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Der Erhalt der biologischen Artenvielfalt ist ein Grundpfeiler der Ökosysteme. Gerade für die Landwirtschaft ist sie essenziell. Doch die konventionelle Agrarwirtschaft gilt auch als einer der Auslöser für den Rückgang der Biodiversität. Warum greifen Biodiversitätsmaßnahmen in der Landwirtschaft so schlecht und was muss getan werden, damit es sich ändert? Forscher vom Thünen-Institut für Ländliche Räume haben nach Antworten gesucht und bundesweit insgesamt 44 Landwirte und landwirtschaftliche Berater zu Hemmnissen und Verbesserungsmöglichkeiten bei der Umsetzung von Biodiversitätsmaßnahmen befragt.

Das Ergebnis stellten die Forscher im September gemeinsam mit der Michael Otto Stiftung für Umweltschutz und dem Deutschen Bauernverband in Berlin vor. Die 65 Seiten umfassende FRANZ-Studie mit dem Titel „Hindernisse und Perspektiven für mehr Biodiversität in der Agrarlandschaft“ ist ein „Meinungsbild, dass die Praxis widerspiegelt", sagte Jochen Flasbarth, Staatssekretät im Bundesumweltministerium bei der Präsentation der Studie. Sie zeigt sowohl bestehende Hürden auf, benennt aber auch Maßnahmen, die mehr Biodiversität in der Agrarwirtschaft fördern würden.

Maßnahmen an regionale Bedingungen anpassen

„Die Befragung hat gezeigt, dass sowohl harte Faktoren wie die Wirtschaftlichkeit als auch weiche Faktoren wie das Image über die Umsetzung von Maßnahmen entscheiden. Um eine bessere Akzeptanz zu erreichen, müssten die Maßnahmen flexibler an regionale Ansprüche angepasst werden“, erklärt Thomas Schmidt vom Thünen-Institut. Optimierungsbedürftig ist demnach auch sowohl die Kommunikation innerhalb der Landwirtschaft als auch in der Gesellschaft. „Auch eine Veränderung der Rahmenbedingungen ist notwendig, damit mehr Biodiversitätsmaßnahmen in der intensiven Landwirtschaft umgesetzt werden“, so der Geschäftsführer der Michael Otto Stiftung, Stephan Zirpel.

Bürokratie darf Maßnahmen der Landwirte nicht ausbremsen

Der Generalsekretär des Deutschen Bauernverbandes, Bernhard Krüsken, plädiert dafür, vorhandene Instrumentarien optimal zu nutzen. Sein Appell an die Politik:  „Das Engagement der Landwirte für mehr Biodiversität darf nicht durch Bürokratie, starre Vorgaben, unklare Perspektiven und eine zu geringe Honorierung der Naturschutzleistungen ausgebremst werden.“

Chitosan ist ein wichtiger industrieller Rohstoff. Das aus Chitin gewonnene Biopolymer ist wegen seiner strukturgebenden und biokompatiblen Eigenschaften nicht nur für Medizin­produkte bestens geeignet. Er wird aber auch zur Herstellung von Fasern, Schaumstoffen oder Folien genutzt. Bisher wurde der Rohstoff meist aus Krabbenschalen gewonnen. Im EU-Projekt „Nano3Bio“ hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) nun die Grundlage für die biotechnologische Herstellung dieses wichtigen Rohstoffs gelegt. Das Vorhaben wurde von der Europäischen Kommission in den vergangenen vier Jahren mit rund zehn Mio. Euro gefördert.

„Wir haben in wichtigen Bereichen den Durchbruch von der Grundlagenforschung hin zur Anwendung in biotechnologischen Verfahren erreicht oder vorbereitet", so das Fazit von Bruno Moerschbacher vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der WWU. Die Ergebnisse wurden im September beim Abschlusstreffen der Forscher in Indien präsentiert.

Einsatzfeld für Chitosan erweitert

So entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Herstellung von Chitosanen mit eindeutig definierten Strukturen, sodass ein passgenauer Einsatz des Rohstoffs möglich ist. Auch gelang es ihnen erstmals, das Biopolymer aus Algen zu erzeugen. Erfolge gibt es zudem auch für die Krebstherapie zu vermelden. Hier ebneten sie den Weg dafür, dass sich Medikamente durch Chitosane gezielt in Tumorzellen schleusen lassen. Zugleich identifizierten sie Gene von Bakterien, Pilzen und Algen, die für die biotechnologische Erzeugung von Chitosanen maßgeblich sind. Damit ist der Grundstein gelegt, um aus dem Rohstoff Chitin nicht nur passende Chitosane für vielfältige Anwendungen, sondern auch einen qualitativ hochwertigen Rohstoff herzustellen.

Rohstoffe ersetzen

Moerschbacher ist überzeugt, dass die Arbeit des Teams zukunfsweisend ist. „Schließlich werden erneuerbare Ressourcen immer wichtiger, da viele fossile Rohstoffe zur Neige gehen und durch ihren Abbau oder ihre Nutzung erhebliche Umweltschäden verursachen. Biotechnologisch hergestellte Stoffe werden also in absehbarer Zeit viele bisherige Rohstoffe ersetzen müssen."

bb

Ein internationales Forschungsteam, darunter Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben, hat die Genomsequenz der Perlhirse im Fachjournal „Nature Biotechnology“ veröffentlicht. Die Perlhirse ist eine besonders dürrertolerante Getreidepflanze und eine der Hauptnahrungsquellen in den trockenen Gebieten Afrikas und Asiens. Ihre Genomsequenz könnte eine wichtige Ressource für Züchter darstellen, um Kulturpflanzen für die Anforderungen des Klimawandels anzupassen.

Gut gewappnet gegen Dürre

Die Perlhirse (Pennisetum glaucum (L.) R. Br., syn. Cenchrus americanus (L.) Morrone) weist einige Besonderheiten auf: Sie wächst auch unter sehr trockenen, heißen klimatischen Bedingungen und kann selbst auf nährstoffarmen Böden erfolgreich angebaut werden. Zwar kann ihr Ernteertrag nicht mit den weltweit wichtigsten Nutzpflanzen Mais, Reis und Weizen mithalten, doch aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit ist sie ein Grundnahrungsmittel für die Bevölkerung arider und semiarider Gebiete Asiens und Afrikas. Die globale Erwärmung wird in den nächsten Jahren immer mehr Gebiete austrocknen lassen. Darum ist es besonders wichtig, den genetischen Ursachen der Widerstandsfähigkeit ausgewählter Pflanzen auf den Grund zu gehen, um diese künftig auf bisher empfindlichere Pflanzen übertragen zu können.

