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Regensburger Forscher haben zusammen mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston Nanopartikel entwickelt, die Schadstoffe aus Wasser und Erdreich absorbieren können. Die Partikel selbst sind biologisch abbaubar. Nach dem Gebrauch lassen sie sich relativ einfach beseitigen, da sie verklumpen, wenn man sie UV-Licht aussetzt. Über ihre Erfindung berichten sie im Fachjournal Nature Communications (2015, Online-Veröffentlichung).

Der Kontakt mit bestimmten Chemikalien, z.B. mit Pestiziden oder Arzneimittelrückständen, steht im Verdacht, die Entwicklung von Krankheiten wie Krebs oder Diabetes zu begünstigen. Zwar ist die Möglichkeit, Nanopartikel zur Reinigung von kontaminiertem Wasser oder Erdreich einzusetzen, schon länger bekannt. Allerdings gibt es erhebliche Vorbehalte gegen diese Technologie, da die Nanopartikel nach ihrem Einsatz häufig in der Umwelt verbleiben und die Bildung von giftigen Nebenprodukten nicht ausgeschlossen werden kann. Deshalb ist es besonders wichtig, Wege zu finden, um die Nanomaterialien nach ihrem Einsatz einfach und effektiv zu entfernen.

Auf Licht-Kommando verklumpen die Partikel

Ferdinand Brandl vom Institut für Pharmazie der Universität Regensburg hat gemeinsam mit Rob Langer vom MIT neuartige Nanopartikel, sogenannte  amphiphile Diblock-Copolymere entwickelt. Sie können die Chemikalien aus kontaminiertem Wasser und Erdreich binden. Nach der Behandlung mit UV-Licht verlieren die Nanopartikel ihre stabilisierende Hülle und vereinigen sich zu Klumpen, die mit den Schadstoffen angereichert sind und die einfach zu beseitigen sind. Das System kombiniert somit das hohe Absorptionsvermögen von Nanopartikeln mit einem einfachen Weg zur Entsorgung der Abfälle.Erste Experimente mit Abwasser, Thermopapier und kontaminiertem Erdreich waren sehr vielversprechend und haben gezeigt, dass bei dem neuen Verfahren keine giftigen Nebenprodukte entstehen. Es erlaubt somit die künftige Entwicklung von risikoarmen und hochaktiven Materialien für die Abwasserbehandlung und die Sanierung von kontaminieren Böden.

Ob im Garten, auf Feldern und Wiesen oder im tropischen Regenwald: Regenwürmer sind überall zu finden. Auch wenn sie nicht jeder mag, die Tiere leisten einen enorm wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Böden. Denn Regenwürmer ernähren sich auch von giftigen Stoffen, die sie aus totem Pflanzenmaterial ziehen. Max-Planck-Forscher aus Bremen fanden nun heraus,  wie sich die Würmer gegen gefährliche Bestandteile ihrer Kost schützen. Ihre Studie ist im Fachjournal Nature Communications (2015, Online-Veröffentlichung) erschienen.

Was Pflanzen zum Schutz gegen Frassfeinden dient, ist für Regenwürmer ein überlebenswichtiger Nahrungsbestandteil: Polyphenole. Die Stoffe wirken als Antioxidantien und sind für die Farbgebung der Pflanze verantwortlich. Gleichzeitig sind Polyphenole für viele Pflanzenfresser nur schlecht bekömmlich, weil sie deren Verdauungsprozesse blockieren. Für Regenwürmer machen die giftigen Pflanzenstoffe einen großen Anteil ihrer Nahrung aus.  Doch wie gelingt es ihnen, die Polyphenole zu verdauen, ohne Schaden zu nehmen? Dieser Frage sind Forscher vom Bremer Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie auf den Grund gegangen. Das Team um Manuel Liebeke identifizierte dabei im Darm der Regenwürmer Moleküle, die dem Wurm als schützendes Gegenmittel dienen. Die sogenannten Drilodefensine setzen danach die pflanzlichen Abwehrstoffe außer Gefecht und kurbeln so die Nahrungsverdauung an.

Schutzmolekül setzt Giftstoffe außer Gefächt

„Es gibt weltweit eine Menge von diesen Wirkstoffen, weil es sehr viele Regenwürmer gibt, teilweise bis zu 300 pro Quadratmeter. Die Gesamtmasse der Drilodefensine ist beträchtlich, verteilt auf die Weltbevölkerung ungefähr ein Kilogramm pro Mensch“, erklärt Manuel Liebeke. Liebeke und sein Team stellten fest: Je mehr Polyphenole in der Nahrung der Würmer stecken, desto mehr Drilodefensin wird im Regenwurmdarm gebildet. Der Studie zufolge umhüllt das Schutzmolekül Drilodefensin die Nahrungseiweiße und Enzyme im Wurmdarm und verhindern so, dass die Polyphenole daran binden können. Anderenfalls würden die pflanzlichen Polyphenole auch den Darm des Wurmes schädigen.

Massenspektrometrie weist Schutzmolekül nach

Mittels Massenspektrometrie konnten die Forscher das Schutzmolekül im Darm der Würmer nachweisen und genau verfolgen, wo sich das Defensin ansammelte. Liebeke ist überzeugt, dass dieses neue bildgebende Verfahren MALDI-MS das Verständnis in der Biologie auf vielen Ebenen revolutionieren wird. „Wir sind nun in der Lage, fast jedes Molekül in einem Lebewesen wie dem Regenwurm zu lokalisieren. Und wenn wir wissen, wo sich das Molekül anreichert, hilft es uns dabei seine mögliche Funktion zu verstehen.“

Alte Fernseher, Handys oder Tablets gehören nicht in den Hausmüll, sondern müssen vorschriftsmäßig entsorgt werden. Der Grund liegt auf der Hand: Schadstoffe werden verbreitet und Ressourcen verschwendet. Nachwuchsforscher in Karlsruhe arbeiten nun an biologisch leicht abbaubaren Materialien, die auch zum Druck von Elektronikteilen geeignet sind. Diese Bioelektronik, so die Idee, könnte  später einfach auf dem Biomüll entsorgt werden. Am Projekt „Biolicht“ sind auch Partner aus der Industrie beteiligt. Das Bundesforschungsministerium stellt  1,7 Millionen Euro zur Verfügung.

2 Millionen Tonnen Elektroschrott fallen jährlich in Deutschland an. Die Möglichkeit, Elektronik wie organische Leuchtdioden für Bildschirme jeder Art kostengünstiger zu drucken, hat den Wegwerftrend noch beflügelt. Denn Elektronik aus dem Drucker liegt im Trend und lässt Geräte wie Fernseher, Smartphones und Computer immer billiger werden. Eine Entwicklung, die den Verbraucher freut, Umweltschützer jedoch mit Sorgen verfolgen. Dem wollen junge Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie nun entgegenwirken. Geht es nach den Vorstellungen der Nachwuchsforscher, könnten Halbleiter und Farbstoffe bald schon aus biologisch leicht abbaubaren Materialien wie Pflanzenextrakten und Isolatoren aus Gelantine bestehen. „Diese sind zwar nicht so langlebig wie die anorganischen Alternativen, doch die Lebensdauer von Einwegelektronik überstehen sie schadlos“, sagt Gerado Hernandez-Sosa, der die Nachwuchsforschergruppe Biolicht leitet. Das Projekt wird über einen Zeitraum vom vier Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 1,7 Millionen Euro unterstützt. Projektpartner sind neben dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Unternehmen BASF SE, Merck, Heidelberger Druckmaschinen AG und SAP AG sowie die Universität Heidelberg .

Elektronik verrottet auf dem Kompost

Der Vorteil liegt auf der Hand: Ausgediente Elektronik aus biologisch abbaubarem Material könnte problemlos wie Kartoffeln- oder Bananenschalen in den Biomüll oder Kompost geworfen werden und dort verrotten. Für herkömmliche gedruckte Elektronik wie die in Fernseh- und Computerbildschirmen verwendeten organischen Leuchtdioden (OLEDs) könnte diese Entsorgungsmethode bald möglich sein. Noch besteht die Trägerfolie der OLEDs aus der gleichen Plastik, aus der Getränkeflaschen hergestellt sind. Die Nachwuchsforscher wollen dafür Naturstoffe wie Speisestärke, Zellulose oder Chitin einsetzen. Auf Metalle und Halbmetalle wie Silizium verzichten sie fast vollständig.

In drei Jahren zur Marktreife

Diese kompostierbare Trägerfolie wird  – ähnlich wie Papier- mit elektronischen Bauteilen bedruckt. Die Funktion dieser Bauteile hängt von der dafür verwendeten Tinte ab. Anstelle von Farbpartikeln sind darin leitende, halbleitende oder nichtleitende, also isolierende, Materialien gelöst. Nach dem Auftragen trocknet das flüssige Lösemittel und die zurückbleibende Schicht bildet das entsprechende Bauteil.

Die Nachwuchsforscher von „Biolicht“ wollen dafür biologisch abbaubare Tinten entwickeln, die auf das neue Folienmaterial abgestimmt sind. Zugleich sollen die Tinten mit den in der Industrie bereits bestehenden Geräten gedruckt werden können. „Hersteller organischer Elektronik können so auf die umweltfreundlichen Materialien umsteigen, ohne ihr Druckerarsenal auszutauschen“, sagt Hernandez-Sosa. Doch zunächst müssen die Forscher umweltverträgliche Materialien finden, welche die erforderlichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Geeignet wäre danach Hartgelantine, aus der Medikamentenkapseln bestehen. Auch muss die Tinte den druckfähigen Temperaturen standhalten, darf also werden zu flüssig noch zu dick sein. Denn die Dicke, die weniger als ein tausendstel Millimeter beträgt, darf maximal um fünf Prozent schwanken. Trotz der noch hohen Herausforderungen: Das Karlsruher Team ist zuversichtlich, dass in den nächsten drei Jahren die kompostierbare Elektronik marktreif ist.

