Aktuelle Veranstaltungen

Meere bilden den größten Lebensraum der Erde. Sie liefern dem Menschen Nahrung, sind Sauerstoffproduzent und Klimapuffer und somit für das Überleben auf der Erde unverzichtbar. Doch auch das Ökosystem Meer ist zunehmend bedroht. Am neu gegründeten Helmholtz-Institut für Funktionelle Marine Biodiversität (HIFMB) werden Wissenschaftler vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) sowie die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg ihre Kompetenzen bündeln und nach Ansätzen für einen besseren Umgang mit den Meeren forschen. Am 31. Mai  wurde die neue Forschungseinrichtung auf dem Campus der Universität Oldenburg feierlich eröffnet.

Ziel des HIFMB wird es sein, ein besseres Verständnis der Bedeutung von Klimawandel und anthropogenen Einflüssen auf die marine Biodiversität zu erarbeiten. „Gemeinsam werden Wissenschaftler der Universität Oldenburg und des AWI diese Auswirkungen für die marinen Ökosysteme und somit für den Menschen analysieren. Zudem werden sie entsprechende Naturschutz- und Managementstrategien entwickeln“, sagte Otmar Wiestler, der Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft.

Lösungen für marinen Naturschutz

AWI und Universität kooperieren auf dem Feld der Meeresforschung seit vielen Jahren. Am neuen Forschungszentrum werden die Arbeiten interdisziplinär aufgestellt sein und dabei auch gesellschaftswissenschaftliche Bezüge berücksichtigt. „Wie können wir unsere marine Umwelt wirksam schützen, obgleich viele dort lebende Arten mobil und die Gebiete ohnehin meist keiner Nation zugehörig sind? Das ist nur eine der Herausforderungen des marinen Naturschutzes, bei der wir noch am Anfang stehen und für die wir Konzepte entwickeln wollen“, so Biodiversitätsexperte und Institutsdirektor Helmut Hillebrand.

Finanzierung gesichert

Der Aufbau des Instituts wird in den kommenden vier Jahren gemeinsam vom AWI, der Universität Oldenburg und dem Land Niedersachsen mit rund 5 Mio.  Euro jährlich unterstützt. Das Land will zudem ein neues Forschungsgebäude finanzieren. Ab 2021 übernimmt die Helmholtz-Gemeinschaft die Basisfinanzierung mit jährlich rund 5,5 Mio. Euro.

bb

Kunststoffe sind allgegenwärtig, doch die Bausteine der langen Molekülketten stammen meist aus Erdöl. Inzwischen gibt es Bioplastik, bei dem die Grundbausteine zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. Ein großer Anteil der Kunststoffe basiert gegenwärtig auf der Grundchemikalie Anilin, doch dieser Ausgangsstoff wird bislang ausschließlich aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl gewonnen. Das könnte sich nun ändern.

Verbesserte CO₂-Bilanz

Dem Werkstoffhersteller Covestro, einer Tochter des Bayer-Konzerns, gelang es, Anilin erstmals aus pflanzlichen Rohstoffen zu produzieren. „Das in der Entwicklung befindliche Verfahren nutzt nachwachsende Rohstoffe und führt im Vergleich zur konventionellen Technik zu einem deutlich verbessertem CO₂-Fußabdruck des Anilins“, so Projektleiter Gernot Jäger von Covestro. „Auch unsere Kunden können den CO₂-Fußabdruck ihrer Produkte auf Anilin-Basis klar verbessern.“

Vom Labor zum industriellen Maßstab

Covestro hat gemeinsam mit Partnern ein Verfahren entwickelt, bei dem industrieller Zucker statt Erdöl die Ausgangsbasis ist. Der Zucker kann aus pflanzlichen Rohstoffen wie Mais, Stroh oder Holz gewonnen werden. Durch Mikroorganismen wird er in einem biotechnologischen Prozess zunächst zu einem Zwischenprodukt und dann mittels chemischer Katalyse schließlich zu Anilin umgewandelt. „Hundert Prozent des im Anilin enthaltenen Kohlenstoffes stammen somit aus nachwachsenden Rohstoffen“, betont Jäger. Gemeinsam mit der Universität Stuttgart, der RWTH Aachen und der Bayer AG entwickelt Covestro das Verfahren nun weiter. Ziel ist es, biobasiertes Anilin im industriellen Maßstab herzustellen. Das Forschungsprojekt wird für zweieinhalb Jahre vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) und der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) gefördert.

Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen

Derzeit werden weltweit fünf Millionen Tonnen Anilin pro Jahr produziert, Tendenz steigend. Mit einer Produktion von rund einer Million Tonnen ist Covestro einer der führenden Hersteller. Gibt es neben dem ökologischen auch einen wirtschaftlichen Vorteil von biobasiertem Anilin? „Es besteht am Markt ein hohes Interesse an ökologisch vorteilhaften Produkten auf Basis nachwachsender Rohstoffe“, sagt Markus Steilemann aus dem Covestro-Vorstand und zuständig für Innovation, Marketing und Vertrieb. Anilin aus Biomasse zu gewinnen, sei ein weiterer wichtiger Schritt, um die Chemie- und Kunststoffindustrie unabhängiger von den knappen fossilen Ressourcen und den Marktschwankungen zu machen.

bp

Früher Vogel oder Nachteule? Die meisten von uns identifizieren sich mit einer der beiden Kategorien, sind also lieber morgens oder abends aktiv. Diese innere Steuerung oder innere Uhr tickt bei jedem von uns ein bisschen anders, und wird im Rahmen der Chronobiologie erforscht. Auch Pflanzen und Nutztiere besitzen so eine innere Uhr, die durch äußere Einflüsse aus dem Takt geraten kann. Ein Forscherteam am Leibniz-Institut für Nutztierbiologie (FBN) unter der Leitung des schwedischen Wissenschaftlers Pål Westermark untersucht deshalb, welche Auswirkungen bestimmte Lebensabläufe und Rahmenbedingungen auf das Tierwohl haben. 