Fast 1000 Hirse-Genome wurden sequenziert

„Trotz ihrer landwirtschaftlichen Bedeutung in einigen Regionen der Welt ist die Perlhirse vergleichsweise ertragsarm und damit wenig interessant für den modernen Landbau“, erklärt Yusheng Zhao, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Quantitative Genetik am IPK in Gatersleben. „Um ihre besonderen Qualitäten zukünftig züchterisch erschließen zu können, wurde gemeinsam mit Kooperationspartnern in Amerika, Asien und anderen europäischen Ländern das Genom einer Perlhirsensorte sequenziert und weitere fast 1000 verschiedenen Hirse-Genotypen resequenziert, um einerseits Einblicke in die genetische Struktur und Vielfalt dieser Kulturart sowie deren Entstehungsgeschichte zu erhalten und anderseits Werkzeuge für deren züchterische Verbesserung zu entwickeln.“

Die Studienergebnisse der Forscher geben so Aufschluss über die genetischen Hintergründe verschiedener landwirtschaftlich interessanter Eigenschaften, wie der besonderen Trocken- und Hitzetoleranz der Perlhirse. Dieses Wissen könnte angesichts des dringenden Bedarfs an trocken- und hitzetoleranten Kultupflanzen auch für die Verbesserung anderer Arten genutzt werden. 

jmr

An international consortium including scientists from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben has published the genome sequence of the pearl millet, a drought resistant crop plant that is one of the main food sources in arid and semi-arid areas. The genome sequence was published in the journal “Nature Biotechnology”.

A drought-resistant food plant

The pearl millet (Cenchrus americanus 72 (L.) Morrone synonymous for Pennisetum glaucum) is a major food plant in arid and semi-arid regions of Africa, India and Asia. It is extremely drought-resistant and thus important to small and medium farmers who grow the plant without larger irrigation systems. Even under adverse drought and heat conditions, when rice, maize or wheat provide no more harvest yields, the pearl millet still delivers a good harvest index. Given global warming, increasing drought issues, and nutrient-depleted farmland, plants that survive these circumstances and still provide a good harvest yield are of ever growing importance. The specific genetic make-up of such resistant plants could provide solutions to improve the drought resistance of other plants as well.

Genome sequence holds the key

Although the high resistance against drought stress of the pearl millet is well-known, the molecular mechanisms underlying this are far from understood. "The first steps to elucidate molecular mechanisms in any organism from plants to animals to microbes is to sequence and analyze their genome, proteome and metabolome", says systems biologist Wolfram Weckwerth, head of the Department of Ecogenomics and Systems Biology and Chair of the Vienna Metabolomics Center of the University of Vienna.

Comparing genomes to find the solution

In addition to the genome of the pearl millet, the consortium also sequenced 994 further breeding lines and wildtypes to reveal molecular properties that underlie the drought resistance mechanisms on a genome basis. "Furthermore, this study provides the basis for marker-selected breeding studies", says the coordinator of the genome project Rajeev Varshney.

In the future the researchers aim to use their newfound genetic knowledge of drought resistance to improve the resilience of major food plants such as rice, maize or wheat.

jmr

„Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) ist der Weg zu einer besseren Zukunft für alle“, schreibt UNESCO-Generalsekretärin Irina Bokova in der von der UN verfassten Roadmap zur Umsetzung des Weltaktionsprogramms „Bildung für nachhaltige Entwicklung“. Das 44 Seiten umfassende Dokument enthält die Nachhaltigkeitsziele sowie die wichtigsten Handlungsfelder, um diese in der beruflichen Bildung auf nationaler Ebene zu verwirklichen. Mit dem Förderschwerpunkt „Berufsbildung für nachhaltige Entwicklung (BBnE)“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) einen nationalen Aktionsplan vorgelegt.

Mehr Geld für nachhaltige Bildung im Lebensmittelbereich

Im Rahmen der dritten Förderrunde (2015-2019) werden zur Umsetzung des Weltaktionsprogramms seit Frühjahr 2016 bereits zwölf Modellversuche mit insgesamt 6 Mio. Euro durch das BMBF gefördert. Nun wurde das Budget zur Förderung zusätzlicher Maßnahmen um weitere 3 Mio. Euro aufgestockt. Im Fokus der Förderung stehen nachhaltigkeitsorientierte Konzepte für die berufliche Bildung in Lebensmittelhandwerk und -industrie. Dazu zählen insbesondere Berufe wie Bäcker, Fleischer, Mälzer, Süßwaren- und Milchtechnologen aber auch Chemiker.

Verbraucher achten zunehmend auf faire und nachhaltig produzierte Waren. Beschäftigte im Lebensmittelbereich müssen daher in der Lage sein, nachhaltigkeitsrelevante Aspekte der Wertschöpfungskette zu erkennen und zu bewerten, um nachhaltige Alternativen erkennen und diese den Kunden und Auftraggebern vermitteln zu können. Dafür ist das Wissen über soziale Bedingungen in der Rohstoffgewinnung sowie umwelt- und ressourcenschonende Herstellungsverfahren genauso wichtig, wie Kenntnisse zu den Transportwegen der Zutaten, deren gesundheitliche Verträglichkeit oder mögliche Abfallreduzierung. Diese Kenntnisse sollen Beschäftigte im Lebensmittelbereich bereits über die berufliche Aus- und Weiterbildung vermittelt bekommen. „Um eine gerechtere, friedlichere und nachhaltigere Welt zu erschaffen, brauchen wir alle mehr Wissen, Kompetenzen und verbindende Werte sowie ein stärkeres Bewusstsein für die Notwendigkeit einer solchen Veränderung“, betont UNESCO-Generalsekretärin Bokova.

Wir trinken es, bewässern die Feldern damit oder nutzen es als Kühl- oder Lösungsmittel: Grundwasser. Das riesige Wasserreservoir unter unseren Füssen ist lebensnotwendig und seine Nutzung für uns Menschen selbstverständlich. Für den Grundwasserökologen Christian Griebler ist das unsichtbare Wasser weit mehr als nur ein Rohstoff. „Das Grundwasser ist nur deshalb so sauber, weil die ganze Biologie drin ist und das reinigt. Dieser Untergrund ist voll von Mikroorganismen und Krebsen, Würmer, Milben, die dort Kohlenstoff und Nährstoffe umsetzen.“ Grundwasser ist daher wie Boden, Wald, Seen oder das Meer ein Ökosystem mit vielfältigen Lebensgemeinschaften, das zudem wertvolle Dienstleistungen für andere Ökosysteme und für uns Menschen erbringt.

Bewusstsein für Grundwasserökosystem schärfen

Als kommissarischer Leiter des Instituts für Grundwasserökologie am Helmholtz-Zentrum München will der gebürtige Österreicher dem unterirdischen Weltmeer zu mehr Präsenz verhelfen. Sein Ziel: Das gesellschaftliche Bewusstsein für ein Ökosystem schärfen, dass abseits der umsorgten Oberflächengewässer noch immer ein Schattendasein führt.

Das Interesse zur Biologie wurde bei Griebler bereits früh geweckt. In Pfarrkirchen bei Bad Hall in Oberösterreich geboren und aufgewachsen waren es zunächst die Insekten die seine Leidenschaft prägten. Ein Studium der Biologie war naheliegend, konkurrierte aber zeitweise mit seinem Interesse zur Malerei. „Naturwissenschaften, Biologie oder Forschung hat ja auch viel mit Kreativität zu tun. Die Malerei habe ich ausprobiert, mit dem Wissen, die Chance ist gering. Und als das nicht funktionierte, habe ich eben Biologie weitergemacht“, berichtet der heute 47-Jährige.

