszentrum führen.

Derzeit klären die Forscher ab, ob die im Bier enthaltene Menge tatsächlich für eine spürbare Beeinflussung des Belohnungszentrums ausreicht. Erste Ergebnisse deuten aber schon jetzt darauf hin, dass Hordenin zum stimmungssteigernden Effekt von Bier beitragen könnte.

bb

Prozesse und Verfahren sind für die Industrie unverzichtbar. Sie nachhaltiger zu gestalten, ist das Ziel vieler Forschungsanstrengungen in der Biotechnologie. Ziel ist es, statt fossiler Energieträger regenerative Energie- und Rohstoffquellen zu nutzen. Darüber hinaus muss vielfach die Effizienz gesteigert werden – etwa beim Screening vielversprechender Wirkstoffe in der Pharmaindustrie oder im Rahmen der Weiterentwicklung von Fermentationsanlagen.

Die biomimetische Nutzung des Prinzips der „Kompartimentierung“ in technischen Systemen – also räumlich strukturierten Systeme – ist dabei ein neuartiger, vielversprechender Ansatz. „Diese Vorgehensweise hat das Potential, alle Bereiche von der Forschung und Entwicklung bis hin zur Produktion und Prozessanalyse zu revolutionieren“, sagt Michael Köhler, Professor für Mikroreaktionstechnik an der Technischen Universität Ilmenau.

Großer Bedarf an effizienter Produktion in Forschung und Industrie

Mit der sogenannten „kompartimentierten Biotechnologie“ ließen sich die technologischen Vorteile für effiziente biotechnologische Lösungen gezielt nutzen und die Umsetzung neuer biobasierter Produkte beschleunigen. „Es ist davon auszugehen, dass sich Entwicklungszeiten erheblich verkürzen und Produktionsanlagen flexibler gestaltet werden können“, so Köhler und unterstreicht: „Das Prinzip der Kompartimentierung biochemischer Prozessräume ist die wohl wichtigste und universelle Grundlage aller biologischer Raum- und Prozessorganisationsprinzipien. Aus diesem Grund müssen kompartimentierte und räumlich hierarchisch gegliederte Systeme in zukünftigen biotechnischen Verfahren eine weitaus größere Aufmerksamkeit erfahren als bisher.“

Monokulturen sind hierzulande umstritten. Der einseitigen Bewirtschaftung der Felder wird eine Mitschuld am Rückgang von Insekten und zahlreichen Pflanzen gegeben. In Westafrika hingegen zeigte sich, dass die Monokultur auch vorteilhaft sein kann, wie Forscher der Universität Göttingen im Fachjournal „Global Change Biology" berichten. Feldmessungen auf Plantagen in Westafrika ergaben, dass Kakaopflanzen in Monokulturen Trockenheit besser überstehen als Kakaopflanzen, die in Mischkulturen durch Schattenbäume geschützt werden.

Kakaoanbau unter Bäumen

Über 70 Prozent der weltweiten Kakao-Versorgung kommen aus Ghana, Nigeria und von der Elfenbeinküste. Seit dem El Niño Phänomen von 2015/2016 leidet jedoch die gesamte Region unter extremer Trockenheit. Experten gehen zudem davon aus, dass die Region in Zukunft immer häufiger von heftigen Dürren betroffen sein wird. Um die Kakaopflanzen zu schützen galt bisher deren Anbau unter Schattenbäumen als nachhaltige Lösung. Diese sogenannten Kakaoproforstsysteme wurden sogar gefördert, weil sie das Mikroklima verbesserten und deshalb angeblich einen Schutz vor Klimarisiken darstellten. „Anders als oft propagiert reichen die positiven Änderungen des Mikroklimas durch Agroforstwirtschaft unter solchen extremen Wetterbedingungen nicht aus, um genügend Wassernachlieferung zu gewährleisten“, sagt Issaka Abdulai von der Abteilung Tropischer Pflanzenbau und Agrosystem Modellierung (TROPAGS) der Göttinger Fakultät für Agrarwissenschaften.