PLA - auch als Polymilchsäure bekannt - ist derzeit der wohl aussichtsreichste Kandidat unter den biologisch abbaubaren Werkstoffen. Das Biomaterial ist vor allem aus der Kunststoffindustrie nicht mehr wegzudenken und verdrängt konventionelle Verpackungen zunehmend aus den Regalen. Viele PLA-Hersteller verwerten Biomasse, die auch für Lebensmittelzwecke genutzt werden könnte.  Forscher vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen haben nun gemeinsam mit internationalen Kollegen ein Verfahren entwickelt, das auf algenbasierte Abfälle setzt. Die hierdurch gewonnene Biofolie hat erste Praxistests bereits bestanden.

Joghurtbecher, Einkaufstüten, Cremedosen, Blumenfolie oder Kugelschreiber werden zunehmend aus Polymilchsäure hergestellt. Der Grund: die Milchsäuremoleküle sind auf Grund ihrer Eigenschaft leicht abbaubar. Sogar in der Medizintechnik hat sich der PLA-Werkstoff bei der Herstellung biokompatibler Implantate daher durchsetzt. Basierend auf landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Molke kommen auch Mais als Stärke-Substrat bei der PLA- Herstellung neben Milchsäure zum Einsatz. Die Lebensmittelindustrie ist somit der stärkste Konkurrent bei der PLA-Produktion.

PLA aus Algen mit Bananen- und Mandelschalen gestärkt

Materialforscher vom Fraunhofer-Institut „UMSICHT“ haben nun im Rahmen des von der Europäischen Kommission geförderten, internationalen Konsortiums Eclipse eine alternative Biomassequelle entdeckt: algenbasierte Biomasse, die bei der Biodieselproduktion anfällt. Aus den hierin enthaltenen Algen haben die beteiligten Forscher zunächst PLA extrahiert. Durch den Einsatz von nanoskaligen Fasern und Füllstoffen aus Bananen- und Mandelschalen oder Fischereiabfällen wie Chitin aus Krustentieren wurden dann die Eigenschaften des Materials noch einmal verbessert und daraus zwei biobasierte und zugleich bioabbaubare Kunststofffolien hergestellt. Zum einen handelte es sich um Agrarfolien und um Standbeutel-Verpackungen für Feuchttücher. Beteiligt waren Partner aus Chile, Kolumbien, Spanien, Deutschland, Belgien, Schweden und Großbritannien. Im Mai lief die Förderung durch die EU aus.

Fest,widerstandfähig und biologisch abbaubar

„Die Herstellung der homogenen Blasfolie erfolgte zuerst im Technikum von Fraunhofer UMSICHT und anschließend als industrieller Prozess auf einer konventionellen Blasfolienanlage für Folien aus Polyethylen beim Projektpartner Banacol in Kolumbien. Hier konnte erfolgreich eine bis zu 10 µm dünne Mono-Blasfolie bei einem Durchsatz von 100 kg/h produziert werden", erläutert Hendrik Roch von der Abteilung Biobasierte Kunststoffe beim Fraunhofer UMSICHT. Die Vorteile der Biofolie aus Algen: Das Material besitzt auf Grund der nanoskaligen Chitin-Schalen eine hohe Festigkeit sowie Flexibilität und ist daher sehr widerstandsfähig gegen Materialschädigungen. Auch aufgrund seiner antifungiziden Eigenschaften können daraus auch biologisch abbaubare Agrarfolien in industriellem Umfang hergestellt werden. Das milchig-transparente Material ist zudem UV-beständig und sogar bei Temperaturen, die sonst für Polyethylen-Folien üblich sind, zu verarbeiten. Einen ersten Praxistest hat die Biofolie aus Algen bereits bestanden: In Feldversuchen zur Reifung von Bananen wurde der Kunststoff auf zwei klimatisch unterschiedlichen Plantagen beim Projektpartner in Kolumbien eingesetzt.

Biofolie noch nicht konkurrenzfähig

Darüber hinaus testeten die Wissenschaftler, ob die PLA-basierte Biofolie auch als Standbeutel-Verpackung für Feuchttücher geeignet ist. Auch hier erwies sich das transparente Material als äußerst fest und undurchdringlich gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff. Außerdem konnte sie problemlos auf einer konventionellen Flachfolienanlage verarbeitet werden. „Das Material ist immer noch etwas steifer als beispielsweise konventionell eingesetzte PET/PE-Folien (Polyethylenterephthalat/ Polyethylen-Folien) für Standbeutel, generell stehen die Werkstoffeigenschaften der Biofolie denen der erdölbasierten Produkte aber in nichts nach“, fasst Roch zusammen. Noch ist die Biofolie allerdings nicht konkurrenzfähig. Auf Grund ihres hohen Energieaufwandes bei der Materialherstellung können die Gesamtkosten des Herstellungsprozesses zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht mit konventionellen fossilen Kunstoffen mithalten. Daran wollen die ECLIPSE-Forscher nun weiter arbeiten.

Ob Lebensmittelhersteller, Energiefirmen oder Kosmetikindustrie - Algen sind vielfältig einsetzbar und gewinnen zunehmend als Biomasselieferant an Bedeutung. Dass in Algen auch heilende Kräfte schlummern, zeigt eine aktuelle Studie der CRM- Coastal Research & Management GmbH aus Schleswig-Holstein. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Wirkstoffe der heimischen Braunalge Fucus vesiculosus  das Wachstum von Krebszellen in der Bauchspeicheldrüse dämmen. Damit unterstreicht die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Studie das Potential der Algen als Medikamentenlieferant.

Ihr hoher Anteil an Proteinen und Kohlenhydraten hat der Alge den Ruf als gesunde Kost beschert. In Ländern wie Japan steht der Seetang traditionell auf jeder Speisekarte.  In Deutschland ist die exotische Kost noch eine Ausnahme. Ihr Potenzial als Biomasse gewinnt dagegen zunehmend an Bedeutung. In dem im Mai eröffneten Algenforschungszentrum in Jülich werden Auch im EU-Projekt „EnAlgae“ („Energetic Algae“) arbeitet ein internationales Team daran, die Entwicklung der Biomasseproduktion aus Algen voranzutreiben. In der Kosmetikindustrie haben sich Algenextrakte ebenfalls bereits durchgesetzt. Das auf Marine Biotechnologie spezialisierte Kieler Unternehmen oceanbasis nutzt seit mehreren Jahren die Wirkstoffe von Seegras zur Herstellung von Hautpflege- und Nahrungsmittelprodukten.

Heimische Braunalge als Krebstherapeutika

Am privaten Meeresforschungszentrum CRM, einem Schwesterunternehmen von oceanbasis, wurden Inhaltsstoffe aus heimischen Makroalgen nun auch auf ihre medizinische Wirkung untersucht. Dabei konnten die Forscher zeigen, dass sie offenbar eine wirksame Waffe gegen Krebs sein können. Dies geht aus einer Studie hervor, die im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes „Algen gegen Krebs“ durchgeführt wurde. Als Basis diente die in der Ostsee beheimatete Braunalge namens Fucus vesiculosus, deren therapeutische Wirkung mithilfe von mehreren Krebszellinien untersucht wurde. An dem vom CRM geführten Projekt waren neben Unternehmen wie oceanbasis auch Forscher von Universitäten aus Deutschland und Italien beteiligt. Über das Ergebnis der dreijährigen Forschungsarbeit berichtet das Team nun im Fachjournal Marine Drugs (2015, Online-Veröffentlichung).

Algenextrakt hemmt Krebswachstum

Demnach ist es den Wissenschaftler gelungen, die Wirkstoffe aus der Braunalge so aufzureinigen, dass sie das Zellwachstum verschiedener Zelllinien des aggressiven Bauchspeicheldrüsenkrebses (Pankreaskrebs) mit einem speziellen Wirkmechanismus eindämmt. Der verwendete Algenextrakt führte dazu, dass die Krebszellen vermehrt Enzyme produzierten, welche die Prozesse der Zellvermehrung behinderten. Das betraf insbesondere die sich stark vermehrenden Krebszellen - hingegen weniger die gesunden Zellen. Auch in Kombination mit bekannten Krebsmedikamenten zeigte der Algenextrakt der Studie zufolge eine hohe in-vivo-Wirksamkeit. Auf Basis der Ergebnisse sind die CRM-Forscher nun auf der Suche nach Partnern, mit denen die Algenextrakte als Wirkstoffe zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs weiterentwickelt werden können.

Ginster ist in Europa eine weitverbreitete Pflanze. Die leuchtend gelben Blüten sind das Markenzeichen des Strauchgewächses und die ersten Sommerboten. Doch auch weit weg vom beheimateten Territorium ist der Schmetterlingsblütler zu finden: im mediterranen Afrika genauso wie in West-Asien. Für diese und andere Pflanzen liefert nun ein Weltatlas erstmals einen globalen Überblick. Die Datenbank gibt an, welche Pflanzenarten sich wo angesiedelt haben und wo sie eigentlich beheimatet sind. Die Datenbank „Global Naturalized Alien Flora (GloNAF) wurde in vierjähriger Forschungsarbeit von einem internationalen Biologen-Team unter Leitung der Universität Koblenz und unter Mitwirkung von Göttinger Nachwuchsforschern zusammengestellt. Mit Hilfe der Daten kann nun vorhergesagt werden, welche Pflanzenarten wo besonders dominant werden könnten. Die beteiligten Forscher berichten darüber im Fachjournal Nature (2015, Online-Veröffentlichung).

Pflanzen wie der Steckginster (Ulex europaeus) mit seinen typisch gelben Blüten prägen das Bild heimischer Wiesen und Felder.  Doch auch in Neuseeland gehören die leuchtend gelben Felder seit langem zum Landschaftsbild. Wie der in Europa beheimatete Stechginster sind auch andere zahlreiche Pflanzenarten inzwischen weit weg von ihrem ursprünglichen Territorium zu finden. Mithilfe der ersten globalen Datenbank, der „Global Naturalized Alien Flora“ (GloNAF)  konnten Forscher mindestens 13.168 Pflanzenarten identifizieren, die heute außerhalb ihres heimischen Lebensraums sesshaft sind. Das entspricht 3,9 Prozent der Flora weltweit.

Weltkarte zu eingewanderten Pflanzen

Die Datenbank ist eine internationale Gemeinschaftsarbeit, an der Wissenschaftler von 83 Forschungseinrichtungen beteiligt waren. Unter der Leitung von Mark van Kleunen von der Universität Konstanz wurden hier Daten aus 481 Festlandgebieten und 362 Inseln  - dies entspricht rund 83 Prozent der weltweiten Landfläche - zusammen getragen. „Die größte Herausforderung bestand darin, die Namen der Pflanzenarten zu standardisieren. Sie beschreibt, wo sich fremde Pflanzenarten weltweit ausgebreitet haben und wo sie herkommen“, berichtet van Kleunen.