Körperfunktionen werden von innerem Rhythmus getaktet

Im Alltag bemerken wir sie kaum, und doch steuert sie viele körperliche Funktionen nach einem ganz bestimmten Rhythmus. Die Hormonproduktion, der Stoffwechsel, das Schlafen und selbst die Gehirnleistung folgen einer inneren Uhr. Diesen Rhythmus bemerken wir meist erst, wenn er aus dem Takt kommt, wie zum Beispiel bei der Zeitumstellung im Frühjahr und Herbst, oder bei einem Jetlag. Dann kann es zu Schlafstörungen, schlechteren schulische Leistungen und allgemeinem Unwohlsein kommen.

Die Chronobiologie befasst sich mit der zeitlichen Organisation von biologischen Systemen. Bei Mäusen und Menschen sind die Regelmäßigkeiten und rhythmisch wiederkehrende Faktoren in der Lebensweise bereits sehr gut untersucht. Doch wie es mit der inneren Uhr bei Nutztieren aussieht, ist noch weitgehend unbekannt. Der schwedische Wissenschaftler Pål Westermark ist ein Experte auf dem Gebiet und beschäftigt sich schon seit Langem mit dem Zusammenspiel zwischen innerer Uhr und Stoffwechselwegen. Im Dezember 2016 hat er seine neuesten Ergebnisse zu dem Thema im Fachjournal "PNAS" publiziert.

Äußere Umstände beeinflussen die innere Uhr

Westermark bezeichnet sich selbst als eine „leichte Eule“, ist also eher später am Tage aktiv. In der Chronobiologie wird zwischen Früh- und Spättypen unterschieden. Diese Grundausrichtung beeinflusst die Menschen bei der Uhrenumstellung, wobei die Spättypen eher unter dem künstlichen Eingriff in unseren Tagesablauf leiden. Seit zwölf Jahren erforscht er typische Verhaltensmuster und physiologische Prozesse an Mäusen, deren Lebensrhythmus unterschiedlich beeinflusst wird, seit November 2016 forscht er am FBN. „Die innere Uhr hat eine weitaus größere Bedeutung als bisher angenommen, ständig werden neue Erkenntnisse gewonnen“, sagte Westermark. „Äußere Umstände haben eine enorme Auswirkung auf unsere innere Uhr, die wiederum das eigene Immunsystem und praktisch fast alle Lebensfunktionen mehr oder weniger stark beeinflusst. Klar ist, in jedem Säugetier und vermutlich in jedem Lebewesen tickt eine innere Uhr.“ Das haben auch Forschungen unter anderem an Fruchtfliegen und Pflanzen ergeben, deren innere Uhren mittlerweile gut verstanden werden.

Innerer Rhythmus von Nutztieren bestimmt deren Leistung

Nach zwölf Jahren Grundlagenforschung in der Chronobiologie will der Biophysiker nun den nächsten Schritt gehen. „Wir bereiten aktuell am FBN die Erforschung von Biorhythmen an Kühen vor“, erläutert Westermark. Später sollen auch Schweine einbezogen werden. Weltweit sind nur wenige Forschergruppen bekannt, die chronobiologische Prozesse an Nutztieren erforschen. Westermark und sein Team wollen vor allem untersuchen, wie unterschiedliche Lebensrhythmen bei der Kuh körperliche Funktionen, Leistung und Wohlbefinden beeinflussen. Dabei kommt es vor allem auf das Licht, das Essverhalten, Stress- und Ruhezustände, die Regeneration im Schlaf, den Lärm sowie das Stalldesign an. Außerdem ginge es ihm auch darum, die individuellen genetischen und erblichen Ursachen zu identifizieren. „Unsere Vision ist zu lernen, was die innere Uhr für das grundlegende Wohlbefinden der Tiere bedeutet. In der Folge hat das auch eine immense Bedeutung für die Humanbiologie.“

jmr

Um den Fischbestand zu erhalten, gibt es bisher eine Mindestgröße, die Fische erreichen müssen, bevor sie gefangen werden dürfen. Dadurch wird verhindert, dass zu junge Tiere abgefischt werden und der Nachwuchs gefährdet ist. Daher sind die meisten Fanggeräte so konzipiert, dass die großen Fische ins Netz gehen, während die kleineren entkommen können. Diese größenselektive Fischerei schützt zwar zunächst die kleineren Fische, doch ist unklar, wie sich diese Selektion auf lange Sicht auf das Wachstumspotenzial, das Verhalten oder gar die Gene der Fische auswirkt. Forscher des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) und der Universität Turku (Finland) haben nun nachgewiesen: die stete Entnahme der größten Individuen aus einem Fischbestand zieht tatsächlich Veränderungen in der Aktivität von Tausenden Genen nach sich.

Nach fünf Generationen bereits Genom-Veränderungen

Unter kontrollierten Bedingungen wurde in einem fast zehn Jahre dauernden Experiment der Zusammenhang zwischen größenselektiver Fischerei und möglichen genetischen Veränderungen untersucht. Zwei Populationen des genetischen Modellorganismus Zebrafisch wurden über fünf Generationen hinweg mit zwei unterschiedlichen Strategien befischt: während bei einer Population nur die größten Individuen entnommen wurden, wurde die zweite Population zufällig befischt. Anschließend wurden beide Gruppen für eine Dauer von sechs Generationen gar nicht befischt, um sich von dem Fischereidruck zu erholen.