Weniger Bodenwasser in Trockenphasen

Die Daten der Göttinger Forscher zeigen, dass Kakaopflanzen, die unter Bäumen wachsen, bei Dürre mehr leiden, als bisher angenommen. In der weniger feuchten Region starben die Kakaopflanzen ab, während jene, die in Monokultur wuchsen, die Dürre besser überlebten. Der Grund: Statt die Kakaopflanzen zu schützen, nehmen diese Schattenbäume in extremen Trockenphasen den Kakaopflanzen das dringend benötigte Bodenwasser weg.

Umdenken gefordert

„Angesichts des Klimawandels erfordern diese Ergebnisse ein Umdenken im Management von Kakao in Westafrika“, sagt Reimund Rötter vom TROPAGS, der die Arbeit betreut hat. Die Studie entstand im Rahmen des Projektes „Trade-offs und Synergien bei der Klimawandelanpassung und -minderung in Kaffee- und Kakaosystemen in Ghana und Uganda“, das vom Bundesministerium für Zusammenarbeit und Entwicklung gefördert wird.

bb

Die bioelektrochemische Synthese scheint der Schlüssel für eine effektive Nutzung von biologischen Abfallstoffen zur Chemikalienherstellung und Energiespeicherung zu sein. Darauf deuten vielversprechende Experimente von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Universität Tübingen, der amerikanischen Cornell University und des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ). Erforscht wurde die neuartige Kombi-Methode von einem Team um den Leipziger Helmholtz-Forscher und Chemiker Falk Harnisch. Dabei wurde Mais zur der Bioethanolherstellung sowohl mikrobiologisch als auch elektrochemisch verarbeitet. Das neue Verfahren bietet die Möglichkeit, Stoffkreisläufe zu schließen und gleichzeitig biologische Abfallprodukte und Überschussstrom zu nutzen.

Kraftstoff aus integrierter Biomassenutzung

„Durch die Kombination von mikrobieller und elektrochemischer Stoffumwandlung könnten zukünftig Bioelektroraffinerien entstehen, die Kraftstoffe, Energie und Chemikalien durch integrierte Biomassenutzung produzieren“, erklärt Harnisch. Das neue System der Stoffumwandlung hatten die Forscher an „Corn beer“, also „Maisbier“ getestet, wie sie im Fachjournal „Energy & Environmental Science“ berichten. Dieser Reststoff fällt bei der Bioethanolherstellung aus Mais an.

Biologische Abfallprodukte nutzen

Der Studie zufolge gelang es, einen Teil der Biomasse in Alkane mit hoher Energiedichte und dieselähnlichen Eigenschaften zu überführen. Alkane sind Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Ethan, Propan und Butan, die in Brenn- und Treibstoffen vorhanden sind. Im Labor erzielte das Team aus dem Bioethanolabfallprodukt „Maisbier“ im Laufe des kombinierten mikrobiologisch-elektrochemischen Prozesses eine Biomasse-/Kraftstoffausbeute von 50% in Form des dieselähnlichen Kraftstoffs. „Mit dem ‚corn beer’ haben wir in diesem Experiment einen relativ hochwertigen Ausgangsstoff genutzt. Weiterführende Versuche zeigen uns jedoch deutlich, welch’ großes Potenzial in dem Verfahren steckt – sowohl im Hinblick auf die mögliche Vielfalt der Ausgangsstoffe und der erhaltenen Produkte als auch den gekoppelten Ablauf von Mikrobiologie und Elektrochemie“, erklärt Mitautor Lars Angenent von der Universität Tübingen.

Fossil resources are becoming scarce and their use is a burden on the environment. Therefore new technologies to replace these resources are needed. Part of the replacement can be achieved by employing electrical power production based on renewable resources, such as wind and solar energy. Additionally, renewable feedstocks and waste streams have to be considered as valuable precursors for the production of commodities and fuels.

Building a bridge between both factors means linking the conversion of electric energy - especially from local peak productions - to chemical energy carriers and commodities. Researchers in a consortium led by Falk Harnisch from the Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) have now shown that this bridge can be build.

Bioelectrorefineries integrate biomass conversion to produce fuels

Together with collegues from the University of Tübingen, Cornell University, and Deutsche Biomasseforschungszentrum (DBFZ) they demonstrated that the combination of microbial and electrochemical conversion of biomass can yield valuable products. Using corn beer and corn silage as a proof-of-principle the researchers have gained energy-dense alkanes with diesel-fuel like properties at high carbon and energetic yield. Their results are published in the journal Energy & Environmental Science.