Europa ist Pflanzen-Exporteur Nr. Zwei

Im Fachjournal Nature berichten die Forscher nun über erste Ergebnisse, die sich aus der Sammelarbeit ergeben. Demnach gibt es in Nordamerika mit knapp 6.000 gebietsfremden Arten die meisten eingebürgerten Pflanzen. Auf Platz Zwei folgt Europa mit über 4.000 Pflanzenarten, die ursprünglich aus anderen Gefilden stammen. Im Verhältnis zu ihrer Fläche verzeichnen jedoch die pazifischen Inseln den größten Zuwachs an fremden Pflanzenarten, während die Länder der nördlichen Hemisphäre die größten „Exporteure“ sind, angeführt von Europa und dem nicht-tropische Teil Asiens. „Mit dieser Datengrundlage können wir nun beginnen, stärker Fragen nach den biologischen Zusammenhängen zu stellen“, erklärt van Kleunen.

Die Wissenschaftler der Göttinger Universität Holger Kreft und Patrick Weigelt von der Free Floater-Nachwuchsgruppe Biodiversität, Makroökologie und Biogeographie stellten für die Studie Daten zu zahlreichen Inselfloren bereit. „Die große Zahl eingebürgerter Pflanzenarten auf Inseln ist besonders besorgniserregend, weil sie dort wegen vieler freier Nischen leichtes Spiel haben und die endemischen Arten zunehmend verdrängen“, erläutert Kreft.

Datenbank als Hilfsmittel für Vorhersagen

Mit der globalen Datenbank wurde nun erstmals eine wissenschaftliche Grundlage geschaffen, um offene Fragen wie nach den Faktoren, die zur Verbreitung der Pflanzenarten  beitragen oder den Eigenschaften, welche die Ausbreitung in den jeweiligen Gebieten begünstigen, beantworten zu können. „Die Daten können nun auch dazu genutzt werden, um Vorhersagen zu treffen, welche Arten in welchen Gebieten dominant werden könnten“, betont van Kleunen

Ein Jahr nach Baubeginn ist Ende August im brasilianischen Regenwald des Amazonas der Klima-Messturm "Amazonian Tall Tower Observatory" (ATTO) eingeweiht worden. Mithilfe des über 300 Meter hohen Giganen wollen Forscher fortan in luftiger Höhe Klimadaten sammeln und so die Grundlage für verbesserte Klimamodelle liefern. Er soll auch dazu beitragen, die Rolle des Amazonas im weltweiten Klimageschehen besser zu verstehen. Die Kosten für das deutsch-brasilianische Gemeinschaftsprojekt von insgesamt 8,4 Millionen Euro wurden jeweils zur Hälfte von beiden Ländern übernommen. Von deutscher Seite aus wurde das Vorhaben vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz koordiniert und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert.

Mit seinen 325 Metern ragt der Stahlkoloss weit über die Wipfel der Urwaldbäume heraus und übertrumpft damit um 24 Meter sogar den Pariser Eiferturm. Die Planung der Klimamessstation im brasilianischen Amazonasgebiet begann vor sechs Jahren. Vor einem Jahr wurde Nun ist der Stahlturm "Amazonian Tall Tower Observatory" (ATTO) 150 km von der Hauptstadt Manaus entfernt im Regenwald offiziellen der Wissenschaft übergeben worden. Zukünftig können die Forscher mithilfe der Messdaten von ATTO  Fragen beantwortetn werden, die im Zusammenhang mit der Entstehung von Treibhausgasen stehen. Für Bundesforschungsministerin Johanna Wanka ist die neue Messstation daher nicht nur ein „weithin sichtbares  Zeichen“ für die gute wissenschaftliche Zusammenarbeit beider Länder. "ATTO hilft, Klimaveränderungen besser zu verstehen und die grünen Lungen unseres Planeten zu schützen. Zudem ist der Turm Ausdruck für das Engagement Deutschlands, dem Klimawandel entgegen zu treten und durch eine verbesserte Wissensgrundlage die internationale Klimapolitik zu unterstützen", sagte die Ministerin anlässlich der Einweihung am 22. August in Brasilien.

Unverfälschte Klimadaten aus luftiger Höhe

Das Besondere an der neuen Klimastation ist vor allem seine geografische Lage. Das Amazonasgebiet ist bekannt für seinen Artenreichtum, aber auch für seinen Einfluss auf das Wetter. Schließlich ist der Regenwald eing großer CO₂-Speicher und umfangreiches Süßwasserreservoir. Mithilfe des ATTO-Turms werden deutsche und brasilianische Wissenschaftler fortan von hier aus, weit ab von Straßenlärm und anderen menschlichen Einflüssen, Klimabeobachtungen durchführen und unverfälschte Daten erhalten können.

Die neue Forschungsbasis wird ihnen auch dazu dienen, Klimavorgänge in unterschiedlichen Höhenlagen und den Einfluss des Amazonasgebietes auf das globale Klimageschehen besser analysieren und verstehen zu können. „Mit ATTO erreichen wir einen Meilenstein in der Erforschung des Erdsystems. Alle Daten, die wir an diesem neuen Messturm generieren, fließen in Modelle zur Vorhersage der Klimaentwicklung ein“, so der Vizepräsident der Max-Planck-Gesellschaft, Ferdi Schüth.

Messwerte als Basis für neue Klimaschutzmodelle

Die Forscher sind zuversichtlich, dass der Messturm dazu beitragen wird, die klimarelevanten chemischen und physikalischen Prozesse über dem Amazonasgebiet zu erfassen, zu bewerten und damit neue Grundlagen für den Klimaschutz zu schaffen. „Bisher wissen wir nur unzureichend, welche Rolle der Urwald bei der Bildung von Aerosolpartikeln und somit der Wolkenbildung spielt. Es wartet somit eine ganze Palette von Geheimnissen darauf, mithilfe unseres neuen Messturms aufgedeckt zu werden“, so der Projektkoordinator der Max-Planck-Gesellschaft, Jürgen Kesselmeier.

Bessere Klimaprognosen möglich

Der Stahlkollos wurde in den vergangenen Monaten auf verschiedenen Ebenen mit Sensoren, Sendern und Pumpen ausgestattet, um Luft anzusaugen und so den Anteil an Aerosolen messen zu können. Von der Spitze des Messturms aus können die Forscher zudem nun  nachvollziehen, welche Veränderungen große Waldgebiete in Luftmassen auslösen, die den Regenwald überqueren. Daraus können wiederum Rückschlüsse über die Bedeutung des Regenwaldes auf die Chemie und Physik der Atmosphäre gezogen werden. „Mithilfe der Daten werden wir einen großen Fortschritt bei der Darstellung der tropischen Regenwälder in meteorologischen sowie Erdsystemmodellen erreichen. Es wird zukünftig möglich sein, viel detaillierte Wettervorhersagen und Klimaprognosen zu erstellen“, erklärt INPA-Wissenschaftler und Koordinator des ATTO Projekts auf der brasilianischen Seite, Antonio Manzi.

An dem Gemeinschaftsprojekt „ATTO“ waren neben dem Max-Planck-Institut für Chemie als Koordinator, das Max-Planck-Institut für Biogeochemie, das brasilianische Bundesinstitut für Amazonasforschung INPA (Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia) und die Universität des Staates Amazonas UEA (Universidade do Estado do Amazonas) beteiligt. Die Kosten von rund 8,4 Millionen Euro für den Bau der Klimamessstaion teilen sich Deutschland und Brasilien jeweils zur Hälfte. Eine vergleichbare Klimastation namens ZOTTO wurde bereits 2006 in Sibirien unter Leitung vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie errichtet.

Knochenbrüche werden standardmäßig mit Schrauben oder anderen Implantaten fixiert, damit die Knochen zusammenwachsen und schnell wieder belastbar sind. Ist die Verletzung geheilt, werden die Implantate wieder operativ entfernt. Innerhalb des ZIM-Kooperationsnetzwerkes "Bioplastik" haben sich nun vier Unternehmen und zwei universitären Einrichtungen  zusammengetan, um ein alternatives Vorgehen zu entwickeln. Den Zweiteingriff vermeiden und so das Risiko postoperativer Komplikationen reduzieren, ist das Ziel des neuen Forschungsprojektes „Knochenkleber“. Statt Schrauben und Implantate kommen Biopolymere zum Einsatz, die die Knochenbrüche an gering belasteten Körperteilen wie Hand oder Gesicht verkleben und damit Implantate ersetzen könnten. Das Projekt wird im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundeswirtschaftsministerium mit etwa 600.000 Euro gefördert.

Viele Anwendungen von Biopolymeren sind in der Chemiebranche angesiedelt. Aber auch in der Medizin gibt es interessante Einsatzfelder. Nun will ein deutsches Forscherkonsortium die Behandlung von Knochenbrüchen verbessern. Denn nicht immer reicht ein Gips, um Knochenbrüche zu heilen. Damit Knochenteile wieder zusammenwachsen,werden bisher häufig Schrauben und Implantate zum Fixieren eingesetzt und später wieder operativ entfernt. Diese Standardprozedur mit zwei Eingriffen ist jedoch nicht ohne Risiko für den Patienten, da postoperative Komplikationen auftreten können, die den Heilungsprozess beeinträchtigen.

Kaputte Knochen wie Keramik kleben

Gebrochene Knochen einfach wie Holz, Glas oder Keramik kleben,  könnte die Behandlung derartiger Knochenbrüche vereinfachen und das Risikopotential für Patienten mindern. Im Forschungsprojekt „Knochenkleber“ greifen Partner aus Wirtschaft und Forschung genau diesen Ansatz auf. Die vier mittelständischen Unternehmen FABES Forschungs-GmbH aus München, InnoTERE GmbH aus Radebeul, provenion GmbH aus Kirchseeon und Unavera ChemLab GmbH  aus Mittenwald sowie Forscher der Universitätsklinik Ulm und der German University Cairo wollen in den kommenden drei Jahren ein Biopolymer entwickeln, das wie ein Kleber einfach auf die Knochenteile aufgetragen wird und diese wieder verbindet. Das Prinzip: Das poröse Polymer wird im Laufe der Zeit durch nachwachsende Knochen ersetzt und die dabei entstehenden Zerfallsprodukte vom Körper abgebaut.  Der sogenannte „Knochenkleber“ soll auch bei komplizierten Frakturen verwendet werden können. Zunächst geht es jedoch darum, ihn bei Brüchen von gering belastbaren Körperteilen wie Hand oder Gesicht einzusetzen.