Die Ergebnisse der Studie haben die Wissenschaftler im Journal Molecular Ecology veröffentlicht: die Fische haben sich sehr schnell an die größenselektive Befischung angepasst. Nach nur fünf Generationen kam es zu Veränderungen in der Aktivität und Ausprägung von rund 4300 Genen. Diese Veränderungen im Ausprägungsmuster der Gene, gingen außerdem mit Veränderungen in Hunderten kleiner DNA-Abschnitte einher. Sobald veränderte Ausprägungsmuster bis in die Genorte (Allele) in der DNA nachgewiesen werden können, spricht man von Evolution. „Damit ist der Beweis erbracht, dass sich ein hoher, größenselektiver Fischereidruck sowohl in der DNA als auch in den davon gesteuerten Ausprägungsmustern vieler Gene nachweisen lässt – die Fischerei beeinflusst die Evolution“, erläutert Projektleiter Robert Arlinghaus vom IGB.

Genetische Veränderungen sind langanhaltend

Und nicht nur die Gene werden durch die selektive Fischerei beeinflusst. Eine bereits 2015 publizierte Studie hat gezeigt, dass an Fischerei angepasste Fische mehr Energie in Fortpflanzung investieren, ein langsameres Wachstum im Erwachsenenalter aufweisen und insgesamt scheuer sind. „Die beiden Studien belegen zusammengenommen, dass die genetischen Veränderungen tatsächlich auch veränderte Merkmale wie eine reduzierte Größe im Erwachsenenalter hervorbringen. Da die Veränderungen genetisch bedingt sind, lassen sich das verlangsamte Wachstum oder die Scheuheit selbst nach Einstellen der Fischerei nicht einfach so umkehren“, ergänzt Arlinghaus.

Fangfenster mindern Selektionsdruck

Damit wird die größenselektive Fischerei zu einem Evolutionsfaktor. Die großen, zutraulicheren Exemplare werden weggefischt, während die kleineren und scheueren Fische überleben, und so ihre Gene und Verhaltensmuster weitervererben können. Das bekommen auch Fischer und Angler zu spüren, deren Fänge immer kleiner ausfallen. Arlinghaus wirbt für eine nachhaltigere Fischerei: „Wir empfehlen statt der gängigen Mindestmaße sogenannte Entnahmefenster als Fangbestimmung einzusetzen. Durch die Vorgabe von Mindest- und Maximalmaßen, die zusammengenommen das Entnahmefenster bilden, werden sowohl die kleinen, unreifen als auch die stattlichen, großen Laichtiere geschont.“ Durch diese Maßnahme würde der Selektionsdrucks auf Wachstum, Geschlechtsreifung und Scheu verringert. Außerdem betont Arlinghaus, würde durch diese Maßnahme auch die Anpassungsfähigkeit der Population und so das langfristige Überleben der Fische unterstützt werden.

jmr

Globale Veränderungen stellen neue Ansprüche an die Landwirtschaft. Die wachsende Weltbevölkerung, der Klimawandel und der nachhaltige Umgang mit Ressourcen sind nur einige davon. Eine Anpassung des Pflanzenbaus und der Verfahrenstechnik an die neuen Anforderungen ist deshalb notwendig.

Neue Pflanzenbausysteme entwickeln

In einem Artikel für die Fachzeitschrift "Landtechnik" beschäftigen sich Wissenschaftler des Julius-Kühn-Instituts (JKI), des Thünen-Instituts und der Universität Braunschweig, wie der Pflanzenbau der Zukunft grundlegend „neu zu denken“ ist. Das Projekt „Mit autonomen Landmaschinen zu neuen Pflanzenbausystemen“ wird vom Bundeslandwirtschaftsministerium gefördert.

Mini-Roboter mit Sensoren für Precision Farming

Die gegenwärtige Landwirtschaft steht in der Kritik. „Angesichts von Nitratbelastung, Artenrückgang und Bodenverdichtung müssen wir kritisch hinterfragen, wie lange das noch gut geht“, so Jens-Karl Wegener, Leiter des Fachinstituts für Anwendungstechnik am JKI. Die Forscher sind sich einig: Der Einsatz noch größerer Maschinen auf noch größeren Flächen ist keine Lösung. Im Gegenteil: Auf dem Feld sollen mit Sensoren ausgerüstete Mini-Roboter ausfindig machen, was die einzelnen Pflanzen brauchen und es ihnen dann bestenfalls direkt zuführen. Im Fokus stehen Wasser- und Nährstoffbedarf sowie der Schutz der Feldfrüchte vor Pilzbefall und konkurrierendem Unkraut. Die präzise Applikation von Wasser, Nährstoffen und Pflanzenschutzmitteln wird als Präzisionslandwirtschaft (Precision Farming) bezeichnet. Unnötige Überschüsse sollen damit vermieten und die Umwelt geschont werden. Gleichzeitig hilft es, die Kosten für Verbrauchsgüter zu senken.

Zukunftsmodell Spot Farming

„Solch ein Precision farming hätte natürlich auch einen Einfluss darauf, wie die Flächen künftig aussehen“, sagt Projektmitarbeiterin Lisa-Marie Urso. Bei dem neuen Anbausystem sollen kleinräumige Unterschiede der Landschaft berücksichtigt werden. Deshalb sprechen Urso und ihre Kollegen von "Spot Farming". „Vorteil des Spot Farmings wäre, dass auf einen Schlag verschiedene Fruchtfolgen gleichzeitig gefahren werden können“, erklärt Urso. Trockenere Kuppen, feuchtere Senken könnten berücksichtigt werden und innerhalb der Ackerfläche verschiedene Feldfrüchte mit unterschiedlichen Standortansprüchen angebaut werden. Und: „Das würde auf jeden Fall für mehr Artenvielfalt auf dem Feld sorgen“, so Wegener.