"Using combined microbial and electrochemical conversions can lead to facilities that we can denominate as a bioelectrorefinery. Thereby, bioelectrorefineries integrate biomass conversion processes and equipment to produce fuels, power, and chemicals from biomass, and are based on the combination of microbial and electrochemical conversions", Harnisch summarises their plan. In their research paper the proof-of-concept is given that biomass can be converted into chemicals with fuel-like properties. The study reached a 50% yield when considering the full process line and using corn beer as feedstock. As Lars Angenent from the University of Tübingen explains, although this study employed corn beer, which is a valuable biomass source, follow-up studies have already replaced this with true waste streams for production of the intermediate carboxylate in order to push carbon recovery from waste materials forward.

Conversion fuel as an electricity storage

Harnisch stressed that this study will be only a first step: "We have now shown the feasibility of such a process line at lab scale. The challenge is to improve every single process step and to perform a scale-up in order to allow realization at the technical scale.” Harnisch continues that he sees great potential for process lines to convert and subsequently gain other products when seizing the power of combined microbial and electrochemical conversions. Tübingen-based researcher Angenent adds that there may be an even more important aspect of this study. According to him, the products from the continuous microbial conversion could be quickly converted to real fuel with the intermittent and much faster electrochemical conversion. In times of surplus electricity this fuel could then act as electricity storage.

jmr

Pflanzen und Algen sind natürliche Luftfilter. Ihr Talent, durch die Photosynthese Kohlendioxid zu speichern, macht sie zu entscheidenden Kandidaten, um globaler Erderwärmung und den Folgen des Klimawandels zu begegnen. Etwa die Hälfte der auf der Erde stattfindenden Photosynthese erfolgt allein durch im Ozean lebende, einzellige Algen. Ihre Fähigkeit, das Treibhausgas zu fixieren, ist um ein Wesentliches besser als bei Landpflanzen. Der Grund: Sie besitzen ein Mikrokompartiment, das Pyrenoid, in dem sie das Kohlendioxid konzentrieren.

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Princeton, der Carnegie Institution for Science, der Universität Stanford und des Max-Planck-Instituts für Biochemie haben nun herausgefunden, wie dieses Photosynthese-Organell bei der einzelligen Grünalge Chlamydomonas funktioniert. Mit diesem Wissen könnte man zukünftig auch die Photosynthese bei Nutzpflanzen wie Weizen oder Reis ankurbeln und sie zu effektiveren Kohlendioxid-Fixierern machen.

Molekularer Klebstoff stützt Kohlendioxid-Bindung

Die Grundlage dafür haben die Arbeitsgruppen in den USA gelegt. Sie konnten kürzlich in der Grünalge ein Linkerprotein als molekularen Klebstoff identifizieren, der innerhalb des Pyrenoids Rubisco-Enzyme aneinanderbindet und so dem Mikrokompartiment die Fähigkeit verleiht, Kohlendioxide effektiv zu fixieren. Die Rubisco ist das Schlüsselenzym für die CO₂-Fixierung. Bisher war aber nicht bekannt, wie diese Rubisco-Proteine in dem Pyrenoid organisiert sind. Diese Frage konnten nun erstmals Wissenschaftler um Benjamin Engel vom Max-Planck-Institut für Biochemie im Rahmen der Studie beantworten.

Struktur der Pyrenoide flüssig statt kristallin

Wie das Team im Fachjournal „Cell" berichtet, gelang es mittels Kryoelektronentomographie, die molekulare Organisation des Pyrenoids in Chlamydomonas-Zellen aufzudecken. Mithilfe dieses hochauflösenden Bildgebungsverfahrens ließ sich messen, wo im Pyrenoid sich die Rubisco-Enzyme befinden. Dabei stellten sie fest, dass das Pyrenoid eine flüssige und nicht etwa eine kristalline Struktur aufweist, wie bisher angenommen. „Vergleicht man unsere Messungen mit der Organisation von Molekülen in Flüssigkeiten finden sich deutliche Ähnlichkeiten. Das deutet darauf hin, dass Pyrenoide in Wirklichkeit flüssigkeitsartige Strukturen sind“, sagt Engel.