Hohe Anforderungen an Biopolymer 

Die Anforderungen an das zu entwickelnde Biopolymer sind auf Grund Kontakts im menschlichen Körper sehr hoch. Das Material muss nicht nur biokompatibel und frei von toxischen Stoffen sein. Es muss auch im Zusammenspiel mit Körperflüssigkeiten wie Blut funktionieren. Daher wollen die Forscher das von ihnen identifizierte Biopolymer zunächst in Zellkulturen auf Verträglichkeit prüfen, bevor der neue Kleber  in Tierversuchen getestet wird. Initiiert wurde das Forschungsprojekt von der  IBB Netzwerk GmbH in Martinsried - einem auf industrielle Biotechnologie spezialisiertem Dienstleister - innerhalb des ZIM-Kooperationsnetzwerks "BioPlastik". Die Projektkosten von insgesamt 1,2 Millionen Euro werden zur Hälfte vom Bundeswirtschaftsministerium finanziert.

Der Fluss Tarim im Nordwesten Chinas ist nicht nur die Lebensader für rund zehn Millionen Menschen, sondern auch für eine Vielfalt an Pflanzen und Tieren, die sich entlang des Stromes angesiedelt haben - zum Beispiel die seltenen Euphrat-Pappeln. Doch die einzigartige Wüsten-Oase ist gefährdet. Der Grund: durch die künstliche Bewässerung der Baumwollfelder kann sich die natürliche Quelle des Tamir nicht mehr regenerieren und hinterlässt  Bauern zunehmend versalzene Böden. Ein internationales Forscherteam unter Leitung Münchner Wissenschaftler hat seit 2011 die ökologischen Probleme im  Tamir-Becken analysiert und nach Lösungen gesucht. Das Projekt "Sustainable Management of River Oases along the Tarim River" – kurz SuMaRiO- wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung  gefördert. Nun hat das Team ihre Ergebnisse im Fachjournal Water (2015, Online-Veröffentlichung) veröffentlicht.  Zugleich haben die Forscher ein Rettungspaket zur Erhaltung der Landschaft geschnürt, dass sie im September auf einer Konferenz in Xinjiang vorstellen wollen.

Das Tarim-Becken ist  eine Oase in der Wüste. Umzäunt von Euphrat-Pappeln windet sich der Fluss mitten durch die angrenzende Taklamakanwüste und versorgt Mensch, Pflanzen und Tiere mit dem kostbaren Nass. Der Strom speist sich vor allem aus dem Tauwasser der höhergelegenen Gletscher. Das extrem trockene Klima bietet jedoch auch optimale Bedingungen für den Anbau von Baumwolle. 40 Prozent der gesamten Baumwoll-Produktion Chinas  und 10 Prozent der Weltproduktion kommen daher aus diesem Gebiet.

Raubbau an Wasser und Boden

Diese intensive landwirtschaftliche Nutzung bedroht inzwischen jedoch den Erhalt der Wüsten-Oase im Nordwesten Chinas. "In den vergangenen 50 Jahren hat in dieser einzigartigen Landschaft ein Raubbau an den natürlichen Wasser- und Landressourcen stattgefunden, der eine schwere Schädigung der Böden sowie der Wasserqualität ausgelöst hat", sagt Markus Disse vom Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement der Technischen Universität München (TUM). Disse gehört einem internationalem Forscherteam an, das sich seit Jahren mit dem Gebiet und den Auswirkungen der Landwirtschaft beschäftigt hat.

Versalzene Böden durch Wasservergeudung

Das Problem: den größten Anteil des Wassers verbrauchen die Bauern zur Bewässerung der Baumwollfelder. Das Flusswasser kann sich nicht regenerieren. Die Böden versalzen, sodass die Baumwollerträge stagnieren.  Auch Pflanzen wie die seltene Euphrat-Pappel bekommen dadurch zu wenig Wasser. Dies wiederum gefährdet  nicht nur ihren Bestand. Denn die Wälder schützen das Tarim-Becken auch vor dem Sand der angrenzenden Wüste, wie die von Disse im Rahmen des vom BMBF gefördertne Projekts SuMaRIO analysiert hat, das die ökologischen Probleme der Region genau untersucht hat. Der Studie zufolge wird zudem nicht nur die natürliche Ressource Wasser vergeudet, sondern auch auch Raubbau an der ursprünglichen Landschaft betrieben. Denn um die Anbaufläche für Baumwolle zu erweitern, werden immer mehr Pappeln gefällt.

Unter der Leitung von Disse haben chinesische und deutsche Forscher seit 2011 nun nach Lösungen zur Erhaltung der bedrohten Wüsten-Oase gesucht.  Im Ergebnis der Studie hat das Team Empfehlungen für ein besseres Wasser- und Landmanagement formuliert, die es im September auf der Konferenz im chinesischen  Xinjiang präsentieren will. "Wir hoffen, dass durch diesen sogenannten Implementierungsworkshop eine neue Ära des nachhaltigen Land- und Wassermanagements in der Region eingeleitet wird", sagt Disse, denn "nur so kann langfristig die Stabilität in dieser Region gewährleistet werden".

Empfehlungen für den Kampf gegen die Verwüstung

Im Fokus des Rettungsplanes steht unter anderem eine nachhaltige Landwirtschaft, bei der die verschiedenen Bodentypen und deren Versalzungsgrad berücksichtigt werden. Als Alternative könnten die Bauern den Forschern zufolge auf den versalzenen Flächen, statt Baumwolle die auch als Heilmittel verwendete Pflanze Apocynum pictum – auch Hundsgift genannt – anbauen, um ihr Einkommen zu sichern. Entlang des Flusslaufes wird beidseitig zudem die Aufforstung und Renaturisierung einer jeweils mindestens 50 Metern breiten Fläche empfohlen. Darüber hinaus wurden im Projekt SuMaRIO Modellwerkzeuge als Entscheidungshilfe entwickelt, um den Einfluss von Landnutzungs- und Klimaszenarien abschätzen zu können. Mit Hilfe dieses Instruments könnten Politiker verschiedene Bewirtschaftungsalternativen durchspielen und daraufhin Entscheidungen treffen.

Der Grauschimmel-Pilz ist der größte Feind der Erdbeere. Jedes Jahr aufs Neue müssen vor allem Biobauern um die Ernte bangen, weil sie ohne konventionelle Pflanzenschutzmittel  dem Pilzbefall hilflos ausgesetzt sind. Jetzt naht Rettung und zwar aus luftiger Höhe. Bienen könnten zukünftig als so genannte „Flying Doctors“ bei ihrer Nektarsuche gleichzeitig Erdbeerpflanzen mit unschädlichen Pilzsporen bestäuben und sie so vor Schädlingen schützen. Zu diesem Ergebnis kommt ein EU-Projekt, an dem Wissenschaftler des Instituts für Bienenkunde im Niedersächsischen Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (LAVES) in Celle beteiligt waren. Darin hatten die Forscher die therapeutischen Fähigkeiten der emsigen Helfer untersucht. 

Herkömmliche Pflanzenschutzmittel sind für Biobauern tabu. Erdbeerpflanzen werden daher aus Mangel an alternativen Pflanzenschutzmitteln in größeren Abständen in die Erde gebracht, um so Übertragungen von Krankheiten zu verhindern. Dieser einfache Anbautrick kann jedoch nicht gänzlich verhindern, dass die Beeren von der Pilzkrankheit befallen werden und die Früchte verrotten. Die Natur scheint jedoch eine Waffe gegen den gefährlichen Grauschimmel namens Botrytis cinerea parat zu haben. Das legen zumindest Untersuchungen nahe, die in den vergangenen drei Jahren unter der Leitung finnischer Forscher von Wissenschaftlern aus sieben Ländern im ERA-NET Core Organic II  durchgeführt wurden und an denen auch deutsche Forscher vom Institut für Bienenkunde im Niedersächsischen Landesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (LAVES) in Celle beteiligt waren.

Bienen "impfen" bei Bestäubung Erdbeeren gegen Pilzbefall

Demnach qualifizieren sich Bienen offenbar als „Flying Doctors“, wenn sie gezielt hierfür eingesetzt werden. Das Prinzip: Beim Verlassen des Bienenstocks passieren die Insekten einen sogenannten Dispenser am Nestausgang, in dem Sporen antagonistisch wirkender Pilze platziert sind. Dieses für Erdbeerpflanzen unschädliche Pilzpulver wird von den Bienen beim Nektarsammeln in die Blüte injiziert. Die Erdbeerpflanzen werden also bei der Bestäubung gleichzeitig auf natürliche Weise von den Bienen mit dem vor Grauschimmel schützenden gutartigen Pilz „geimpft“. Wie die Forscher zeigen konnten, hat sich in Finnland mit dieser Methode nicht nur der Schimmelbefall bei Bio-Erdbeeren drastisch reduziert. Auch die Ernte der Ökobauern war doppelt so hoch wie auf unbehandelten Feldern. „Das Konzept mit Bienen als Flying Doctors funktioniert“, bestätigt auch Otto Boecking, der entsprechende Versuche am LAVES in Celle durchgeführt hat.

Effektivere Bestäubung bei kleineren Bienenvölker

Der deutsche Beitrag zum EU-Projekt wurde vom Bundeslandwirtschaftsministerium über das Bundesprogramm Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft (BÖLN) gefördert. Das Team in Celle untersuchte dabei, wie sich die Bestäubungsquote durch Bienen verbessern lässt und damit auch die Verbreitung der schützenden Pilzsporen gegen Grauschimmelbefall. Dabei zeigte sich, dass die Größe der Bienenvölker eine entscheidende Rolle spielt und kleinere Bienengruppen bei der Bestäubung effektiver waren als größere Völker. „Allerdings ist die Erhebung der Daten ausgesprochen schwierig. Für konkrete Praxis-Empfehlungen bedarf es weiterer Forschung“, ergänzt Boecking.