Projekt soll fortgesetzt werden

Die Digitalisierung in der Landwirtschaft, weiterentwickelte Sensortechnik, immer mehr Fernerkundungsdaten und die zunehmende Vernetzung von Geräten – das sind bereits gegenwärtige Entwicklungen. Auf ihnen basiert das in der Studie entworfene Zukunftsszenario des Spot Farming. In einem Workshop wurden 2016 bereits Möglichkeiten erarbeitet, wie landwirtschaftliche Prozesse von der Bodenbearbeitung bis zur Ernte mit kleinen autonomen Maschinen aussehen könnten. Aber es gibt noch offene Fragen: Welche Flächengrößen werden benötigt? Sollen Drohnen eingesetzt werden? Was darf ein Roboter maximal kosten, damit er für den Landbau interessant bleibt? Und soll er autonom und solarbetrieben zur Ladestation am Feldrand oder auf dem Hof zurückfinden? Diesen und viele anderen Punkten wollen die Wissenschaftler in einem Folgeprojekt nachgehen.

bp

In order to preserve the fish population, fish have to be above a certain size before they can be caught. This is supposed to ensure that only adult animals will be caught and the younger ones will be able to procreate. Therefore most catching devices are specified for bigger fish, while smaller ones are able to escape. Although this size-selective fishing is designed to protect smaller fish, scientists are debating to what extent this method affects the size of the fish once they reach adulthood, how it might affect their behaviour, and whether it might in fact alter the genes of the fish. Researchers at the Leibniz-Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries (IGB) together with the Turku University in Finland were able to demonstrate that the continuous removal of the biggest fish does in fact cause changes in a multitude of genes.

Genetic changes after only five generations

Under controlled conditions and taking almost ten years the exact relationship between size-selective fishing possible genetic changes was analyzed. Two populations of the model organism Zebrafish were kept and caught for five generations. For one population only the biggest fish were extracted, while random fish were taken from the other population. Subsequently no fish were caught for either population for six generations in order to recover from fishing pressure. The results of the study are published in the journal Molecular Ecology: within only five generations of size-selective fishing the fish adapted the expression and activity of more than 4300 genes. These changes in gene expression pattern also co-occurred with changes to hundreds of small gene locations (allele). Changes in gene expression that extent to the gene locations are a hallmark of evolution. “This proves that increased, size-selective fishing pressure translates to the DNA structure and to gene expression patterns – fishing affects evolution”, explains Robert Arlinghaus at the IGB, head of the research project.

Genetic changes are lasting changes

Not only the genes are affected by the selective fishing methods. A previous study published in 2015 already showed that adapted fish invest more energy into reproduction, grow slower in adulthood, and are generally shyer. “Combined, both studies show that genetic changes do in fact cause changed characteristics like reduced adult size. Since the changes are caused genetically, decreased growth or increased shyness cannot be reversed that easily, even after the end of fishing”, says Arlinghaus.

Size range instead of minimum size

Both studies demonstrate that size-selective fishing drives evolution. The bigger, trusting animals are caught, while the smaller and shyer fish survive and are thus able to pass on their genes and behavioural patterns. Also the fishermen are recognizing that they are catching fewer and fewer sizeable fish. Arlinghaus is calling for a more sustainable fishing method: “We recommend new regulations that work with a window of size rather than a minimum size for catching fish. With the minimum and maximum sizes both extremes would be protected: the smaller, immature fish, but also the bigger animals that are ready to spawn. This regulation would significantly reduce the selection pressure for characteristics such as growth, sexual maturity, and shyness. Arlinghaus also stresses that this regulation would additionally protect the adaptability of an entire fish population as well as their long-term survival.

jmr

Wie kann die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen verbessert werden?  Diese Frage treibt derzeit Forscher an, um die Zukunft der alternativen Stromerzeuger zu sichern. Bisher sind Anlagenbetreiber auf die im Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) festgeschriebene Einspeisungsvergütung angewiesen. Eine geplante Reduzierung dieser stattlichen Förderung, die die höheren Herstellungskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern ausgegleichen, könnte für viele der bundesweit mehr als 8.500 Biogasanlagen das Aus bedeuten. In Sachsen wollen daher Forscher und Unternehmen gemeinsam beweisen, dass Biogasanlagen auch unabhängig von Förderungen eine Perspektive haben. „Ein mögliches Konzept ist die alternative Nutzung des Biogases zur Herstellung hochwertiger chemischer Produkte“, erklärt Erik Reichelt vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden.

Demonstrationsanlage zur Wachsherstellung

Im Rahmen des SAB-Projektes wird der IKTS-Forscher mit vier Unternehmen aus Sachsen sowie der Technischen Universität Bergakademie Freiberg beweisen, dass Biogasanlagen auch geeignete Produktionsstätten für Biowachse sind, die sowohl in der Kosmetikindustrie als auch bei der Herstellung von Schmierstoffen erdölbasierte Stoffe ersetzen könnten.  Im Fokus stehen insbesondere der Aufbau und der Betrieb einer Demonstrationsanlage zur Wachsherstellung an einer Biogasanlage. Auf Basis der Prozessdaten so abschließend die Wirtschaftlichkeit des Konzepts bewertet werden. Das Verbundprojekt wird in den kommenden drei Jahren aus Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) sowie dem Freistaat Sachsen finanziert.

Biowachse für Kosmetik und Schmierstoffe

Biogas besteht aus Methan und Kohlenstoffdioxid. Im Projekt wollen die Forscher nun das Kohlenstoffdioxid zur Synthese von Wachsen nutzen. Reichelt ist überzeugt, dass die Umsetzung von Biogas zu Biowachsen eine aussichtsreiche Zukunftsoption für bestehende Anlagen darstellt. Denn diese Wachse sind aufgrund ihrer Reinheit vor allem für die Kosmetikindustrie geeignet und könnten erdölbasierte und teils unverträgliche Stoffe in Cremes ersetzen. Darüber hinaus sind Biowachse auch als Schmierstoffe einsetzbar. Hier garantiert die Reinheit der Wachse stets eine definierte Produktzusammensetzung, also verlässliche Eigenschaften, die mit erdölbasierten Schmierstoffen nicht in Gänze erreichbar sind.