Begeisterung für ein "exotisches" Thema

Vor allem die Exkursionen ins Donaudelta begeisterten den Insektenliebhaber während seines Studiums von 1988 bis 1996 an der Universität Wien. Gleichzeitig wurde dabei erstmals sein Blick für die Bedeutung der verschiedenen Ökosysteme geschärft. Dass die Hautflügler bei der Suche nach einem Diplomthema plötzlich ins Abseits gerieten, war wohl Schicksal. Am Institut für Limnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Mondsee begegnete Griebler einem Professor, der sich mit einem für ihn damals eher „exotischen“ Thema befasste. „Ich hatte schon vier Jahre Biologie studiert und bis zu diesem Zeitpunkt noch kaum etwas von Grundwasserökologie gehört. Die Erkenntnis, dass das Süßwasser, das wir global zur Verfügung haben, 95 Prozent Grundwasser ist, war für mich ein Schlüsselerlebnis.“

Dieser „Aha-Effekt“, wie Griebler sagt, war Auslöser, dass der angehende Biologe 1993 von heute auf morgen das Thema wechselt und in eine Nische einstieg, die bis dato fernab jeglichen öffentlichen Bewusstseins war. „Es war die Faszination der Erkenntnis, dass es einen Lebensraum gibt, den man als solchen so noch gar nicht wahrgenommen hat. Das bissl Wasser was wir sehen, wird beackert und das ist auch wirklich wichtig. Aber zu diesen Weltmeeren unter unseren Füssen gab es damals ganz wenig.“

Mikrobielles Leben im Grundwasser erforschen

Im Vergleich zu den großen Ökosystemen Boden oder Meer ist der Lebensraum unter unseren Füssen zwar noch nicht ganz so populär. Dank Grieblers Forschungsarbeit ist die Grundwasserökologie heute aber kein Randthema mehr, dass in Limnologie-Lehrbüchern, wie noch zur Grieblers Studienzeiten, kaum Erwähnung fand. Bereits in seiner Doktorarbeit am Institut in Mondsee, die er 1998 abschloss, widmete er sich dem mikrobiellen Leben im Grundwasser. Woher die Winzlinge in tausend Meter Tiefe ihre Energie beziehen, ist nur ein Thema, dass den Grundwasserökologen bis heute antreibt.

Konzepte für nachhaltigen Grundwasserschutz

Nach drei Jahren Postdoc am Zentrum für Angewandte Geowisschenschaften der Universität Tübingen in denen sich Griebler mit dem mikrobiellen Abbau von Ölverbindungen im Grundwasser beschäftigte, übernahm er 2004 die Leitung einer eigenständigen Arbeitsgruppe für „Mikrobielle Ökologie“ und später, 2014, die Leitung des Instituts für Grundwasserökologie am Helmholtz Zentrum München. Hier entwickelt er mit seinen Kollegen vor allem nachhaltige Konzepte zur Überwachung und zum Schutz und Management des unsichtbaren Wasserspeichers. Seit vielen Jahren pendelt der vierfache Familienvater zwischen München und Wien, dem momentanen Lebensraum der Familie.

Grundwasser als Haupt-Trinkwasserquelle

Sauberes und hygienisch einwandfreies Trinkwasser ist in Deutschland Standard. Doch 70% dessen, was wir täglich an Wasser konsumieren, stammt aus dem Grundwasser. Damit ist das unterirdische Wasserreservoir hierzulande die wichtigste Trinkwasserquelle. Griebler macht sich dafür stark, dass dieses unsichtbare Ökosystem mehr Aufmerksamkeit erfährt. Denn als ein Teil der Ökosysteme unserer Erde ist das kostbare Gut inzwischen ebenso durch Verschmutzung gefährdet wie Böden oder Weltmeere, betont Griebler. „Es gibt heute kein Grundwasser mehr, wo nichts drin ist. In jedem Wasser sind Schadstoffe und einzelne Stoffe tauchen immer wieder auch im Trinkwasser auf.“ Griebler zufolge sind in den oberflächennahen Grundwasserschichten schon heute Pestizide, Pharmazeutika oder Antibiotika zu finden, wobei Nitrat seit Jahrzehnten unser Grundwasserproblem Nummer Eins ist.

Selbstreinigungsprozesse ankurbeln

„Alles was oben ankommt, kommt früher oder später auch unten an; also ins Grundwasser. Die Frage ist nur, wie schnell und in welchem Umfang“, betont der Forscher. Am IGÖ wird daher untersucht, wie belastbar das unterirdische Ökosystem ist, wie und in welchem Umfang Mikroorganismen Schadstoffe umsetzen können und ob und wie durch Nährstoffzugabe der Selbstreinigungsprozess an schwer belasteten Orten angekurbelt werden kann. „Es gibt viele schwer kontaminierte Grundwässer. Hier kann man selektiv Mikroorganismen vor Ort stimulieren, in dem man ihnen Sauerstoff oder spezifische Nährstoffe wie Stickstoff, Schwefel oder Vitamine gibt und so den Selbstreinigungsprozess anregt“, erklärt Griebler.

Ökologische Folgen neuer Technologien beachten

Darüber hinaus wird am IGÖ auch an Strategien geforscht, um zu verhindern, dass weitere Schadstoffe überhaupt ins Grundwasser gelangen, und welche Auswirkungen veränderte Land- und Wassernutzungsverhältnisse auf das unterirdische Reservoir haben. Hier untersucht Griebler,  welche Auswirkungen beispielsweise der Trend zur Nutzung von oberflächennaher Geothermie durch Erdwärmepumpen zur Klimatisierung von Gebäuden und Kühlprozessen in der Industrie hat. „Das Grundwasser hat das ganze Jahr über die gleich Temperatur. Mit Einleitung oder Entzug von Wärme wird plötzlich eine Saisonalität in das System gebracht. Man muss bei neuen technologischen Entwicklungen immer auch die Auswirkungen auf die Ökosysteme betrachten und verstehen. Hier hinkt das Verständnis um die ökologischen Folgen, der Technologieanwendung leider immer hinterher“.

Spuren längst verbotener Pestizide noch messbar

Wirtschaft und Politik für das Thema Grundwasser zu sensibilisieren, ist daher ein Hauptanliegen des Biologen. „Wir müssen uns darüber klar sei, dass Grundwasser eine sehr lange Verweildauer im Boden hat. Wenn wir hier einmal ein Problem haben, ist es für lange Zeit da und nicht so schnell wieder rauszubekommen.“ Griebler erinnert hier an das Herbizid Atrazin. Das Pflanzenschutzmittel ist seit 25 Jahren in Deutschland und seit 20 Jahren in Österreich verboten. Obwohl es nicht mehr eingesetzt wird, sind Spuren davon bis heute im Grundwasser messbar, wie aktuelle Forschungsarbeiten zeigen.