Auch Hummeln eignen sich 

Innerhalb des Konsortiums wurden viele weitere Teilaspekte bearbeitet. Belgische Forscher hatten an der Trägersubstanz aus Maismehl gearbeitet, um die Aufnahme der Pilzsporen zu verbessern. Italienische Wissenschaftler bauten wiederum eine Passagen-Konstruktion für deren spezielle Nester, während ein Team in Slowenien mit der Frage beschäftigt war, wie sich Honigbienen in der Passage verhalten und wie sich die Pulververteilung in der Fläche nachweisen lässt. In Estland und der Türkei wurde schließlich das System mit Hummeln ausprobiert, was ebenfalls erste positive Ergebnisse in Freilandversuchen ergab.

Die Energiewende steht seit Jahren auf der Agenda der Bundesregierung. Das Ziel: bis  2050 sollen 1.915 Petajoule (PJ) des gesamten Primärenergieverbrauches aus Biomasse erzeugt werden. Insbesondere biogene Rest- und Abfallstoffe sollen hierfür genutzt werden. Doch noch gibt es ungenutztes Potenzial, wie eine von der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) und dem Deutschen Biomasseforschungszentrum (DBFZ) durchgeführte Meta-Studie zeigt. Danach werden vor allem  Waldrestholz, Stroh sowie Gülle und Mist noch zu selten als Biomasse eingesetzt. Insbesondere Stroh sollte zukünftig intensiver verwendet werden. Die Studie wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

Weg von fossilen Brennstoffen, hin zu erneuerbaren Energien aus Wind, Wasser oder nachwachsende Rohstoffe – das ist das proklamierte Ziel der Bundesregierung.  Forscher suchen seit langem nach Wegen, um die natürlichen Ressourcen für die Energieversorgung besser zu nutzen.  Nun gibt es erstmals eine Studie, die zeigt, wie effektiv hierzulande verfügbare Biomasse tatsächlich genutzt bzw. nicht genutzt wird. Im Rahmen einer Meta-Studie Daten haben Forscher vom FNR und DBFZ Daten zu biogenen Rest- und Abfallstoffen aus verschiedenen Quellen zusammengetragen. Insgesamt 93 Einzelbiomassen wurden darin genau auf ihre Nutzung untersucht.

Brachliegende Potenziale

Den Daten zufolge beträgt das Gesamtptenzial an Trockensubstanz bundesweit aktuell 98,4 Millionen Tonnen. Davon liegen jedoch 31 Prozent der verfügbaren Biomasse noch brach und finden so gut wie keine Verwendung, heißt es. Der Studie zufolge besteht das ungenutzte Biomassepotenzial dabei zu 95 Prozent aus Waldrestholz, Getreidestroh und tierischen Exkrementen wie Gülle und Mist. Die Meta-Studie zeigt aber auch, welche Rest- und Abfallstoffe bereits überwiegend als Biomasse verwendet werden. Dazu gehören neben Sägeresten, Altholz und Schwarzlauge auch Landschaftspflegeholz, Siedlungsabfälle sowie Reststoffe aus der Lebens- und Futtermittelindustrie.

Stroh besser als bisher verwerten

Für die Forscher ist klar: Die erste umfassende Studie zur Biomasse-Nutzung in Deutschland mache deutlich, welche Potenziale zukünftig besser genutzt werden könnten. "Insbesondere für die erheblichen Strohpotenziale gilt es, zusätzliche Verwertungsstrategien zu erarbeiten. Dieser Rohstoff ist nicht nur preiswert in vielen Regionen verfügbar, sondern kann gerade für die Landwirtschaft interessante neue Geschäftsmodelle generieren. Diese wurde mit der Strohheizanlage am Standort Gülzow bereits eindrucksvoll demonstriert", erklärt  FNR-Geschäftsführer Andreas Schütte. Am Standort der FNR in Gülzow wurde die Wärmeversorgung 2013 von fossilen Brennstoffen auf Biomasse umgestellt. Vergleichsrechnungen hatten zuvor eindeutig ergeben,  dass Heizen mit Stroh die wirtschaftlichste Art der Energieversorgung ist. Der Vorteil: Der Brennstoff wird aus Weizen- und Roggenstroh gewonnen, der in Ackerbauregionen wie Mecklenburg-Vorpommern in großen Mengen zur Verfügung steht. Außerdem kostet Stroh als Biomasse heizwertbezogen ein Drittel weniger als Heizöl.  

Sie sind klein und unscheinbar, aber wahre Überlebenskünstler. Moose, Flechten und Algen – auch biologische Bodenkrusten genannt - überziehen unseren Planeten wie eine zweite Haut und sind unentbehrlich für unser Ökosystem. Der Grund: Sie binden CO2 und Stickstoff und geben das Treibhausgas Lachgas ab. Um den Wechselprozess von Fixieren und Freisetzen untersuchen zu können, muss die Bodenfeuchtigkeit analysiert werden. Bisher fehlte es jedoch an einem geeigneten und vor allem präzisen Messinstrument. Forscher vom Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie haben nun einen Sensor entwickelt, der erstmals verlässliche Daten zur Bodenfeuchtigkeit liefert und zudem kostengünstig und variabel einsetzbar ist.

Moose, Flechten und Algen existieren selbst da, wo scheinbar kein Leben möglich ist. Sie bilden sogenannte biologische Krusten und schützen weite Landschaften so vor Erosion. Meist präsentieren sie sich vertrocknet und stachlig. Doch schon die nächtliche Taubildung in der Wüste reicht beispielsweise aus, um den Stoffwechselprozess wieder anzukurbeln und die vermeintlich abgestorbenen Pflanzen zum Leben zu erwecken. Durch das abgestorbene organische Material entsteht eine „biologische Bodenkruste“, die den Wasserhaushalt im Boden bestimmt. Neusten Studien zufolge wird dabei so viel Kohlendioxid gebunden, wie weltweit jährlich durch das Verbrennen fossiler Energieträger freigesetzt wird. Doch nicht nur wegen ihres CO2-Gehalts sind die Krusten für das Ökosystem von Bedeutung. Zugleich binden sie Stickstoff und geben dadurch die gefährliche Substanz Distickstoffmonoxid ab, die auch als Lachgas bekannt ist.

Feuchtegehalt durch Leitfähigkeit der Böden bestimmt

Wie genau dieser Wechselprozess verläuft, ist weitestgehend unerforscht. Denn dazu fehlten bisher geeignete Messinstrumenten, die auch die oberen Millimeter der Bodenkruste auf deren Feuchtigkeitsgehalt überprüfen können. „Der einzige Sensor, der in den obersten Schichten zurzeit einsetzbar ist, misst lediglich, ob die Organismen aktiv sind, nicht aber die vorhandene Menge an Wasser.  Alle anderen Bodenfeuchtesensoren messen den Wassergehalt in tieferen Schichten, so dass sie für die Anwendung in Bodenkrusten völlig ungeeignet sind“, erklärt Bettina Weber. Weber und ihr Team vom Max-Planck-Institut für die Chemie versuchten über Jahre dieses Manko durch eigene Entwicklungen wettzumachen. Dabei stießen sie auf eine Methode,  welche die Bodenfeuchtigkeit anhand seiner Leitfähigkeit bestimmt. Hierfür wurde ein Sensor entwickelt, der die ermittelten Leitfähigkeitswerte den entsprechenden Werten zum Wassergehalt zuordnet. Diese Art der Bestimmung zur Bodenfeuchte ist bisher einmalig und wurde von den Mainzer Forschern bereits zum Patent angemeldet.

Auch industrielle Anwendung möglich

Die Vorteile des Bodenfeuchtesensors:  Er kann aufgrund seines einfachen Aufbaus und einer robusten Konstruktion universell in den verschiedensten Böden der Erde eingesetzt werden. Außerdem sind die Anschaffungskosten nur gering, so dass auch mehrere  Sensoren gleichzeitig genutzt und so noch genauere Angaben geliefert werden können. Daneben kann das Messinstrument unkompliziert für Messungen über größere Bodenbereiche angepasst werden, so dass die Anwendung nicht auf biologische Bodenkrusten begrenzt, sondern auch für industrielle Zwecke wie der Verarbeitung von Beton geeignet ist. Derzeit ist das Mainzer Team dabei, den Bodenfeuchtesensor netzwerkfähig zu machen.

Etwa 2,3 Millionen Lebensformen sind heute bekannt. Dazu zählen Tiere, Pflanzen, Pilze wie auch Bakterien. Sie alle in einem einzigen Stammbaum zu vereinen, scheint eine schier unlösbare Aufgabe. US-Forscher haben sich an dieses Mammut-Projekt gewagt und präsentieren jetzt das Ergebnis. Der "Open Tree of Life"  ist - wie der Name andeutet - ein trotz seines Umfangs -  noch immer unvollständiger Stammbaum, der für Jedermann im Internet zugänglich ist. Die US-Forscher hoffen mit ihrer Vorlage, Wissenschaftler weltweit zu ermutigen, den "Lebensbaum" mit ihren Ergebnissen zu vervollständigen. Über ihre Arbeit zum „Open Tree of Life“ berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift PNAS (2015, Online-Vorabveröffentlichung).

Welche Tiere, Pflanzen, Pilze und Mikroben sind miteinander verwandt? Und welche Verbindung hat der Mensch zu den anderen Lebensformen? Derartig komplexe Fragen sind bis heute nur schwer zu beantworten. Eine US-Forschergruppe um Cody Hinchliff und Stephen Smith von der Universität Michigan in Ann Arbor hat nun erstmals alle verfügbaren Daten zu den unterschiedlichsten Lebensformen – von der Urbakterie bis zum Menschen – zusammengetragen und in einem Mega-Stammbaum zusammengefasst. Ein besseres Verständnis der Verwandtschaftsbeziehungen zwischen den Arten sei etwa wichtig, um neue Medikamente zu entwickeln, landwirtschaftliche Erträge zu steigern oder der Herkunft und Verbreitung von Krankheiten wie Aids, Ebola und Grippe nachzuspüren, argumentieren die Forscher. 