Elizabeth Freeman Rosenzweig von der Universität Stanford lieferte in der Studie schließlich mithilfe von fluoreszenzspektroskopische Messungen den Beweis, dass sich das Pyrenoid wie eine Flüssigkeit verhält, in dem sie die Bewegungen von Rubisco innerhalb lebender Zellen erfasste. Der Studie zufolge handelt es sich bei dem Pyrenoid um ein flüssiges Mikrokompartiment, das in einem zweiten großen Flüssigkeitskompartiment, dem Chloroplasten, hin und her schwimmt. Der hier beschriebene Prozess wird als Phasentrennung bezeichnet und gilt als ein physikalisches Phänomen, das eine Rolle bei der Kompartimentbildung vieler Zellproteine spielt. Die Phasentrennung ist hier vergleichbar mit dem Vermischen von Öl und Essig. „Beides sind Flüssigkeiten, aber sie vermischen sich nicht. Der Essig bildet stattdessen Tröpfchen, die in dem Öl schwimmen. Genauso bildet unserer Ansicht nach das Pyrenoid ein Tröpfchen innerhalb der flüssigen Umgebung des Chloroplasten“,  erläutert Freeman Rosenzweig das Prinzip.

Tochterzellen können Pyrenoide aufnehmen

Freeman Rosenzweig entdeckte auch, dass sich zu einem speziellen Zeitpunkt das „Öl” des Chloroplasten-Stromas und der „Essig“ des Pyrenoids doch mischen. Die Forscher beobachteten, dass Zellen, auf die kein Pyrenoid übergeht, dieses dennoch spontan herstellen können. Sie vermuten, dass jede Tochterzelle einen Teil der gelösten Pyrenoidkomponenten aufnimmt und sich diese in ähnlicher Weise zu einem neuen Pyrenoid zusammenschließen können. „Wir denken, dass die Auflösung des Pyrenoids vor und seine Kondensation nach der Zellteilung einen redundanten Mechanismus darstellen könnten, der gewährleistet, dass beide Tochterzellen Pyrenoide aufnehmen. Auf diese Weise verfügen beide Zellen über diese wichtige Organelle, die für die Kohlenstoffaufnahme entscheidend ist“, betont Martin Jonikas von der Stanford University.

Pyrenoide in Kulturpflanzen einbringen

Das Wissen um die Struktur der Mikrokompartimente in Algen ist ein entscheidender Schritt, um die Photosynthese bei Pflanzen zu verbessern. Die Arbeitsgruppe um Jonikas will nun versuchen, Pyrenoide auf technischen Weg in Feldfrüchte wie Weizen und Reis einbringen. „Wenn wir andere Kulturpflanzen technisch so verändern könnten, Kohlenstoff zu konzentrieren, wäre dies eine Möglichkeit, dem weltweit wachsenden Bedarf an Nahrungsmitteln zu begegnen“, erklärt Jonikas.

bb

Global warming and climate change are driven by greenhouse gasses such as carbon dioxide. During photosynthesis, plants and algae act as natural air filters, removing carbon dioxide from the atmosphere and replacing it with oxygen. About half of the photosynthesis on Earth is performed in the ocean by single-celled algae. Plants and algae both use the enzyme Rubisco to bind carbon dioxide. However, a specific mechanism allows many algae to fix carbon dioxide more efficiently than land plants: most of their Rubisco is concentrated in a microcompartment called pyrenoid. Combining several state-of-the-art techniques, an international team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Planck Institute of Biochemistry have uncovered that the pyrenoid behaves like a droplet of liquid, which dissolves during cell division to ensure that it is inherited by both daughter cells. The team published their results in the journal “Cell”.

A liquid-like structure

In a first step Martin Jonikas, leader of the Carnegie/Stanford and Princeton groups, and his team found the “glue” that forms the pyrenoid: a linker protein that binds Rubisco enzymes and the pyrenoid. However, it was still not known how the Rubisco proteins are organized within the pyrenoid. To answer this question, the team lead by Benjamin Engel at the Max Planck Institute of Biochemistry used a high-resolution imaging technique, which enabled them to precisely measure the positions of the thousands of Rubisco enzymes within the pyrenoid: Instead of the expected solid crystalline organization, they found only a short-range order for the pyrenoid. Engel explains: "If you compare our measurements to the organization of molecules inside liquids, there are very clear similarities. This suggests that pyrenoids are actually liquid-like structures."