Gleichberechtigung der Grundwasserökosysteme vor dem Gesetz

Das Beispiel führt klar vor Augen: Das Ökosystem Grundwasser hat an den Fehlern der Vergangenheit noch zu knapsen, wenn die Schadstoffe aus dem Boden längst verschwunden und somit unsichtbar sind. Christian Griebler weiß um die Hürden des „trägen Systems“ und versucht geduldig, mit Worten und Taten gegenzusteuern. Seine Mission ist klar: „Es geht um eine Gleichberechtigung der Grundwasserökosysteme auch vor dem Gesetz. Wir müssen das Grundwasser endlich als Lebensraum und nicht nur als Ressource betrachten und das Grundwasser-Ökosystem wie Oberflächengewässer gleichermaßen schützen und überwachen.“

Autorin: Beatrix Boldt

We drink from it, water the fields with it, or use it as a coolant or solvent: groundwater. This vast reservoir of water under our feet is essential for human and animal life, but for the majority of the time we take it entirely for granted. For groundwater ecologist Christian Griebler, this invisible water is far more than just a commodity. “The groundwater is so clean only because of the biology that it contains, which ultimately has a purifying function. This substrate is bursting with microorganisms and crustaceans, worms and mites, all of which are busily converting carbon and nutrients.” Like the soil, forests, lakes or the sea, the groundwater is thus an ecosystem that encompasses a broad range of symbiotic communities. These also provide valuable services for other ecosystems – and for us humans.

Raising awareness for the groundwater ecosystem

As the acting director of the Institute for Groundwater Ecology at the Helmholtz Center Munich, the native of Austria is hoping to bring greater visibility to this subterranean ocean. His goal: to increase general awareness of an ecosystem that, aside from well-cared-for surface waters, still leads a life in the shadows.

Christian Griebler’s interest in biology was awakened at an early age. Born and raised in Pfarrkirchen near Bad Hall in Upper Austria, it was the topic of insects that first gave shape to his passion. While his later studies in biology were a straightforward decision, they nevertheless had to compete with an interest in painting. “Science, biology or research have a great deal to do with creativity. I tried my hand at painting with the full knowledge that the chances of success were low. When that didn’t pan out, I simply continued with biology,” says the 47-year-old.

Enthusiasm for an “exotic topic”

During his studies at the University of Vienna from 1988 to 1996, a series of excursions into the Danube Delta were a source of particular inspiration for the would-be entomologist. These field trips represented the first sharpening of his understanding of the importance of different ecosystems. It may have been fate that, while searching for a diploma subject, the hymenopteran insects suddenly fell out of favour. At the Institute of Limnology of the Austrian Academy of Sciences in Mondsee, Griebler encountered a professor who recommended a rather more ‘exotic’ subject for the young biologist. "I had already been studying biology for four years, and until that time had hardly heard of groundwater ecology. The realisation that 95 percent of the fresh water that is globally available is groundwater was a key formative experience for me.”

This ‘aha’ effect, as Griebler describes it, was a trigger for the budding biologist, and in 1993 he switched subjects from one day to the next, stepping into a niche that until that time was far from the public consciousness. “I was fascinated by the realisation that there is a biosphere out there that is barely perceived as such. A great deal of research was being done on the water that we can actually see, and that’s also genuinely important. But back then, there was really very little attention being given to these oceans under our feet.”

Exploring microbial life in the groundwater

In comparison to the great ecosystems of the soils or seas, this biosphere under our feet has some catching up to do regarding popularity. Thanks to Griebler’s research work, groundwater ecology is no longer a marginal topic as it was during Griebler’s student days, when it barely appeared in the textbooks on limnology. Griebler would eventually devote himself to the microbial life in groundwater during his doctoral thesis at the Institute in Mondsee, which he completed in 1998. How these tiny creatures, which live at a depth of one thousand meters, actually source their energy is just one of the topics that still motivate groundwater ecologists today.

Concepts for sustainable groundwater protection 

In 2004, after three years of postdoctoral studies at the Center for Applied Geosciences at the University of Tübingen, where he was occupied with the microbial degradation of oil compounds in groundwater, Griebler became the head of an independent working group for ‘Microbial Ecology’ and later, in 2014, the head of the Institute of Groundwater Ecology at the Helmholtz Centre Munich. Here, together with his colleagues, he developed sustainable concepts for monitoring, protecting and managing these invisible reservoirs of water. For four years, the father of four commuted between Munich and Vienna, where his family is currently based.

Groundwater as the main source of drinking water

Clean and hygienic drinking water is taken for granted in Germany. However, those doing the drinking are probably unaware that 70% of the water consumed daily comes from the groundwater. Thus, the underground water reservoir is Germany’s most important source of drinking water. Against this backdrop, Griebler is working hard to ensure that this invisible ecosystem receives more attention. This is not least because, as a part of the Earth’s ecosystem, the precious commodity is now endangered by contamination, much like the soils or oceans, emphasises Griebler. “Today, there is no groundwater that is entirely without contamination. Pollutants are present in every waterbody, and individual substances often appear in drinking water.” According to Griebler, pesticides, pharmaceuticals or antibiotics are already found in the near-surface groundwater layers, with nitrate representing our number one groundwater issue for some decades.

Boosting the self-purifying processes 

“Everything that makes it onto the top layer will work its way downwards sooner or later, namely into the groundwater. The only question is how quickly and to what extent,” emphasises the researcher. The IGOE is thus investigating the resilience of the underground ecosystem, as well as how and to what extent microorganisms can convert pollutants, and whether and how the addition of nutrients can stimulate the self-purification process in heavily polluted locations. “There are many heavily contaminated groundwaters. In such cases, it is possible to targetedly stimulate the local microorganisms by providing them with oxygen or specific nutrients such as nitrogen, sulphur or vitamins, which boosts the process of self-purification,” explains Griebler.

Considering the ecological consequences of new technologies

In addition, the IGOE is also conducting research into strategies to prevent yet more pollutants from entering the groundwater, as well as the effects of changing land and water use conditions on underground reservoirs. Here, among other activities, Griebler is investigating the effects of the trend towards the use of low-depth terrestrial heat by geothermal heat pumps for air conditioning in buildings and cooling processes in industry. “The groundwater has the same temperature all year round. With the introduction or withdrawal of heat, a seasonality is suddenly introduced into the system. It is always necessary to look at and understand the impact of new technological developments on ecosystems. Unfortunately, the understanding of the ecological consequences always lags behind the application of the technology.”

Still measurable traces of long-banned pesticides

An awareness of the topic of groundwater in the areas of industry and policy is therefore a major concern for the biologist. “We have to realise that groundwater has a very long retention period in the ground. If we have a problem in one location, it will be present for a long time and will not be so easy to eliminate.” To underline this, Griebler uses the example of the herbicide atrazine. The plant protection agent has been banned in Germany for 25 years and in Austria for 20. Although it is no longer used, traces are still measurable in the groundwater, as recent research has shown.