„Mit dem erfolgreichen Projektabschluss können wir eine Technologie anbieten, bei dem unsere Kunden erstmals eine Wahl haben zwischen Energieerzeugung und Herstellung von nachhaltigen Produkten. Für die Biogasbranche werden damit ganz neue Perspektiven aufgezeigt“, betont Gerhard Wilhelm, Geschäftsführer der Firma Ökotec Anlagenbau GmbH, die an dem Projekt beteiligt ist.

bb

Waldbrände sind einerseits Katastrophen, aber auch für den Fortbestand des Ökosystems Wald notwendig. Durch die natürliche Auslese des Feuers erfährt der Wald eine ökologische Verjüngungskur, weil so neue Lebensräume für Pflanzen und Bäume geschaffen werden. Während der Mensch über Jahrhunderte mit gezielten Bränden den Fortbestand mitunter anstoßen musste, scheint die Runderneuerung durch Feuer heute durch den Klimawandel befördert zu werden. Auch andere von der Natur gemachte Störgrößen wie Sturm, Dürre und Insektenbefall erhalten dadurch eine andere Dynamik. Das zeigt erstmals eine internationale Studie, an der neben Deutschland Forscher aus neun Ländern beteiligt waren.

Stressfaktoren durch Klimawandel beeinflusst

Unter Leitung von Potsdamer Klimaforschern wurde erstmals untersucht, wie der Klimawandel auf die natürlichen Stressfaktoren des Waldes wirkt. 600 Forschungsarbeiten der letzten 30 Jahre wurden dafür hinsichtlich der möglichen Klimafolgen durchforstet und ausgewertet. Wie das Team im Fachjournal „Nature Climate Change“ berichtet, zeigt die Analyse, dass in Zukunft mit zunehmenden Risiken für Wälder zu rechnen ist. Der Grund: Die gewohnten Störungen haben sich durch den Klimawandel schon verändert.

Wiederstandsfähigkeit der Wälder bedroht

„Das hat Folgen für die Fähigkeit des Waldes, den Menschen nützlich zu sein – zum Beispiel mit seinem Holz, als Schutz vor Lawinen oder auch einfach als Erholungsraum“, erklärt Projektleiter Christopher Reyer vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. „Verstärkt der Klimawandel die Störungen immer weiter, ist das ein Risiko für die Widerstandsfähigkeit der Wälder – langfristig könnten sich die Ökosysteme so wie wir sie heute kennen gravierend verändern“. Primär beeinflusst das Klima zwar zunächst das Wachstum von Bäumen und Pflanzen. Doch vom Regen durchtränkte oder weniger gefrorene Waldböden geben den Bäumen bei Sturm weniger Halt und machen sie anfälliger. Zugleich sind tote und absterbende Bäume eine Brutstätten für Insekten und lebendes Holz anfälliger für Insektenbefall.

Forstwirtschaft muss sich anpassen

Fest steht: Das Risiko durch Feuer, Schädlinge und Pilzbefall im Zuge des Klimawandels wird weiter zunehmen. Die verheerenden Waldbrände in Kanada und Russland sind für die Forscher beispielhaft. Die Wissenschaftler rechnen damit, dass diese Stressfaktoren in Nordamerika, Australien und Asien zukünftig eine noch größere Rolle spielen werden. Die Wälder in Nord- und Mitteleuropa werden der Studie zufolge hingegen zunehmend von Stürmen wie Orkan Kyrill in 2007 bedrängt. „Unsere Analyse zeigt sehr deutlich, dass der Klimawandel für die Wälder eine enorme Herausforderung bedeutet – die Forstwirtschaft muss sich anpassen und die Resilienz erhöhen, da Schäden wohl nicht völlig verhindert werden können“, betont Rupert Seidl von der Universität für Bodenkultur in Wien.

bb

Ob in Nahrungsergänzungsmitteln, Tierfutter, Arznei- und Kosmetikprodukten, Biokraftstoff oder als Abwasserreiniger: Mikroalgen scheinen wahre Alleskönner zu sein. Sie werden wegen ihrer hochwertigen und gesundheitsfördernden Inhaltsstoffe vor allem als Ausgangsstoff für die Herstellung von Lebens- und Futtermitteln geschätzt. Das hochwertige pflanzliche Protein macht sie zu einer Alternative für tierische oder andere Eiweißquellen. Wegen ihres geringeren Ausstoßes von Treibhausgasen helfen sie zudem, Ressourcen zu schonen.  All diese Eigenschaften machen die grünen Winzlinge weltweit zu wichtigen Kandidaten für eine nachhaltige Produktion. Ob die Hoffnungen begründet sind, wollen Forscher der Universität Hohenheim nun prüfen.

Biomassebilanz der Mikroalgen-Produktion

„Algen nutzen das Sonnenlicht effektiver als Landpflanzen und wachsen schneller. Daher eignen sie sich gut als alternative Proteinquelle für Lebens- und Futtermittel“, erklärt Sebastian Weickert von der Universität Hohenheim. Zwanzig von insgesamt 300.000 Algenarten werden weltweit bisher kommerziell genutzt. Im Rahmen eines vom Land Baden-Württemberg geförderten Verbundprojektes zum Einsatz von Mikroalgen in der Ernährungs- und als Futtermittelindustrie müssen sich die Algen nun mit vergleichbaren Proteinquellen messen lassen. Mittels Computersimulation wollen Hohenheimer Wissenschaftler die Biomassebilanz der Mikroalgen-Produktion mit der von tierischen und anderen pflanzlichen Eiweißquellen vergleichen.