Like oil and vinegar

Using fluorescence microscopy to measure Rubisco movements, Elizabeth Freeman Rosenzweig was able to show that the enzymes move around as they would in liquid. Thus, the pyrenoid is a liquid microcompartment floating within a second larger liquid compartment, the chloroplast. Rosenzweig explains the principle: “Think of oil and vinegar: they are both liquids, but they don’t mix. The vinegar instead forms droplets that float in the pool of oil. Similarly, we think the pyrenoid forms a droplet within the liquid environment of the chloroplast.”

Rosenzweig also discovered that during cell division, the pyrenoid undergoes a “phase transition,” partially dissolving into the surrounding stroma of the chloroplast. Ordinarily, the remaining pyrenoid is pinched into two, with each daughter cell receiving half. However, even cells that failed to receive half of the pyrenoid could still form one spontaneously. They researcher suspect that each daughter cell receives some of the dissolved pyrenoid components, and that these components can condense into a new pyrenoid.

Future plants could counteract global warming and world hunger

In the future, Jonikas and his team plan to engineer pyrenoids into crops such as wheat and rice to address problems including climate change and world hunger. “Understanding how algae can concentrate carbon dioxide is a key step toward the goal of improving photosynthesis in other plants”, Jonikas said. “If we could engineer other crops to concentrate carbon, we could address the growing world demand for food.”

jmr

Sojakuchen ist das wichtigste Futtermittel im ökologischen Landbau. Sein Anteil im Standardfuttermittel beträgt zwischen 20 und 30%. Doch unbehandelt ist die eiweißhaltige Kost für die meisten Tiere nur schwer verdaulich. Denn Hülsenfrüchte (Leguminosen), zu denen die Sojabohnen gehören, enthalten sogenannte antinutritive Substanzen, die negativ auf die Verdauung wirken und die Leistung von Nutztiere beeinträchtigen können. Deshalb werden Sojabohnen vor der Verfütterung an Schweine oder Hühner in sogenannten Toast-Anlagen thermisch behandelt.

Alternative zu Sojaeinsatz im Ökolandbau

Eine Studie der Universität Halle-Wittenberg zeigt nun, dass ein Mix aus verschiedenen Hülsenfrüchten nicht nur besser verdaulich wäre, sondern auch 50% des Sojafutters in der Geflügelhaltung ersetzen könnte. Diese Einsparungen wären sogar ohne die sonst notwendige thermische Aufbreitung der Hülsenfrüchte möglich. Damit könnte der Leguminosenmix eine Alternative für Ökolandwirte sein, die auf importiertes Soja verzichten möchten. Die Studie wurde drei Jahre durch das Bundesprogramm „Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft (BÖLN)“ vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

Im Fokus der Forscher standen zwei Futtermittel für Broiler, Puten und Legehennen, die vom Projektpartner Börde-Kraftkorn-Service GmbH in Sachsen-Anhalt entwickelt wurden. Die beiden Leguminosengemische enthielten jeweils zu gleichen Teilen geschrotete Süßlupinen, Ackerbohnen und Futtererbsen. Einziger Unterschied: Beim Produkt LEGUMI-therm wurde die Mischung zusätzlich bei 145 Grad Celsius getoastet, um den Anteil der unverdaulicher Bestandteile zu verringern. Bei dem anderen Futtermittel, LEGUMI-mix, fand keine Hitzebehandlung statt.

Einsatz von Sojafutter halbiert

Der Vergleich ergab: Bezüglich der umsetzbaren Energie und der Verdaulichkeit des Rohproteins zeigten beide Futtermittel keine gravierenden Unterschiede. Die getoastete Kost war jedoch tendenziell etwas besser verdaulich, vor allem bezüglich der organischen Substanzen. Die Forscher gehen zudem davon aus, dass durch das spezielle Toastverfahren weder das Rohprotein noch die Aminosäuren geschädigt werden. Die Futtermittel konnten im Test jeweils mit einem Anteil von bis zu 20% beziehungsweise bis zu 30% bei Puten eingesetzt werden, ohne dass Leistungseinbußen der Tiere auftraten. Insgesamt konnten bei der Fütterung von Broiler, Pute und Legehenne durch den Leguminosenmix die Hälfte der üblichen Sojamengen eingespart werden.