Legal equality for groundwater ecosystems

The example clearly shows: the groundwater ecosystem is still coping with the mistakes of the past, even when the pollutants have long since disappeared from the soil and are therefore essentially invisible. Christian Griebler is well aware of the hurdles posed by this “lethargic system” and with words, deeds, and patience is attempting to counteract current and potential future damage. His mission is clear: “It’s about equal rights for groundwater ecosystems, even before the law. Ultimately, we should consider groundwater as a biosphere and not just a commodity, and provide the groundwater ecosystem with the same protection and monitoring as the surface water.”

In der Forschung kommt es fast täglich zu neuen, weitreichenden Erkenntnissen. Viele davon wären sehr nützlich, um eine nachhaltigere Wirtschaft zu etablieren, sowie Nahrung und Unterkünfte für die wachsende Weltbevölkerung bereitzustellen. Neue Forschungsergebnisse werden jedoch zunächst in Fachjournalen publiziert, und diese verlangen oft hohe Lizenzgebühren von Hochschulen oder Wissenschaftlern, damit diese an die jeweiligen Texte gelangen können. Als Geschäftsführerin und Mitbegründerin der Open Science Plattform "Frontiers" setzt sich Kamila Markram deshalb dafür ein, neue Forschungsergebnisse für jeden frei verfügbar zu machen; sie sollen nach dem Konzept "Open Access" publiziert werden. Dieses würde zudem die Kommunikation und den Erkenntnisaustausch zwischen den Wissenschaftlern deutlich vereinfachen und beschleunigen, und so den Weg zu einer nachhaltigeren zukünftigen Wirtschaft ebnen.

New breakthroughs in science occur almost daily. Many of them would be very useful to further a more sustainable economy and to provide food and shelter for a growing population. However, customarily, new results are published in scientific journals and many of those charge expensive subscription fees to researchers, universities, and interested readers around the world. Thus, argues Kamila Markram, if new research results would be freely available - under so-called Open Access conditions - communication and knowledge exchange between researchers would be much better and faster. As the CEO and co-founder of the Open Science Platform "Frontiers", she is an avid advocate for freely availabe research results, which in turn will speed up the development of a more sustainable future economy.

Holz ist ein äußerst vielseitiges Material, das mehrfach genutzt werden kann. Allerdings kommt eine solche Wiederverwertung oder Kaskadennutzung in Europa nur selten zum Einsatz. In Deutschland wird Altholz meist direkt für die Energieerzeugung verwendet und verbrannt, ohne es vorher als Baumaterial oder für andere Zwecke einzusetzen. In dem EU-Projekt CaReWood (für Cascading Recovered Wood) haben sich 15 Projektpartner aus fünf Ländern zusammengeschlossen, um Gebrauchtholz in einer Kaskadennutzung weiterzuverarbeiten und somit zu einer verbesserten Ressourceneffizienz beizutragen. Das Projekt ist über drei Jahre bis Mai 2017 gelaufen und wurde vom Bundeslandwirtschaftsministerium über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert.

Alte Bauhölzer neu verwerten

Peter Meinlschmidt, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Holzforschung (WKI), und seine Kollegen haben Messtechniken entwickelt, um Kontaminationen wie Kunststoffe, Farben oder PVC in sogenanntem Altholz zu erkennen und effiziente Verfahren zur Oberflächenreinigung zu etablieren. „Beim Gebäuderückbau etwa fallen große Mengen Bauholz in hervorragender Qualität an, die sich prinzipiell recyceln lassen. Dies trifft auch auf Althölzer zu, die oberflächlich mit Holzschutzmitteln behandelt wurden, wie wir bei unseren Tests feststellen konnten“, erklärt der Physiker. „Es gilt, Techniken zur Wiederverwertung von in großen Stücken vorliegenden Gebrauchtholzes zu entwickeln, also die Balken als solche zu erhalten.“

Techniken für die Wiederverwertung entwickeln

Mit verschiedenen Durchleuchtungsmethoden, die teilweise auf molekularer Ebene Verunreinigungen erkennen können, stellen die Wissenschaftler nicht nur fest, ob Hölzer kontaminiert sind, sondern auch wie tief die Verunreinigungen sitzen und wie viele der Deckschichten abgetragen werden müssen. Laut Meinlschmidt ist es ausreichend, wenn die Deckschichten wenige Millimeter tief abgetrennt werden. Zum Reinigen der Oberflächen haben die Forscher unterschiedliche Verfahren angewendet: Neben der Verwendung rotierender Bürsten oder dem Sandstrahlen wurde auch gesägt und gehobelt. Für die Tests nutzten die Forscher am Fraunhofer WKI Paletten sowie Altfensterrahmen.

Beitrag zum Umweltschutz

Mit CaReWood leisten die Projektpartner einen Beitrag zum Umweltschutz. „Wälder werden europaweit wieder vermehrt abgeholzt, Primärholz ist in Europa im Rückgang begriffen. Deutschland ist hier allerdings eine Ausnahme. In früheren Jahrzehnten gepflanzte Nadelholzwälder werden sich selbst überlassen – in der Hoffnung, dass sich die ursprünglich hierzulande heimische Buche wieder ausbreitet, die besser an Klimaschwankungen angepasst ist“, so Meinlschmidt. „Für den Upcycling-Gedanken spricht auch, dass Altholz qualitativ oftmals von besserer Qualität mit besseren mechanischen Stabilitäten ist, da Baumbestände früher langsamer gewachsen sind als in den letzten Jahrzehnten angepflanzte Wälder“, so der Physiker. Ihren Umweltschutzgedanken konnten die Fraunhofer Forscher bereits in Myanmar umsetzen, wo sie die Restauration der weltweit längsten Teakholzbrücke unterstützen. Dort werden die alten, bis zu 10 Meter langen Stämme aus der Brückenkonstruktion als Ganzes erhalten und sekundär als Geländer oder Sitzbänke genutzt.

Die Zukunft für Gebrauchtholz ist vielversprechend: Die Altholzverordnung wird derzeit überarbeitet und voraussichtlich 2018 in Kraft treten. In ihrer Überarbeitung soll die stoffliche Verwertung einer energetischen vorgezogen werden – ganz im Sinne der CaReWood-Projektpartner.

jmr

Wood is a very versatile material that can be reused multiple times. However, such recycling or cascade utilisation is very rare in Europe. In Germany, old wood is mostly used for energy generation and is thus simply burnt instead of using it for instance as building material. 15 project partners from five different countries banned together in the EU project CaReWood (Cascading Recovered Wood) to improve resource efficiency by recycling used wood via cascade utilisation. The project was funded for three years until May 2017 by the Federal Ministry of Food and Agriculture and their Agency for Renewable Resources.

New use for old timbers

Peter Meinlschmidt, researcher at the Fraunhofer Institute for Wood Research WKI, and his colleagues developed new technologies in order to identify contaminations such as plastics, paint or PVC within old wood and establish efficient ways of cleaning the surfaces. “The dismantling of buildings for instance produces large quantities of good-quality timber that could be recycled. The same thing holds true for scrap wood where the surface has been treated with wood preservatives,” explains the physicist. “The point is to develop technologies that enable the reutilisation of large pieces of scrap wood without having to chop them up.”