Zukunftszenarien simulieren

Dazu betrachten sie die heutige Situation und vergleichen sie mit möglichen Szenarien im Jahr 2030 und 2050. Im Fokus stehen die Auswirkungen der Algenproduktion auf die Umwelt. Eine zentrale Frage dabei: Werden durch den Einsatz von Proteinen aus Mikroalgen im Vergleich zu tierischen Eiweisen tatsächlich Ressourcen geschont, also weniger Treibhausgase ausgestoßen oder Ackerflächen genutzt? Hier gilt zu unterscheiden, dass Algen sowohl mit Licht als auch ohne Licht gezüchtet werden können. „Die Produktion mit Licht ist vor allem in ökologischer Hinsicht von Vorteil. Oft werden die Algen in großen Teichen, sogenannten Ponds, gezogen. Aber das Verfahren ist unwirtschaftlich und es besteht die Gefahr der Kontamination,“ erklärt Weickert. Eine  Alternative könnten hier geschlossene Reaktorsysteme wie Röhren-, Platten- und Sackreaktoren sein, die es Weickert zufolge für „kommerzielle Produktionssysteme im industriellen Maßstab" aber kaum gibt. Zieht man die Algen in geschlossenen Systemen ohne Licht ist eine Kontamination zwar ausgeschlossen. Die Mikroalgen müssen dafür aber zusätzlich mit dem nötigen Zucker versorgt werden. Dadurch den Anbau der Zuckerpflanzen werden aber Flächen und Dünger verbraucht, was wiederum die Gesamtbilanz negativ beeinflusst.

Aber auch die wirtschaftliche Seite der Algen-Produktion, ob sie sich rechnet oder wie sich der globale Agrarsektor und die Nahrungsmittelversorgung entwickeln wird, wenn man die Proteinquellen Fleisch und Soja teilweise durch Algen ersetzt wird, wollen die Forscher hinterfragen.

Verbraucherverhalten ausloten

Auch die Haltung des Verbrauchers zu Mikroalgen spielt dabei eine Rolle. Insbesondere der teils fischige Eigengeschmack, der mit Licht kulivierten Algen eigen ist, scheckt oft noch ab. „Unser Projekt fokussiert daher auf die aus den Zellen isolierten, reinen Proteine. Sie wären gut in die Nahrungsmittelproduktion integrierbar, haben aber bis dato noch keine Zulassung in der EU“, erklärt Weickert. Was die Verbraucher von Mikroalgen halten, wollen die  Forscher in einer Umfrage gemeinsam mit der Universität Göttingen herausfinden.  „Wir wollen auch wissen, ob die Verbraucher überhaupt bereit wären, ihren Fleischkonsum zugunsten von Algen-Protein zu reduzieren“, ergänzt Projektleiter Harald Grethe.

All diese Aspekte und Möglichkeiten wollen die Forscher in den nächsten Jahren am Computer durchspielen. Am Projekt sind neben der Uni Hohenheim, die Universitäten Freiburg, Tübingen und Stuttgart sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Max Rubner-Institut in Karlsruhe und das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart beteiligt.

bb

Mitte Mai hatte der Vorstandsvorsitzende des Bundesverbands Bioenergie (BBE) Artur Auernhammer zum Thema „Bioenergie – eine gute Wahl!“ in die Österreichische Botschaft in Berlin eingeladen. Bundestagsabgeordnete aller im Parlament vertretenen Parteien haben hier diskutiert, welche Rolle Bioenergie zukünftig in Deutschland spielen soll. Unter Moderation von Sandra Rostek, Leiterin des Hauptstadtbüros des BBE, stellten die Bundestagsabgeordneten Karl Holmeier (CSU), Alois Gerig (CDU), Johann Saathoff (SPD), Julia Verlinden (Bündnis 90/Die Grünen) und Eva Bulling-Schröter (Die Linke) ihre Positionen vor. Grundsätzlich herrschte parteiübergreifend Einigkeit darüber, dass Bioenergie für eine erfolgreiche Energiewende unverzichtbar sei.

Ob Deutschland hierfür gut aufgestellt ist, darüber gingen die Positionen jedoch auseinander. „Das Klimaziel bis 2020 wird Deutschland nicht erreichen“, prognostizierte Bulling-Schröter. Bioenergie sei „im Begrenzten wertvoll“, um den Zielen so nahe wie möglich zu kommen. Wie die Grünen-Politikerin betrachtet die Vertreterin der Linken Biomasse jedoch als endliche Ressource, die klug eingesetzt werden müsse. Dass die Nutzung biogener Reststoffe in Abstimmung mit anderen erneuerbaren Energien erfolgen muss, betonten auch die Vertreter von CSU und SPD. Eine wichtige Funktion sehen alle Politiker für die Bioenergie im Stromsektor. Hier sei Bioenergie wichtig, um die Schwankungen in der Versorgung durch andere erneuerbare Quellen wie Wind- und Sonnenenergie auszugleichen.

Bioenergie soll weiter auf der politischen Agenda stehen

Auf die kritische Frage von Moderatorin Sandra Rostek, warum denn in der letzten Legislaturperiode bezüglich Bioenergie keine größeren Fortschritte erzielt wurden, gaben auch die Vertreter der Regierungsparteien zu, dass die Resultate hinter ihren Wünschen zurückgeblieben seien. SPD-Politiker Saathoff bedauerte, dass Uneinigkeiten bei den Koalitionspartnern verhindert haben, dass die Bioenergie weiter vorangebracht worden sei. Während früher insbesondere die Kosten im Fokus standen, sei nun durch Fragen der Nutzung erneuerbarer Energie einerseits und dem Netzausbau andererseits ein neues Fenster aufgegangen. Es müsse nun entschieden werden, wo und in welchen Bereichen mehr von welchen erneuerbaren Energien eingesetzt werden müssen, um die Klimaziele zu erreichen. Da käme der Bioenergie eine wichtige Rolle zu. Alle Abgeordneten äußerten sich zuversichtlich, dass bei der Weiterentwicklung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) für 2019 die Bioenergie in deutlich größerem Umfang berücksichtigt wird.