Vorteile für ökologische Geflügelhaltung

Ein Vergleich mit dem sojahaltigen Standartfuttermittel zeigte auch finanzielle Vorteile: Für das ungetoastete Futtermittel errechneten die Forscher eine Ersparnis von knapp 90 Cent pro Doppelzentner für den Einsatz im Ökolandbau und 1,25 Euro in der konventionellen Fütterung. Die getoastete Variante wäre hingegen pro Doppelzentner um 83 Cent respektive 75 Cent teurer als die Sojavariante. Die Forscher sind nach der Vergleichsstudie überzeugt, dass ein Gemisch verschiedener Leguminosen im Vergleich zur Verfütterung einzelner Hülsenfrüchte deutliche Vorteile bringt, da eine ungünstige Nährstoffzusammensetzung einzelner Körnerleguminosen ausgeglichen werden kann. Solch ein Mix wäre zudem auch als Futtermittel für Kühe und Schweine geeignet.

bb

Trinkwasser ist ein Naturprodukt und wird zu 80 Prozent aus Grund- und Quellwasser gewonnen. An die Qualität des Trinkwassers werden hohe Anforderungen gestellt. Feinmaschige Analysen geben Auskunft über die Wasserqualität und verraten, ob die Infrastruktur der Wasserversorgung einwandfrei funktioniert. Für die Wasserbetriebe wird es zudem immer wichtiger, die eigenen Wassereinzugsgebiete genau zu kennen, um darin etwa Schutzgebiete exakt definieren und abgrenzen zu können. Die neue EU-Trinkwasserrichtlinie setzt zudem auf die Risikobewertung der Fördergebiete. Hierfür müssen geeignete Messmethoden zur Verfügung stehen.

Wasserbewohner als Indikatoren

Äußerst aufschlussreich für solche hydrologischen Fragestellungen und Umweltbewertungen sind biologische Indikatoren: denn Trinkwasserversorgungsanlagen – vom Brunnen über die Wasserwerke bis hin zu den Leitungen – sind von einer artenreichen Tierwelt besiedelt. Während einige Arten zur natürlichen Grundausstattung gehören, sind andere Tiere hingegen unerwünscht. Zu den problematischen Arten gehört die Wasserassel Asellus aquaticus, die insbesondere in Nord- und Westeuropas weit verbreitet ist. Mancherorts können sich die kleinen Krebstiere massenhaft ausbreiten – sie sind weniger ein hygienisches denn ein ästhetisches Problem. Ihre Bekämpfung ist mühsam, aufwendig und oft nicht von langer Dauer.

Genetischer Fingerabdruck erlaubt Herkunftsanalyse

Um dem Verbreitungsmuster der Asseln im Detail auf die Spur zu kommen, haben Experten vom Institut für Grundwasserökologie IGÖ GmbH an der Universität Koblenz-Landau ein Testverfahren entwickelt, das wie ein genetischer Fingerabdruck funktioniert. Mit dem sogenannten StygoTracing lassen sich die Herkunft und die Abstammungsverhältnisse der Asseln per DNA-Check analysieren.

Jedes einzelne Tier wird zu einem biologischen Tracer, mit dem sich ein klares Bild über die Herkunft und die Verwandtschaftsbeziehungen verschiedener Wasserasselpopulationen gewinnen lässt. Darüber hinaus lassen sich so auch Erkenntnisse zum Fließverhalten von Wasser und den Zusammenhängen von unterirdischen Wassersystemen gewinnen. „Am Beispiel der Wasserassel hat unser Test hervorragend funktioniert“, sagt IGÖ-Geschäftsführer Hans Jürgen Hahn.