"Lebensbaum" für Jedermann zugänglich

Das Besondere an dem Mega-Stammbaum: Er ist online für jedermann zugänglich und umfasst derzeit 2,3 Millionen Tiere, Pflanzen, Pilze und Mikroben. Mit seiner Hilfe ist es nun erstmals möglich, Abstammung und Verwandtschaft der einzelnen Lebensformen bis hin zu ihrem Ursprung vor 3,5 Milliarden Jahre zurückzuverfolgen, also von der Archebakterie bis zum heutigen Menschen. „Dies ist der erste ernsthafte Versuch, alle Punkte zu verbinden und zu einem Ganzen zusammenzufügen", sagt Projektleiterin Karen Cranston von der Duke Universität in Durham.

Stammbaum weiter ergänzen

Die Arbeit der Forscher geht auf 7.500 Studien zurück, die in den Jahren 2000 bis 2012 erschienen und somit verfügbar waren. Einen Anspruch auf Vollständigkeit erheben die US-Wissenschaftler nicht. Das wird auch im Namen „Open Tree of Life“ deutlich. Denn viele wissenschaftliche Untersuchungen waren damals digital nicht greifbar und konnten so in der Darstellung keine Beachtung finden. Der Stammbaum, der für Jedermann im Internet zugänglich ist,  ist somit erst die erste Version eines Vorhabens, das Forscher weltweit zum Mitmachen anregen will. „Der Open Tree of Life ist ein wichtiger Ausgangspunkt für andere Forscher, die ihn in kommenden Jahrzehnten verfeinern und verbessern können", betonte Mitautor Douglas Soltis von der Universität Florida. Auch Stephen Smith hofft, dass ihre Veröffentlichung andere Forscher ermutigt, eigene Ergebnisse hinzuzufügen.

Die Deutschen essen zu süß, zu salzig und zu fett. Die Folge sind Krankheiten wie Herz-Kreislauf- und Stoffwechselstörungen, Karies aber auch diverse Krebserkrankungen. Forscher der Brain AG und der Universität Halle-Wittenberg haben in einer gemeinsamen Studie erstmals die Kosten solcher ernährungsbedingten Krankheiten analysiert.  Danach muss das deutsche Gesundheitswesen für die Folgen einer ungesunden Ernährung jährlich etwa 17 Milliarden Euro ausgeben. Die Studie, die jetzt im Fachjournal Plos One (2015, Online-Veröffentlichung) erschienen ist, wurde im Rahmen der strategischen Allianz NatLife 2020 durchgeführt, die durch  das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.

Viel ist meist nicht gut, ob beim Essen oder Sport. Diese allgemeine Faustregel ist nicht neu, wird aber scheinbar oft verdrängt. Vor allem bei der Ernährung gibt es Stoffgruppen, die bei übermäßigem Konsum gesundheitsschädigend sind. Für die drei Bekanntesten – Zucker, Salz und Fett – gibt es daher von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung sogar Verzehrempfehlungen. Diese Orientierungswerte werden einer aktuellen Studie zufolge jedoch deutlich überschritten. Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Biotechnologie-Unternehmens Brain AG aus Zwingenberg stellten fest: Die Deutschen essen zu viel Zucker, Salz und Fett. Krankheiten in Folge dieser ungesunden Ernährung kosten dem Gesundheitswesen danach jährlich 16,8 Milliarden Euro. „Die Resultate haben uns in ihrer Höhe doch sehr überrascht. Dabei haben wir hier aktuell lediglich die direkten Behandlungskosten berücksichtigt“, so Mitautorin Katja Riedel von der Brain AG. Indirekte Kosten für Arbeitsausfall, Kuraufenthalte oder gar Invalidität flossen nicht mit ein und würden die Kosten sogar noch erhöhen.

Im Rahmen der Studie untersuchten die Wissenschaftler repräsentative Krankheitskosten und Verzehrdaten in Deutschland und errechneten  daraus, wie hoch die anteiligen Kosten eines unausgewogenen Konsums von Zucker, Salz und gesättigten Fetten sind.  Zugleich nahmen sie 22 Krankheitsbilder unter die Lupe, die auf eine ungesunde Ernährung zurückzuführen sind. Das Ergebnis: Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems, Karies, Stoffwechselstörungen wie Diabetes und Übergewicht sowie diverse Krebserkrankungen waren die Kostentreiber im Gesundheitswesen. „Die direkten Kosten von Krankheiten, die aufgrund eines Überverzehrs von Salz, Zucker und Fett entstehen können, sind substantiell. Ein deutliches Einsparpotential liegt jedoch auch in den bisher weniger beachteten Folgeerkrankungen und Folgekosten von Übergewicht und Diabetes", resümiert Studienautor Toni Meier von der MLU.

Forscherkonsortium sucht alternative Naturstoffe

Im Rahmen der  2013 geschlossenen  versuchen 22 Partnerunternehmen Naturstoffe zu entwickeln, die unter anderem Alternativen zu Salz oder Zucker darstellen und damit zur Verbesserung von Nahrungsmittelrezepturen führen. Dem vorerst auf neun Jahre angelegten Konsortium steht ein Gesamtbudget von 30 Millionen Euro zur Verfügung, das zu Teilen vom BMBF beigesteuert wird. Die Ergebnisse aus der Studie sind für die Allianzmitglieder ein Beleg, auf dem richtigen Weg zu sein. „Wenn es uns gelänge, etwa ein Drittel der Zucker-, Fett- oder der Salzmenge in den Nahrungsmittelrezepturen mit neuen Naturstoffen zu ersetzen, könnten wir das Gesundheitssystem allein in Deutschland jährlich bereits um einen Betrag von fünf bis sechs Milliarden Euro entlasten", resümiert Co-Autor Martin Langer und Executive Vice President Corporate Development der Brain. Die Firma gehört in Deutschland zu den Pionieren einer biobasierten Wirtschaft und hat jüngst seine Für den Ernährungsbereich stellt Brain unter anderem Enzyme her, zuletzt wurde verkündet, dass man sich im Bereich laktosefreier

Der sogenannte Wunder-Weizen ist ein Phänomen: weil er stark verzweigte Ähren besitzt, bildet er mehr Körner pro Pflanze und der Ertrag ist zwei- bis dreimal größer als bei anderen Sorten. Nun hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung deutscher Pflanzengenetiker die molekularen Ursachen im Erbgut dingfest machen können. Sie stießen auf eine Genmutation, die für die üppige Ährenarchitektur der Pflanze verantwortlich ist. Auch bei der Gerste sorgt das entsprechende Gen für mehr Ertrag. Die Studie ist im Fachjournal Genetics (2015, Online-Vorabveröffentlichung) erschienen.

Der Unterschied ist offensichtlich: Der „Wunder-Weizen“ ist kleiner und sieht auf Grund seiner zahlreichen Ähren etwas gedrungen aus. Groß und feingliedrig wirkt dagegen der Hartweizen. Doch beim Ertrag kann die herkömmliche Sorte „Triticum durum“ mit dem kleineren Verwandten nicht mithalten. Seine Ähren tragen zwei- bis dreimal so viele Körner. Vergleichbar ertragsreich ist nur die „Compositum“-Gerste, die auf Grund einer Mutation  ebenfalls eine ungewöhnliche Ährenarchitektur und hohe Erträge aufzeigt. Ein internationales Forscherteam unter Mitwirkung von Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben hat nun die genetischen Ursachen der Ährenarchitektur aufgedeckt und somit eine neue Möglichkeit gefunden, den Ertrag bei Weizen und Gerste zu steigern.

Vergleichbare Gene in Weizen und Gerste

Das Team um die IPK-Forscher Naser Poursarebani und Thorsten Schnurbusch gingen dabei der Frage nach, welche genetischen Grundlagen den außergewöhnlichen Eigenschaften sowohl beim Wunder-Weizen als auch der Compositum-Gerste zugrunde liegen. Der Studie zufolge wird die Ährenverzweigung bei der Wunder-Gerste von dem Gen compositium 2  und beim Wunder-Weizen von dem Gen namens branched headt (bht) beeinflusst. Diese Gene sind sogenannte orthologen Gene, sie sind in beiden Arten an einem vergleichbaren Ort, nämlich auf dem Chromosom 2, zu finden. 

Punktmutation sorgt für Ertrags-Plus

Eine Punktmutation im branched head-Gen reicht offenbar aus, um die Super-Ährenform zu erzeugen. Mit dem  Wissen um die genetischen Hintergründe der Ährenverzweigung sehen Forscher eine Chance, die Züchtung neuer Nutzpflanzensorten zu optimieren und so den stagnierenden Erträgen bei Weizen und Gerste entgegenwirken zu können.

Membrantropfen wie am Fließband beladen, Bio-Strukturen ausdrucken, zellfrei Moleküle produzieren: Der Jahrestreff der Forscher in der Initiative „Biotechnologie 2020+“ am 23. September bot einen Vorgeschmack auf technologische Zukunftstrends in den Life Sciences. Seit 2010 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Projekte in den vier großen Forschungsorganisationen und an Hochschulen, die sich mit der nächsten Generation biotechnologischer Verfahren beschäftigen. Diesmal fungierte die Max-Planck-Gesellschaft als Gastgeber der Jahrestagung, und hatte rund 100 Wissenschaftler ins frisch sanierte Harnack-Haus in Berlin-Dahlem geladen.

Die Vorträge im Hörsaal des Harnack-Hauses waren dem Schwerpunkt „Design von Biosystemen – vom fundamentalen Verständnis zu neuen Anwendungen“ gewidmet. Joachim Spatz, Direktor am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart, stellte in Berlin erste Ergebnisse aus dem Forschungsnetzwerk MaxSynBio vor. Forscher aus neun Max-Planck-Instituten haben sich hier zusammengeschlossen, um wichtige Lebensprozesse – zumindest in Teilen – im Labor nachzustellen. In Berlin zeigte sich, dass die Forscher auf dem Weg dahin bereits eindrucksvolle Fortschritte vorweisen können. Eine Schlüsseltechnologie in MaxSynBio ist die Mikrofluidik: Hierbei werden Tropfen oder Membranbläschen in Reih und Glied durch winzige Kanälen geführt und bearbeitet.