Biogasanlagen: Vorteile dezentraler Energiegewinnung

Als Energieträger stand vor allem Biogas im Fokus der Veranstaltung. SPD-Politiker Saathoff unterstrich die Bedeutung der Gülleverwertung in Biogasanlagen. Hierdurch könne das Treibhausgas Methan genutzt und der Atmosphäre entzogen werden, denn die Klimarelevanz bei Methan sei wesentlich höher als von CO₂, erläuterte Saathoff. CDU-Politiker Alois Gerig betonte unterdessen, dass die Flexibilität der Biogasanlagen optimiert, die Nutzung verbessert und neue Ausschreibemodelle entwickelt werden sollten. „Durch falsche Fördermaßnahmen zwischen 2007 und 2012 ist es zu Spannungsfeldern gekommen. Das EEG von 2016 ist hingegen wieder ein Lichtblick“, so Gering. Es gelte nun, darauf aufzubauen.

Mehrfach betont wurde bei der Veranstaltung, dass der Fokus zukünftig auf der besseren Verwertung von Reststoffen liegen müsste. Heimische Eiweißfutter aus der Landwirtschaft könnten bei der Herstellung von Biokraftstoffen dezentral und zur Förderung ländlicher Regionen genutzt werden, hieß es.

Biotreibstoff heizt Debatte an

Welche Bedeutung die Biotreibstoffe zukünftig spielen sollen und was das für die Quote der Treibhausgase (THG) bedeutet, wurde ebenfalls kontrovers diskutiert. Unternehmen, die Kraftstoffe in den Verkehr bringen, werden seit 2007 durch das Biokraftstoffquotengesetz von der Bundesregierung verpflichtet, fossilen Kraftstoffen einen steigenden Mindestanteil an Biokraftstoffen beizumischen. Bis Ende 2014 galt eine energetische Beimischungsverpflichtung, nach der fossilen Kraftstoffen 6,25% Energieanteil Biokraftstoffe beizumischen waren. Seit 2015 mussten die Inverkehrbringer von Kraftstoffen eine Treibhausgasminderungsquote (THG-Quote) in Höhe von 3,5% erfüllen, seit 2017 sind es 4%. Da Biokraftstoffe nur etwa halb so hohe Treibhausgasemissionen verursachen wie fossile Kraftstoffe, müssen hierfür heute rund acht Prozent Biokraftstoffe beigemischt werden. Im Jahr 2020 soll die THG-Quote auf 6% ansteigen.

SPD und CDU/CSU befürworten – wie auch der BBE – ein stufenweises Anheben der THG-Quote bis 2020. Die Linke und die Grünen sehen die THG-Quote indes grundsätzlich als problematisch an. Letztere fordern – auch für den Verkehr – einen hundertprozentigen Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger. Sowohl die Beimengung von Biokraftstoff als auch die THG-Quote würden aber eher die Beimischung zu erölbasierten Kraftstoffen fördern. Das könne nicht das Ziel sein, betonte Julia Verlinden. Grundsätzlich gelte es zu überdenken, wohin sich der Verkehr entwickeln solle.

Wärmepolitik muss weiterentwickelt werden

Viel Kritik gab es mit Blick auf die aktuelle Wärmepolitik, da die Nutzung erneuerbarer Energien bisher nur auf einem geringen Niveau erfolgt. „Das EE-Wärmegesetz auf Bundesebene ist keine Unterstützung“, sagte Grünen-Vertreterin Verlinden. „Die Förderung von Ölheizungen sollte grundsätzlich abgeschafft werden.“ Stattdessen sprach sie sich  – wie auch der BBE – für eine Förderung alternativer Heizmethoden aus. Sie merkte an, dass mit Biomasse erzeugte Wärme analog zum Strom in ein Wärmenetz eingespeist werden sollte. Verlinden schlug zudem ein „Klimawohngeld“ vor, mit dem Bewohner in energetisch guten Wohnungen entlastet werden sollen.

Preis für Kohlendioxid in der Diskussion

Als Anreiz für den Ausbau der Erneuerbaren Energien setzt der BBE auf einen Preis auf Kohlendioxid. Im Stromsektor sowie bei der Wärmeversorgung soll nach Meinung des BBE eine CO₂-Bepreisung eingeführt werden, die jeweils spezifisch modelliert wird und für die Kunden aufkommensneutral bleibt. Der BBE erhofft sich einen fairen Wettbewerb zwischen stark CO₂ ausstoßenden Kohlekraftwerken und sauberen Erneuerbaren Energien, wenn sich die Klimakosten im Preis widerspiegeln. Damit folgt der BBE einem Vorschlag der „Initiative Nachhaltige Finanzreform“, der neben dem BBE 18 weitere Organisationen aus Wirtschaft und Gesellschaft angehören.