Developing techniques for reutilisation

Using several imaging tools and methods that even visualized the molecular makeup of the contaminations, the researchers were able to determine if and to what extent the woods are contaminated. According to Meinlschmidt, removing the cover layers only a few millimetres deep would be sufficient in many cases. To clean the surfaces the researchers employed several different methods: rotating brushes, sandblasting, sawing, and planing. To test these methods the Fraunhofer researcher used pallets as well as old window frames.

Protecting the environment

Moreover, CaReWood also does its part to protect the environment. “Across Europe, more and more woods are being chopped down again, and fresh wood is becoming rare. Except for Germany. Previously planted pine forests are left alone, in the hopes that the originally indigenous beech trees are coming back again, since they are also more resistant to climate change,” says Meinlschmidt. “Another benefit of the old wood is the fact that their quality is oftentimes better, because the old trees used to grow more slowly.”

In Myanmar the researchers were already able to actively support the environment by recycling old and large wooden beams of the longest teak wood bridge in the world. The old beams are being reused as railings or benches.

The future for wood reutilisation looks promising as well: a new and improved waste wood ordinance will most likely be in effect in 2018. Part of it will be to prioritise material reutilisation before an energetic one – just as the CaReWood participants were aiming for.

jmr

Der Bewuchs von Algen oder Muscheln an Schiffsrümpfen macht kleinen und großen Schiffen gleichermaßen zu schaffen. Denn diese siedeln sich an der im Wasser treibenden Schiffswand an und verwandeln einst glatte Fassaden in eine raue, zerklüftete und schmuddelige Schiffshaut. Der äußere Makel ist dabei allerdings das kleinere Übel. Der flächendeckende Biofilm erhöht sowohl den Reibungswiderstand als auch das Gewicht und bremst so die Schiffe regelrecht aus. Dadurch benötigen vor allem Containerschiffe wesentlich mehr Energie um Vorwärts zu kommen, was den Treibstoffverbrauch bis zu 30% nach oben treiben kann und auch den CO2-Ausstoß erhöht.

Schiffsrümpfe unsichtbar machen

Für Reederein ist das sogenannte Biofouling seit Langem ein großes Problem und ein nicht unerheblicher Kostenfaktor. Der Essener Spezialchemiekonzern Evonik scheint dafür eine Lösung gefunden zu haben. Im neuen Kompetenzzentrum „Smart Surface Solutions“ arbeiten die Evonik-Experten an einer neuen Beschichtung, die Schiffsrümpfe für die unliebsamen Passagiere unsichtbar macht und zugleich umweltfreundlich ist. „Biofouling ist eines der letzten ungelösten Probleme der Lackindustrie. Bisher wurde die optimale Lösung für effiziente und zugleich umweltfreundliche Schiffsanstriche noch nicht gefunden. Daher sind Antifouling-Lacke eines der Kernthemen unseres neuen Kompetenzzentrums ‚Smart Surface Solutions‘“, erklärt Stefan Silber, Leiter des Innovationsmanagements Coating Additives aus dem Segment Resource Efficiency von Evonik.

Schiffsrümpfe als Wasser getarnt

Um dem Bewuchs zu verhindern, wurden bisher Biozide als Schiffsanstrich verwendet, die schwer abbaubar sind und den im Wasser lebenden Tieren und Mikroorganismen schaden. Evonik will hingegen einen Anstrich entwickeln, der die Mikroorganismen austrickst. Der neue Lack soll dabei den Organismen vorgaukeln, dass der Schiffsrumpf eigentlich Wasser ist und es sich nicht lohnt, anzudocken. Dafür werden im Lack ein wasserabweisendes Silikon mit einem wasserliebenden Polymer kombiniert. So entstehen amphiphile Polymere – das heißt, wasserliebende und wasserabweisende Bereiche – die sich abwechseln. Die wasserliebenden Bereiche ziehen das Wasser um den Schiffsrumpf an und bilden damit ein eine Art Wasserhülle um die Polymere, die einer Tarnjacke gleicht. Der Wechsel mit den wasserabweisenden Bereichen sorgt dafür, dass die Kleinsttiere Schiffsrumpf und Wasser nicht mehr genau unterscheiden können und verunsichert sind, so dass sie dem Rumpf fern bleiben.

Antihaftschicht erschwert Biofouling zusätzlich

Das wasserabweisende Silikon-Hybridharz in der Beschichtung erschwert durch eine spezielle Antihaftwirkung zusätzlich noch das Ansiedeln der Organismen. Die wenigen Tierchen und Mikroorganismen, denen es gelingt, dennoch am Schiffsrumpf anzudocken, soll der Wasserstrom selbst bei geringer Fahrtgeschwindigkeit wieder ablösen. „Wir nutzen damit ein bewährtes Produkt auf neue Weise und erweitern zugleich die Expertise von Evonik. So gelingt es uns, neue Lösungen für Lacke zu entwickeln, die Schiffe vor Bewuchs schützen – und zwar ohne die Organismen direkt anzugreifen“, erklärt Silber.

Kostenersparnis für Reederein

Dass die neue Beschichtung Mirkoorganismen abschreckt, haben erste Tests unter Realbedingungen bereits gezeigt. Mit Partnern aus der Lackindustrie sollen nun die ersten polymeren Schiffstarnkappen hergestellt werden. Sie sollen gleichzeitig länger halten, so dass Schiffe nicht so oft einen neuen Anstrich erhalten müssen. So könnten Reederein nicht nur die Kosten für Treibstoff sparen, sondern auch ihre Instandhaltungskosten senken. Auch die Einwanderung invasiver Arten über den Seeweg könnte dadurch erschwert werden.

bb

Millionen Tonnen an Lebensmitteln landen jährlich im Abfall, obwohl sie noch essbar sind. Kleine Makel an Obst und Gemüse oder ungenaue Kalkulationen bei der Essenszubereitung: Die Gründe, warum noch genießbares Essen in der Tonne landet, sind vielfältig. Ideen, um die Lebensmittelverschwendung zu reduzieren, gibt es viele und sie werden von der Bundesregierung aktiv unterstützt. Aber welche Maßnahmen sind tatsächlich sinnvoll, damit Lebensmittelversorgung und -konsum zukünftig nachhaltiger werden?

Handlungsempfehlungen zur Abfallvermeidung

Im Rahmen des Forschungsprojektes REFOWAS - “Pathways to Reduce Food Waste” suchen Wissenschaftler seit 2015 nach Antworten, um Handlungsoptionen zur Vermeidung von Lebensmittelabfällen geben zu können. Dabei konzentrieren sie sich auf die Themenfelder Obst- und Gemüseproduktion, Bäckereien, Privathaushalte und Schulverpflegung. Dazu wurden jeweils gemeinsam mit Akteuren der Branche entsprechende Fallstudien erarbeitet, um die Gründe der Abfallentstehung sowie die Auswirkungen besser zu verstehen und geeignete Maßnahmen zur Vermeidung von Lebensmittelabfällen entwickeln zu können. Am Projekt sind neben dem Thünen-Institut, die Universität Stuttgart, das Max Rubner-Institut und die Verbraucherzentrale NRW beteiligt. Das Forschungsprojekt REFOWAS wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderschwerpunkts Sozial-ökologische Forschung (SÖF) gefördert.