Mit Injektionstechnik Vesikel beladen

Spatz stellte die sogenannte „Pico-Injektion“ vor, eine Technik, mit der sich Membranvesikel wie am Fließband mit verschiedenen Biomolekülen beladen lassen. Die Max-Planck-Forscher aus Stuttgart haben auf diese Weise  einen Mix aus Actin und Myosin in die Vesikel gespritzt. Das sind Proteine, die beide bei der Zellanhaftung und für Bewegungen wichtig sind. Und tatsächlich: Die derart bestückten Bläschen begannen, eine gewisse Dynamik zu entwickeln und sich um sich selbst zu drehen. Wolfgang Wiechert vom Forschungszentrum Jülich ist der Projektkoordinator des Konsortiums „Molecular Interaction Engineering (MIE)“, an dem Forscher aus drei Helmholtzzentren in Jülich, Karlsruhe und Geestach/Teltow beteiligt sind. „Unsere Vision ist die einer druckbaren Biologie“, sagte Wiechert. Die Idee: Ähnlich wie bei der Fertigung elektrischer Schaltkreise wollen die Forscher „biologische Schaltkreise“ auf Oberflächen aufbringen. „Unsere Transformatoren sind Enzyme und die von ihnen vermittelten Reaktionen sind die Drähte“, erläuterte Wiechert. Auch die Helmholtz-Forscher setzen neben der Mikrofluidik insbesondere auf Drucktechnologien. Damit könnten einmal kleine Biochips gefertigt werden, die sich für Testzwecke einsetzen ließen.

Mikorporenchips für die Pharmaindustrie

Stefan Kubick, Abteilungsleiter am Fraunhofer IZI in Potsdam-Golm, zog Bilanz des Großprojekts „Biomoleküle vom Band“. Hier haben die Forscher die zellfreie Produktion von Eiweißmolekülen soweit perfektioniert, dass sich Proteine nun schnell und in wirtschaftlich interessanten Mengen herstellen lassen. Das gilt besonders für Membranproteine. Mit diesen wollen die Forscher nun Mikroporenchips herstellen, die künftig der Pharmaindustrie als Screeningsysteme eingesetzt werden können. Am „Leibniz Research Cluster“ sind Forscher aus fünf Leibniz-Instituten beteiligt. Auch hier geht es darum, das System „Zelle“ soweit biotechnologisch zu imitieren, damit Wirkstoffe schneller gefunden und optimiert werden können. Vito Valiante leitet eine neue  Nachwuchsgruppe am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut. In Berlin erläuterte er, warum die Leibniz-Forscher den Schimmelpilz Aspergillus fumigatus als Ausgangspunkt der Forschung gewählt haben.

„Aus dem Pilz werden wir interessante Faktoren isolieren, und wir versuchen, diese künstlich zu produzieren“.Harald Gröger von der Universität Bielefeld entwickelt neue, effiziente und nachhaltige organische Synthesen mit Biokatalysatoren und baut sie in Kombination mit chemokatalytischen Verfahren zu Mehrstufen-Eintopf-Verfahren aus. Diese sind für industrielle Anwendungen sehr attraktiv. Synthesen werden effizienter und es entstehen weniger Lösungsmittelabfälle, da aufwendige Trennungs- und Reinigungsschritte entfallen. Im Berlin stellte Gröger unter anderem ein Industrieprojekt mit dem Generika-Hersteller Sandoz vor, in dem es um die chemoenzymatische Herstellung von „Rosuvastatin“ geht, ein wichtiges Herzkreislauf-Medikament.

Ob Brettchen, Becher oder Schüsseln: viele Gebrauchsgegenstände des Alltags bestehen aus Kunststoffen, die rein auf Erdölchemie basieren. Dafür einen biobasierten Ersatz zu finden, ist eine Herausforderung, der sich Forscher seit Jahren stellen. Unterstützt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)  hat ein Team der Fachhochschule Bingen in den vergangenen zwei Jahren nach alternativen Naturmaterialien geforscht und aus einem Verbundwerkstoff ein "biogenes Kantinentablett" hergestellt. Der Prototyp hat erste Härtetests in der Mensa bereits erfolgreich bestanden.   

Tabletts in Kantinen und Mensen bestehen in der Regel aus Plastik, also Polymeren, die aus Erdölchemie-Bausteinen hergestellt werden. Dieses Material durch biobasierte Rohstoffe zu ersetzen, haben sich auch Forscher der Fachhochschule Bingen zur Aufgabe gemacht. Im Rahmen eines vom Bundesforschungsministeriums geförderten Projektes entwickelte ein Team um den Naturstoffexperten Oliver Türk ein Kantinentablett aus nachwachsenden Rohstoffen. „Wir sind mit dem Ergebnis überaus zufrieden, der Großteil der Tabletts hat den Einsatz in der Mensa und Spülanlage in zwei Testphasen ohne Schaden überstanden“, fasst Projektleiter Türk zusammen. Er ist Experte für nachwachsende Rohstoffe und Biokunststoffe an der Fachhochschule Bingen und Leiter der Transferstelle (TSB).

Hohe Ansprüche an Naturstoffe

Intensiv suchten Türk und sein Team in den vergangenen zwei Jahren nach Alternativen zum herkömmlichen petrochemischen Ausgangsmaterial eines herkömmlichen Tragebretts. Das ehrgeizige Ziel, einen biobasierten duroplastischen Verbundwerkstoff dafür herzustellen, erwies sich als knifflig. Die Herausforderung: Das neue biobasierte Material durfte im Hinblick auf Feuchtigkeit, Chemikalien und mechanischer Belastung der klassischen erdölbasierten Vorlage in nichts nachstehen. Im Ergebnis entstand ein Verbundwerkstoff, das überwiegend aus epoxidiertem Leinöl als Harzkomponente sowie Naturfasern wie Hanf, Flachs und Kenaf besteht. Vor allem die wasserliebende Eigenschaft der Naturfasern sei für das Projektteam im Hinblick auf die gewünschte Beständigkeit eine große Herausforderung gewesen, so Türk.

Hohes Potenzial für biogenes Material

Gleichzeitig überzeugt das biogene Tablett aber mit einer verbesserten Oberflächenbeständigkeit und kann sogar am Ende der Nutzungszeit thermisch verwertet werden. Türk sieht daher ein breites Einsatzpotenzial für das von seinem Binger Team entwickelte biogene Ausgangsmaterial. Neben Tabletts in Kantinen, Schnellrestaurants und Krankenhäusern könnte das Biokunststoffmaterial auch für die Fahrzeugindustrie interessant sein. Im Rahmen des vom BMBF in der Fördermaßnahme "KMU-innovativ" geförderten Projektes wurde zusätzlich eine Ökobilanz durchgeführt, die innerhalb verschiedener Szenarien unter anderem diverse Eingangsmaterialien und Entsorgungsvarianten unter die Lupe nahm.

Wassermangel und sandiger Boden erschweren das Leben der Bauern in Afrika. Hinzu kommt der Klimawandel, der mit zunehmenden Dürreperioden für Ernteausfälle sorgt. Im Projekt UrbanFoodPlus versuchen Wissenschaftler daher Wege zu finden, die Landwirtschaft in Städten und Randgebieten Afrikas produktiver, nachhaltiger und umweltfreundlicher zu machen. Forscher der Ruhr-Universität Bochum scheinen nun eine Lösung gefunden zu haben, die Bodenfruchtbarkeit von kargen Äcker zu erhöhen – und zwar mit Biokohle. In die Erde gebracht, sorgte die Biomasse aus verkohlten Ernteabfällen für einen verbesserten Wasserhaushalt sowie mehr Nährstoffhaftung in den Böden. Bei Feldversuchen in Ghana konnte damit die Salatproduktion um 20 Prozent gesteigert werden. Das Projekt UrbanFoodPlus wird im Rahmen der Forschungsinitiative „GlobE – Globale Ernährungssicherung“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung seit 2012 unterstützt.

Auf unserem Planeten leben derzeit etwa 7,3 Milliarden Menschen. Das sind fast dreimal mehr als noch 1950. Und die Zahl der Erdbewohner wird weiter wachsen. Nach aktuellen Schätzungen der Vereinten Nationen wird die Zahl der Weltbevölkerung bis 2050 auf 9,4 Milliarden steigen. Dabei werden allein neun Länder, darunter auch Ghana, die Hälfte des prognostizierten Bevölkerungswachstums ausmachen. Die Sicherung der weltweiten Ernährung zählt daher zu den größten Herausforderungen unserer Zeit.

Mit Blick auf die rasant wachsende Zahl der Weltbevölkerung suchen Forscher schon heute nach Wegen, das Ernährungsproblem zu lösen. Dabei spielt das Thema Nachhaltigkeit eine entscheidende Rolle. Wissenschaftler vom Lehrstuhl für Bodenkunde und Bodenökologie der Ruhr-Universität Bochum arbeiten im Rahmen des Projektes UrbanFoodPlus mit Kollegen der Universität Kassel zusammen, um die urbane Landwirtschaft in Afrika produktiver, nachhaltiger und klimafreundlicher zu gestalten. Ein Teilprojekt konzentriert sich dabei auf die Frage, wie Ernteerträge in der städtischen Landwirtschaft Westafrikas gesteigert werden können.

Biokohle als Hoffnungsträger für bessere Ernte

„Wasser ist in Westafrika der limitierende Faktor Nummer eins für die Landwirtschaft“, sagt Häring. Neun Monate war der Bochumer Bodenkundler in Burkina Faso und Ghana unterwegs, um sich einen Überblick über die Bodenbeschaffenheit, den Einsatz von Dünge- und Pestizidmittel sowie Ernteerträge zu verschaffen. Die Bodenfruchtbarkeit ist ein weiteres Problem, mit dem die Bauern vor Ort zu kämpfen haben. Denn der rötliche Sandboden kann Nährstoffe meist nur schlecht speichern.

Verkohlte Ernteabfällen  als Bodendünger

Häring ist überzeugt: Biokohle könnte die Lösung der Probleme sein. Dabei handelt es sich um verkohlte Biomasse, die entsteht, wenn pflanzliches Material in sauerstoffarmer Atmosphäre verbrennt. Bei Feldversuchen in Afrika wurden konkret Ernteabfälle wie Maiskolben und Reiskörnerhülsen gesammelt und verbrannt. Später wurde die erzeugte Biomasse wie Dünger in den Boden eingearbeitet und Salat angebaut.<br/

Die Ernte war vielversprechend: Auf den mit Biokohle behandelten Testfeldern des UrbanFoodplus-Teams in Tamale wuchsen tatsächlich größere Salatköpfe als auf den unbehandelten Feldern. Der Grund: Die Biokohle sorgte dafür, dass sich der Wasserhaushalt der Böden verbesserte und die Nährstoffe besser haften blieben. Dadurch konnten Wasser und Düngemittel gespart werden.