CDU-Vertreter Gering fand den BBE-Vorschlag persönlich zwar gut, hielt ihn mit Blick auf die Wirtschaftskraft und Arbeitsplätze aber nur für schwer realisierbar. Die SPD widerum steht dem Konzept offener gegenüber. Es sollte ein „minimaler CO₂-Preis definiert werden“, sagte Saathoff. Auch die Grünen äußerten sich positiv: „Wenn die EU keinen CO₂-Mindestpreis im Emissionshandel einführt, dann muss es auf nationaler Ebene geschehen.“ Sektorübergreifend solle über die CO₂-Bepreisung diskutiert werden. „CO₂ muss überall gleichviel kosten – egal ob für das Heizen oder als Benzin“, unterstrich Verlinden.

bp

Die Zuckerrübe (Beta vulgaris) ist eine recht junge aber auch sehr vielfältige Nutzpflanze, deren Anbau in Europa weit verbreitet ist. Die Kultivierung der Zuckerrübe war zugleich der Startschuss für die industrielle Zuckerproduktion. Heute stammt etwa ein Drittel des weltweit konsumierten Zuckers aus der Zuckerrübe, wodurch rund 25 Mrd. Euro jährlich erwirtschaftet werden. Allerdings wird der Anbau und vor allem der Ernteertrag der Rübe immer häufiger durch die Pflanzenkrankheit Rizomania bedroht. Erreger ist das BNYV-Virus (Beet Necrotic Yellow Vein Virus). Es wird durch im Boden lebende Pilze übertragen. Rizomania ist weltweit für bis zu 80% der Ertragsverluste beim Zuckerrübenanbau verantwortlich. Diese erheblichen Verluste kommen zustande, weil sich Rizomania nicht mit herkömmlichen Pflanzenschutzmitteln bekämpfen lässt. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Universität Kiel (CAU) hat ein neues Resistenzgen entdeckt, welches die Pflanze vor dem Befall schützt.

Rizomania überwindet resistente Rüben

Resistenzzüchtungen werden bei Zuckerrüben und anderen Nutzpflanzen bereits seit Jahrzehnten eingesetzt. Dem Rizomaniaerreger gelingt es aber in den letzten Jahren immer öfter, den bisher verwendeten genetischen Resistenzmechanismus der Rüben zu überwinden. Das Forscherkonsortium hat nun ein alternatives Resistenzgen gegen Rizomania aufgespürt, welches in Wildpopulationen der Zuckerrübe vorkommt. Damit ist es nun auch für die Pflanzenzüchtung nutzbar. Die Studie wurde im Fachjournal "Nature Communications" veröffentlicht.

Dänische Wildrüben bieten Schlüssel zur Resistenz

Dass es ein alternatives Resistenzgen gibt, war bereits bekannt. Doch die Rübensorten, die diesen alternativen Schutz aufweisen, haben weniger Ertrag als die gängigen Sorten gebracht und wurden deshalb bisher in der Landwirtschaft kaum genutzt. Um das Gen zu identifizieren, zog es die Forscher an die Küstenregion der dänischen Insel Seeland. Dort gibt es eine wilde Zuckerrübenpopulation, denen der Rizomaniaerreger nicht schadet. "Interessanterweise haben wir festgestellt, dass resistente und anfällige Wildrüben dort auf einer Strecke von 15 Kilometern nebeneinander vorkommen", sagt Gina Capistrano-Gossmann vom CAU. "Resistente Pflanzen haben dort also keinen Vorteil gegenüber anfälligen Pflanzen, da der Boden nicht mit dem Rizomania-Virus infiziert ist", erklärt Capistrano-Gossmann.

Um die genetische Grundlage der Resistenzbildung in diesen Wildrüben zu entschlüsseln, verglich das Forschungsteam die Gensequenzen der resistenten Wildrüben mit den Sequenzen der anfälligen Wildrüben. "Durch die Kombination von Sequenzvergleichen mit einer Assoziationsanalyse in der gesamten Wildrübenpopulation konnte die Lage des bislang unbekannten Resistenz-Gens im Genom eingegrenzt werden", sagt Bernd Weisshaar von der Universität Bielefeld, der die bioinformatische Auswertung der Studie leitete.

Biodiversität ermöglicht alternative Resistenz

Da sie die resistenzgebende Gensequenz nun kennen, können die Forscher direkt zwischen resistenten und anfälligen Jungpflanzen unterscheiden. Die von dieser Sequenz kontrollierte Resistenzreaktion der Zuckerrüben kann zudem zukünftig auf molekularer Ebene untersucht werden. Mithilfe dieser neuen Erkenntnisse könnten der Landwirtschaft künftig Rübensorten zur Verfügung stehen, die zuverlässig unempfindlich gegenüber Rizomania sind.Bemerkenswert an dem Projekt ist außerdem der Ursprung der Resistenz aus Wildpflanzen. Dieses unterstreiche die Bedeutung und das Potenzial, welche die Bewahrung der natürlichen Biodiversität und ihres genetischen Pools hat, resümieren die Forscher.

jmr

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

Rhizomania overcomes previous resistance mechanism

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

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

Wild sugar beets in Denmark hold the resistance key

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

Biodiversity enables alternative resilience

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

jmr

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

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

Pilze erwecken Bakterien zu neuem Leben

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

Pilzhyphen sind Miko-Pipelines für Wasser, Zucker und Nährstoffe

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

Relevanz für das Ökosystem Boden

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

bp

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

Einflüsse auf Vielfalt der Tropenwälder

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

Preis für nachhaltige Spitzenleistung

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

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

bb

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

Biological residues turned into CO₂-neutral energy

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

Biocoal with 70% higher energetic value than raw material

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

jmr

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

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

Wie lässt sich Boden sinnvoll nutzen?

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

Herausforderung Klimawandel und Welternährung

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

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

Alternativen zum externen Einsatz von Stickstoffdünger 

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

Gärprodukte aus Biogasanlagen als Bodenoptimierer

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

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

Zweite Leidenschaft Musik

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

Interview: Beatrix Boldt

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

Gelber Farbstoff vertreibt Fressfeinde

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

Weitverbreitetes Abwehrprinzip

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

Interaktion mit der Umwelt

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

bb

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

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

Mikrobiom passt sich an

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

Mehr verdauungsfördernde Bakterien bei vegetarischem Futter

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

Fischbestände schonen

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

bb