Optische Kriterien zu hoch bewertet

Erste Ergebnisse wurden bei einem Treffen im Thünen-Institut in Braunschweig vorgestellt und mit Experten diskutiert. Bei der Produktion von Obst und Gemüse sehen die Forscher insbesondere in der Schnittstelle zwischen Herstellern und Einzelhandel ein großes Handlungspotenzial. Denn die Standards der Lebensmitteleinzelhändler hinsichtlich der optischen Kriterien sind wesentlich höher, als gesetzlich vorgeschrieben. „Die Händler haben hierfür zwar gute Gründe, wie den Ästhetikwunsch der Kunden, allerdings führen diese hohen Standards auch dazu, dass oft ein wesentlicher Teil der Erzeugung nicht verkauft werden kann. Wir sehen es hier als eine wichtige Aufgabe, Verbraucherinnen und Verbraucher stärker für diese Thematik zu sensibilisieren und Gespräche zwischen den zwei Parteien in Gang zu bringen“, erklärt Walter Dirksmeyer vom Thünen-Institut für Betriebswirtschaft. Zu einer Reduzierung der Abfälle bei Ost und Gemüse würde zudem auch eine verstärkte Beratung und Kooperation von Produzenten und Vermarktern beitragen.

Verbesserte Prognosesysteme und Aufklärung

Bei den Bäckereien sehen die Wissenschaftler hingegen in verbesserten Prognosesystemen eine große Chance, die Backwaren-Abfälle zu drosseln. Hier könnte durch die Verknüpfung von Daten vergangener Produktionen mit Faktoren wie Wetter und Ferientagen die Produktion bedarfsgerechter geplant und Verluste minimiert werden. In den kommenden Monaten wollen die dafür verantwortlichen Forscher diese Option auch hinsichtlich ökologischer und betriebswirtschaftlicher Aspekte analysieren. In den privaten Haushalten wollen die Forscher durch Aufklärung und Sensibilisierung das Bewusstsein für einen nachhaltigen Umgang mit Lebensmitteln stärken. Im Fokus steht sowohl die Frage, wann ein Lebensmittel wirklich entsorgt werden soll, als auch wie sich Lebensmittelabfälle im Alltag ganz konkret vermeiden lassen. „Den Teller in jedem Fall leer zu essen, ist auch gesundheitlich nicht immer empfehlenswert“, weiß hingegen Erika Claupein vom Max Rubner-Institut.

Verpflegungsbeauftragte für die Schulverpflegung

Die Fallstudie zum Schulessen ergab, dass durchschnittlich 25% des Essens entsorgt werden. Hier zeigte die Forschergruppe auf, dass durch Maßnahmen wie eine Reduzierung der Produktionsmengen, die Kontrolle der Portionsgrößen sowie eine Analyse der Tellerreste für die Produktionsanpassung, in vier von elf untersuchten Schulküchen durchschnittlich 30 % der Speiseabfälle eingespart werden können. Darüber hinaus empfehlen sie, Verpflegungsbeauftragte „an allen wichtigen Schnittstellen zur Schulverpflegung“ einzubinden, um weiteren Anforderungen wie der Attraktivität und Akzeptanz des Mittagessens oder der Gestaltung der Mensa auch gerecht zu werden. „Diese Ansprüche sind nur umsetzbar, wenn professionelle Strukturen geschaffen werden“, resümiert Frank Waskow, Leiter der Fallstudie bei der Verbraucherzentrale Nordrhein-Westfalen.

bb

Ob Kunstlicht oder Sonnenlicht: Gesundheit und Wohlbefinden des Menschen werden entscheidend vom Licht beeinflusst. Gleiches gilt auch für Tiere. Die richtige Beleuchtung im Stall ist ein Faktor, der das Wohlbefinden von Kühen, Schweinen oder Hühnern steigern kann und auch dem Landwirt bei der täglichen Arbeit mehr Sicherheit gibt. Bei welchem Licht sich Tier und Mensch im Kuhstall am Wohlsten fühlen, das haben Forscher um Daniel Werner von der Fachhochschule Bielefeld untersucht und eine intelligente LED-Leuchte entwickelt, die auf die Bedürfnisse von Tier und Landwirt abgestimmt ist.

Optimale Lichtverhältnisse bestimmt

„Wir wollten LED-Leuchten entwickeln, die Ressourcen schonen, die Wirtschaftlichkeit verbessern und gleichzeitig das Tierwohl steigern", erklärt Eva Schwenzfeier-Hellkamp, Projektverantwortliche vom Forschungsschwerpunkt ITES der FH Bielefeld. Um die optimalen Lichtverhältnisse zu bestimmen, untersuchte das Team über Monate in einem Stall bei Soest, wie verschiedene Lichtspektren, etwa gelbes oder weißes Licht, in welcher Lichtmenge und Lichtdauer auf Mensch und Tier wirken.

Ausgeruhte und melkfreudige Kühe 

Erste Tests mit dem Prototypen der neuen Leuchte zeigten, dass die Kühe durch das für sie angenehmere Licht länger ruhten und häufiger den Melkroboter aufsuchten. „Beides sind Zeichen eines höheren Wohlbefindens der Tiere und beeinflussen ihre Gesundheit positiv“, erklärt Daniel Werner. Auch die Landwirte profitierten durch den Einsatz der neuen Stallbeleuchtung. So wurden nicht nur die Arbeitsbedingungen verbessert, auch die Energiekosten in der Nutztierhaltung wurden gelenkt. Zugleich wurden damit umweltschädliche Stoffe wie Quecksilber aus der Stallbeleuchtung verbannt. „Die Entsorgung der Leuchten ist damit am Ende unkomplizierter als bei den aktuell eingesetzten Leuchtstofflampen. Darüber hinaus soll durch eine intelligente Beleuchtungsregelung die benötigte Energie weiter verringert werden“, erklärt Schwenzfeier-Hellkamp.

Einsatz der LED-Leuchte in Schweineställen

Um die LED-Leuchte für den Markt fit zu machen, wird das Bielefelder Forscherteam in einem Anschlussprojekt durch die Deutsche Innovationspartnerschaft Agrar mit rund 320.000 Euro unterstützt. Parallel dazu werden die Bielefelder in einem zweiten Projekt untersuchen, ob die neue LED-Leuchte auch für Schweineställe und Melkstände nutzbar ist. Das Vorhaben wird über drei Jahre mit 490.000 Euro von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft, der Universität Erlangen-Nürnberg sowie zwei Partnern aus der Wirtschaft unterstützt.

bb

Eine gesunde Ernährung ist für das Wohl der Tiere ebenso wichtig wie für Menschen. Bei Evonik steht die Suche nach geeigneten bioaktiven Zusatzstoffen seit Langem im Fokus der Forschung. Um die Wirkung der Futtermittel frühzeitig zu erkennen, arbeitet das Team um Stefan Pelzer im Rahmen der strategischen Allianz GOBI mit Partnern an einem dynamischen Simulationsmodell des Hühnerdarms. Mithilfe des neuen Tests soll die Entwicklung neuer Futtermittel für Geflügel beschleunigt und die Gesundheit der Tiere nachhaltig verbessert werden.