Weniger CO2-Ausstoß durch Biokohleproduktion 

Die Verwendung von Biokohle zur Ertragsteigerung in der Landwirtschaft hat gleich mehrere Vorteile: zum einen sind Pflanzenabfall meist in großen Menschen kostenlos verfügbar. Zum anderen wird bei der Biokohleproduktion die Hälfte des klimaschädlichen CO2 stabil in der Biomasse gespeichert und somit nicht an die Umwelt abgegeben. Aber nicht nur das: „Alle Ghanaer kennen die Kohleproduktion, weil sie Holzkohle zum Kochen verwenden“, berichtet Häring. In jedem Dorf gebe es Leute, die sich auf die Herstellung spezialisiert hätten. Nach diesem Prozess könnte Häring zufolge auch Biokohle hergestellt werden.

BoniRob ist längst den Kinderschuhen entwachsen und dreht überzeugend autonom auf dem Acker seine Runden. Bei der Eröffnung des neuen Bosch-Forschungscampus in Renningen war der Agrarroboter dann auch der heimliche Star. Vor den Augen von Bundeskanzlerin Angela Merkel und anderen Gästen legte das vollautomatisierte Gefährt eine überzeugende Kür hin. Der Feldroboter wurde bereits mehrfach ausgezeichnet und ist ein Beispiel, wie erfolgreich universitäre Forschung und Industrie zusammenarbeiten können. Der in Kooperation mit der Hochschule Osnabrück, der Bosch GmbH und dem Landmaschinen-Hersteller Amazone GmbH entwickelte Agrarroboter wird inzwischen vom Start-up "Deepfield Robotics"- einem Tochterunternehmen von Bosch – weiterentwickelt und marktfähig gemacht.
„Forschung und Innovation sind die Quellen unseres Wohlstandes“ – so die Worte von Bundeskanzlerin Angela Merkel bei der Einweihung des neuen Bosch-Forschungscampus in Renningen. 310 Millionen Euro hat das Unternehmen in den Standort investiert. Hier sollen bis zu 1.700 kreative Köpfe fachbereichsübergreifend angewandte Industrieforschung betreiben, weltweit Ideen vernetzen und so die Innovationskraft von Bosch stärken. Mit BoniRob konnte Bosch anlässlich der Campuseröffnung bereits ein erfolgreiches Ergebnis vernetzter Forschungsarbeit präsentieren. Der Feldroboter ist ein Gemeinschaftsprojekt von Bosch mit der  Hochschule Osnabrück und dem Landmaschinen-Hersteller Amazone. Die Entwicklung wurde vom Bundeslandwirtschaftsministerium (BMEL) und der Bundesanstalt für Landwirtschaft (BLE) gefördert.

Helfer bei Pflanzenzucht

„BoniRob ermöglicht ressourcenschonende – ökologisch wie ökonomisch orientierte – landwirtschaftliche Prozesse, natürlich unter Aufsicht des Menschen und jedoch weitgehend automatisiert“, beschreibt Arno Ruckelshausen von der Hochschule Osnabrück die Vorteile des neuen Agrarroboters. Das Ziel - die Pflanzenzucht vorantreiben. Bisher ist Pflanzenzucht zum großen Teil noch akribische Handarbeit. Erst auf dem Feld können Blattgröße und -farbe, Fruchtgröße und -form, Wuchsform, Insektenbefall oder Wasser- und Chlorophyll-Gehalt ermittelt und so entschieden werden, welche Pflanze weiter entwickelt werden kann.

Plattform dokumentiert Pflanzenwachstum 

Hier kommt nun BoniRob zur Hilfe. Mit seinen rund 500 Kilogramm bewegt sich der Kleinwagen große Feldroboter auf vier einzeln angetriebenen Rädern über den Acker. Sensorik, Elektronik und Software sorgen dafür, dass er seine Position erkennt und sich zentimetergenau über das Feld manövriert, ohne Pflanzen zu beschädigen. Ein Navigationsmodul wertet dabei Messdaten eines 3D-Laserscanners aus, die zur Ansteuerung der Radnaben-Elektromotoren dienen. Aber BoniRob kann auch den Wachstumsverlauf jeder Pflanze dokumentieren. Mithilfe verschiedener Sensoren erkennt  und vermisst er einzelne Pflanzen oder prüft deren Versorgungs- und Gesundheitsstand. „Mit Lichtgitter, Laser-Abstandssensoren, 3D-Kameras und einem Spektralsensor gewinnt BoniRob  zahlreiche Daten und kann so den ‚Fingerabdruck‘ jeder einzelnen Pflanze erstellen“, erklärt Projektleiter Ruckelshausen. Mithilfe des Scans kann später der Standort einer bestimmten Pflanze exakt wiedergefunden und neu vermessen werden.

Unkrautzupfen mit BoniRob

Geplant ist, dass BoniRob zukünftig auch Unkraut in Möhrenfeldern zupft. Daran arbeiten die Osnabrücker Forscher im Forschungsprojekt „RemoteFarming“. Mit Hilfe komplexer Bildverarbeitung soll der Feldroboter lernen, zwischen Unkraut und Nutzpflanze zu unterscheiden. Beim diesjährigen "Robotics Technology Transfer Award" belegte die Agrarplattform den zweiten Platz. Erst im September 2015 wurde der Feldroboter von Bundeslandwirtschaftsminister Christian Schmidt mit dem Deutschen Innovationspreis Gartenbau in der Kategorie Technik ausgezeichnet. Inzwischen wird die preisgekrönte Agrarplattform vom ausgegründeten Start-up Deepfield Robotics - einem Tochterunternehmen von Bosch - weiterentwickelt und in Serie produziert.

Chemische Produkte sollen nachhaltiger werden. Diesem Ziel hat sich jetzt auch eine internationale Forschergruppe unter Mitwirkung Mainzer Biochemiker verschrieben. Bei der Herstellung chemischer Grundstoffe wollen die Wissenschaftler die üblicherweise auf Erdölprodukten beruhenden Synthesen durch den Naturstoff Holz ersetzen. Wie das Team im Fachjournal Angewandte Chemie (2015, Online-Vorabveröffentlichung) nun berichtet, gelang es ihnen, zwei Wirkstoffe mithilfe von "Xylochemie" herzustellen.

Die natürliche Ressource Holz ist für Chemiker eine Art nachwachsender Molekül-Baukasten. Denn der Rohstoff bietet eine ganze Palette von Substanzen wie Cellulose oder Lignin, für eine ebenso große Palette von Produkten. Die im Holz schlummernden Ausgangsstoffe haben auf Grund ihrer chemischen Struktur sogar das Potenzial, die dominierende Erdölchemie vom Podest zu stoßen. Davon ist Till Opatz vom Institut für Organische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) überzeugt. "Holz als erneuerbare und einfach zugängliche Ressource ist ein ideales Ausgangsmaterial. Seine Inhaltsstoffe gleichen einem Baukasten, aus dessen Bausteinen Produkte für eine modere Gesellschaft hergestellt werden können", erklärt Opatz.

Holzbasierte Ausgangsstoffe ersetzen Erdöl

Gemeinsam mit Forschern der University of Alabama in Tuscaloosa haben die Mainzer Wissenschaftler in den vergangenen zwei Jahren im Holz nach Inhaltsstoffen für eine nachhaltige Herstellung zahlreicher chemischer Grundstoffe geforscht. Wie das Team im Fachjournal Angewandte Chemie (2015, Online-Vorabveröffentlichung) nun berichtet, gelang es ihnen zwei Wirkstoffe aus holzbasierten Ausgangsmaterialien herzustellen und damit zu zeigen, dass sich die üblicherweise auf Erdölprodukten beruhenden Synthesen ohne wirtschaftliche Verluste ersetzen lassen. „Dies zeigt, dass die Verwendung von Holz als nachwachsender Ressource nicht mit einer Reduktion der Wirtschaftlichkeit verbunden sein muss“, betont auch Erstautortautor Daniel Stubba.

Kohlenstoff-Moleküle ausgetauscht

Konkret konnten die Forscher beweisen, dass sich die Synthese von erdölbasierten Wirkstoffen ohne Schwierigkeiten so verändern ließ, dass die Kohlenstoffgerüste ihrer Moleküle komplett aus holzbasierten Ausgangsmaterialien bestanden. Dies gelang ihnen zum Einem im Falle des Naturstoffes Ilicifolin B, wofür es allerdings bisher noch keine Vergleichsmöglichkeit zur klassischen petrochemischen Variante gibt, da es sich um die erste Synthese dieser Substanz handelte. Im Falle von Derivaten des natürlichen Schmerzmittels Morphin hatte die Effizienz der xylochemischen Synthese - also der chemischen Synthese aus Holz- allerdings die klassische Varianten deutliche übertroffen.

Neue Forschergruppe für nachhaltige chemische Infrastrukturen

Die Forscher sind überzeugt, dass die Xylochemie einen wichtigen Beitrag „zum Ersatz der endlichen und auch klimaschädlichen Erdöl- und Erdgasnutzung in der chemischen Produktion“ leisten kann. Daher wurde die gemeinsame Forschungsarbeit nun erweitert. Unter dem Namen STANCE (Sustainable Technology for a new Chemical Economy) werden die Mainzer Biochemiker zusammen mit  Wissenschaftlern aus den USA, Japan und Kanada an der Entwicklung einer alternativen, nachhaltigen chemischen Infrastruktur arbeiten, die nicht auf endlichen Ressourcen beruht, ökologische Ungleichgewichte vermeidet und dennoch kostengünstig ist. „Unsere Idee ist es, dass wir Alltagsprodukte aus erneuerbaren Ressourcen herstellen, ohne dass wir dadurch die Umwelt schädigen, aber trotzdem wirtschaftlich konkurrenzfähig bleiben“, erklärte Till Opatz.