Dienstleistung für die Wasserwirtschaft

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt die Forscher seit 2014 bei der Entwicklung des molekularbiologischen Tests im Rahmen der Förderinitiative „KMU-innovativ: Biotechnologie“ mit 580.000 Euro. Der DNA-Test legt die Grundlage für effizientere, zielgerichtete und kostengünstige Bekämpfungsstrategien im Umgang mit der Wasserassel in Trinkwassernetzen. Das IGÖ bietet den DNA-Check für die Wasserfauna als Dienstleistung für die Wasserwirtschaft und die akademische Forschung an und sieht sich als Pionier: „Weltweit zählen wir zu den ersten, die ein solches Testsystem in die Anwendung gebracht haben“, betont Hahn.

Mikrokosmos Grundwasser ergründen

In einem weiteren KMU-innovativ-Projekt geht es nun darum, das Stygotracing auf weitere Tierarten des Grundwassers und des Oberflächenwassers auszuweiten. „Das Grundwasser ist noch ein weitgehend unerforschter Mikrokosmos“, sagt Hahn. Bundesweit wurden derweil sechs Pilotregionen identifiziert. Mittlerweile haben sich drei Arten herauskristallisiert, die die Forscher als biologische „Tracerorganismen“ weiter untersuchen wollen. Wie Hahn berichtet, ist den Forschern bei den Außeneinsätzen im Freiland dabei als Nebeneffekt sogar eine neue Tierart ins Netz gegangen, die in der Literatur noch nicht beschrieben ist. Damit liefert die angewandte Forschung an Testmethoden für die Wasserwirtschaft sogar relevantes Grundlagenwissen zur Biodiversität im Ökosystem Wasser.

Autor: Philipp Graf

Drinking water is a natural product and is comprised of around 80% groundwater and spring water. Not surprisingly, the quality requirements for drinking water are extremely high. To this end, intricate analyses provide information on water quality and reveal whether the infrastructure of the water system is in proper working order. For water utility companies, it is also becoming increasingly important to maintain precise knowledge of their water catchment areas so that the respective protected areas can be exactly defined and demarcated. Moreover, the new EU Drinking Water Directive emphasises risk assessments for funded regions, which necessitates corresponding and appropriate methods of measurement.

Water dwellers as indicators

Because drinking water supply systems, from wells to waterworks to pipelines, are populated by a huge variety of wildlife, biological indicators can be extremely informative for these types of hydrological questions and environmental assessments. While some of these count as naturally occurring, others are less desirable and problematic, including the crustacean Asellus aquaticus, which is widespread in northern and western Europe. In some areas, these tiny creatures propagate rapidly and broadly, although they ultimately pose more of an aesthetic than a hygienic problem. Nevertheless, combating this issue is a painstaking, complex and sometimes prolonged process.

Genetic fingerprint enables an analysis of origin

To gain a more detailed understanding of the propagation patterns of these water lice, experts working at the Institute for Groundwater Ecology IGÖ GmbH at the University of Koblenz-Landau have developed a testing procedure that functions not unlike a form of genetic fingerprinting. In this ‘StygoTracing’ process, the origins and the genealogy of the lice can be analysed by means of a DNA check.

Thereby, every creature becomes a biological tracer, thus giving a clear picture of the origins and relationships of different water lice populations. The testing method also provides insights into the flow characteristics of water and the interrelationships between underground water systems. “Using the example of water lice, our test worked perfectly,” says IGÖ head Hans Jürgen Hahn.

A service for the water sector

Since 2014, within the framework of the ‘SME Innovative: Biotechnology’ initiative, the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) has provided funding of 580,000 euros for the development of the molecular biology test. The DNA test lays the groundwork for more efficient, targeted and cost-effective control strategies for dealing with water lice drinking water systems. Today, the IGÖ offers the aquatic fauna DNA check as a service for the water sector and academic research. Thereby, it sees itself as something of a pioneer: “Worldwide, we are among the first to use this kind of test system,” says an emphatic Hahn.

Exploring the microcosms of groundwater

Now, a different ‘SME Innovative’ project is occupied with expanding the StygoTracing process to other animal species in groundwater and surface water. “The groundwater remains a largely unexplored microcosm,” says Hahn. At this time, six pilot regions have been identified across Germany, and three species have moved into the focus of the researchers as biological ‘tracer organisms’ that are worthy of further investigation. As Hahn reports, during the course of the field work, a new species that is not yet described in the literature turned up in the nets of the researchers, meaning that the applied research into testing methods for water management is even providing relevant basic knowledge on biodiversity in the water ecosystem.