Die Elektrolyse fristete lange ein Nischendasein. Nun gilt die elektroorganische Synthese als Motor für die grüne Chemie. Um einen neuen Stoff zu entwickeln, braucht man normalerweise Reagenzien, die recht teuer sind. Außerdem entstehen dabei Abfälle, die hochgiftig sein können. Bei der Elektrolyse hingegen werden die kostspieligen und gefährlichen Reagenzien durch Strom, genauer gesagt Elektroden, ersetzt. So können neue chemische Verbindungen für Materialien auf wesentlich nachhaltigere Weise produziert werden. Die Palette der Produkte reicht von Batterien bis hin zu Medikamenten.

Grüne Chemie für technische Anwendungen

Siegfried Waldvogel von der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz hat das Potenzial der Elektrolyse vor Jahren erkannt. Mithilfe dieser Methode konnte das Mainzer Team bereits den Aromastoff Vanillin aus Holzabfällen für neue Stromspeicher gewinnen. Im Rahmen des Verbundprojektes EPSYLON haben die Mainzer Wissenschaftler nun gemeinsam mit der Evonik Performance Materials GmbH die Elektrolyse als zukunftsweisende und nachhaltige grüne Chemie für technische Anwendungen nutzbar gemacht. Die Entwicklung des Verfahrens wurde im Rahmen des Verbundprojektes vom Bundesforschungsministerium unterstützt.

Stromangebote flexibler nutzen

Wie das Team im Fachjournal „Science Advances“ berichtet, kann mithilfe der neuen Methode flexibel auf das vorhandene Stromangebot reagiert werden. Großes Potenzial sehen die Forscher vor allem bei der Nutzung von Stromüberschüssen aus regenerativen Quellen wie Windkraft oder Solarenergie. Das liegt besonders an der Verwendung eines einzigartigen Elektrolytsystems. Die Elektrolysen sind dabei sehr stabil gegenüber der Stromdichte und können somit in einem über zwei Größenordnungen breiten Stromdichtefenster betrieben werden. Der Studie zufolge bleiben dabei Produktivität und Selektivität erhalten. Die Elektrolyse kann somit auch in kurzer Zeit mit sehr hohem Stromeinsatz durchgeführt werden.

Kürzere Synthese beschleunigt Herstellungsprozess

Darüber hinaus sind keine maßgeschneiderten Elektrolyseapparate notwenig, die eine breite Verwendung in der Chemie bisher erschwerten. Die Forscher sind überzeugt, dass die Chemische Industrie nunmehr ein einfaches Mittel zur Hand hat, um nachhaltiger und umweltfreundlicher zu werden. Hinzukommt, dass in einigen Fällen der Herstellungsprozess beschleunigt werden kann, da Syntheseschritte wegfallen.

bb

Grünalgen (Chlamydomonas) haften auf fast allen Gegenständen und verstopfen sogar Wasseraufbereitungsanlagen. Jenseits dieser unerwünschten Biofilme können die Mikroorgansimen jedoch auch sehr nützlich sein. In Bioreaktoren werden sie bereits seit Jahren in großen Anlagen kultiviert, um Biotreibstoffe herzustellen. Allerdings haften sich die Algen mit ihren kleinen Härchen, den Flagellen, auch in diesen Glasröhren der Anlagen fest. Die Folge: Es entsteht ein grüner Belag, der weniger Licht in die Anlage lässt. Weniger Licht bedeutet, dass die Photosyntheseleistung der Algen abnimmt und somit die Produktivität des Bioreaktors sinkt.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Oliver Bäumchen am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation konnte nun den Haftmechanismus der Grünalge aufklären: „Bei Experimenten an Grünalgen haben wir festgestellt, dass die Algen nur unter bestimmten Lichtbedingungen klebrig sind und an Oberflächen haften können“, so Bäumchen. Somit sind die Lichtbedingungen für die Haftkraft der Algen ausschlaggebend. Durch Anpassung der Lichtempfindlichkeit der Algen oder der Oberflächenstruktur der Röhren könnte die Produktivität von Bioreaktoren in Zukunft gesteigert werden. Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Blaues Licht fördert das Anhaften

Oliver Bäumchen und seine Kollegen forschen seit Jahren an den Hafteigenschaften von Mikroorganismen. Sie interessieren sich vor allem für die Funktionsweise der Flagellen sowie die Mechanismen, die den Haftkräften zu Grunde liegen. Diese Kräfte werden mit einer hauchdünnen Mikroglaspipette gemessen, an der eine einzelne Grünalgen-Zelle festgesaugt werden kann. Die Forscher bestimmen dann, wie groß die Kraft ist, um mit der Mikropipette eine Zelle von der Oberfläche abzuziehen. Bei ähnlichen Versuchen fand Bäumchens Doktorand Christian Kreis heraus, dass die Algen bei weißem Licht die stärksten Haftkräfte aufzeigten, während sie sich bei rotem Licht gar nicht an den Oberflächen festhielten. Obwohl lichtsensitive Mikroorganismen oder Pflanzen nichts außergewöhnliches sind, waren lichtgesteuerte Haftmechanismen bisher völlig unbekannt. In weiteren Untersuchungen stellte Kreis fest, dass Chlamydomonas bei Bestrahlung mit blauen Lichtanteilen besonders fest an der Oberfläche klebt. Dieses Licht nimmt die Alge mittels speziellen, lichtempfindlichen Proteinen wahr.

Elektrische Oberflächen gegen Biofilme

Bioreaktoren ausschließlich mit rotem Licht zu betreiben ist jedoch keine Lösung, da Grünalgen für die Photosynthese das blaue Licht brauchen. Oliver Bäumchen und Christian Kreis kooperieren deswegen mit Mikrobiologen und Experten für Grünalgen: „Gemeinsam wollen wir in nächster Zeit Zellen untersuchen, bei denen die verschiedenen Blaulichtrezeptoren blockiert sind, um herauszufinden, welche dieser Rezeptoren die Klebrigkeit der Algen tatsächlich auslösen“, sagt Bäumchen. Gelänge es, Algen mit veränderten Blaulichtrezeptoren in großer Zahl zu züchten, dann könnte man diese möglicherweise künftig in Bioreaktoren einsetzen, ohne dass sich lästige Biofilme an den Oberflächen bilden.

Zudem untersucht Christian Kreis, ob sich das Anhaften der Grünalgen noch durch andere Reize als das Licht verändern lässt, wie etwa eine Oberfläche, mit schwacher elektrischer Ladung. „Biofilme sind in vielen Anwendungen störend“, sagt der Forscher. „Gelänge es, Oberflächen so zu designen, dass die Klebrigkeit der Mikroorganismen ausgeschaltet wird, dann könnte das für viele Anwendungen in der Medizin, der Biotechnologie und der Prozesstechnik von großem Interesse sein.“

jmr