Aktuelle Veranstaltungen

1.750 Aussteller aus 61 Ländern präsentieren sich vom 18. bis 27. Januar auf der Internationalen Grünen Woche am Berliner Funkturm. Rund 400.000 Besucher werden nach Angaben der Veranstalter auf dem Messegelände erwartet. Partnerland ist in diesem Jahr Finnland. Die 84. Auflage der globalen Leitmesse für Landwirtschaft, Ernährung und Gartenbau zeigt nicht nur Neuerungen rund um Ernährung und Landwirschaft. Sie bietet auch eine internationale Plattform für neue biobasierte Produkte und Innovationen.

Primär ist die Grüne Woche jedoch vor allem eines: eine kulinarische Entdeckungsreise. Neben exotischen Speisen und regionalen Spezialitäten sind es die Trends von morgen, die auch in diesem Jahr neugierig machen. Ob Proteinbier, gebratene Insekten oder Proteinsnacks aus Algen – die Lebensmittelbranche setzt hier mit gesunden und nachhaltigen Produkten ein Zeichen. 

Besonderer Blickfang in der Bioökonomie-Halle 4.2: ein Porsche Cayman GT4 als Bioconcept-Car. Der schnittige und farbenfrohe Rennwagen ist ein Prototyp, dessen Leichtbau-Karosserie in Teilen aus Pflanzenfasern und biobasiertem Kunststoff besteht. Er ist damit ein anschauliches Beispiel, wie biobasierte und nachhaltige Produkte den Alltag erobern.  

Eine überwiegend pflanzliche oder vollständig vegane Ernährung wird immer beliebter bei umweltbewussten Konsumenten, da die ökologischen Kosten für Fleisch in Form von Waldrodungen und Treibhausgasemissionen immer größer werden. Deshalb sind alternative Proteinquellen wie Insekten, Laborfleisch oder Hülsenfrüchte sehr gefragt. Die Plattform für innovative Food- und Gastro-Ideen NX-FOOD (Next Generation Food) der METRO AG hat nun das britische Lebensmittelunternehmen Moving Mountains und das Düsseldorfer Burger-Restaurant „What's Beef" zusammengebracht, um den ersten Burger aus komplett pflanzlichen Zutaten in Deutschland auf den Markt zu bringen.

Die veganen Burger gibt's nur im Restaurant

„Wir freuen uns, dass wir diese Partnerschaft über NX-FOOD ermöglichen konnten. Unser Antrieb ist es, die Lücke zwischen Innovation und Umsetzung zu schließen", sagt Fabio Ziemßen, Leiter der Abteilung Food Innovation bei METRO. In Großbritannien wurde der Burger von Moving Mountains bereits erfolgreich eingeführt. In Deutschland ist dieser hingegen bisher nicht im Handel erhältlich und kann nur in den Restaurants der Burger-Kette „What's Beef" probiert werden. Für Selim Varol, Gründer und Geschäftsführer von „What's Beef", passt der neue, pflanzliche Burger optimal zur Burgerkette: „Wir sind stolz darauf, das erste Restaurant in Deutschland zu sein, das diese Alternative zu Fleisch anbietet. Natürlich wird es unser nachhaltig erzeugtes Fleisch nicht ersetzen. Aber es bedeutet, dass wir eine Alternative für Kunden bieten können, die ihren Fleischkonsum reduzieren wollen, und für diejenigen, die sich vegan ernähren."

Umweltfreundlich und nahrhaft

Jeder Moving Mountains Burger enthält 25 Gramm pflanzliches Eiweiß aus Austernpilzen, Erbsen, Weizen und Sojasprossen sowie Hafer. Zusätzlich wird Rote-Beete-Saft  verwendet, um die Illusion von „blutendem" Fleisch zu erzeugen. Durch die Zugabe von Vitamin B12 wird der Burger auch zu einer gesunden Nährstoffquelle. „Wissenschaftler, Köche und Landwirte haben mehr als drei Jahre in die Entwicklung unseres Burgers investiert, der die beste Nachbildung von Fleisch im Vereinigten Königreich ist. Die Herstellung erfordert deutlich weniger Land- und Wasserressourcen und verursacht weniger Treibhausgasemissionen als die herkömmliche Fleischproduktion", ergänzt Simeon Van der Molen, Gründer von Moving Mountains.

jmr

Kunststoffe und Plastikverpackungen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch sie sind gleich in mehrfacher Hinsicht eine Bedrohung für die Umwelt: Herkömmliche Kunststoffe sind meist erdölbasiert und verbrauchen für die Herstellung enorm viele Ressourcen. Außerdem sammeln sich große Müllberge von Einwegplastikprodukten an. Da viele Kunststoffe kaum oder gar nicht recycelt werden, zerfallen sie im Laufe ihres jahrzehntelangen Abbaus in sogenannte Mikroplastikpartikel. Diese reichern sich sowohl auf dem Land als auch im Wasser an und gelangen so in die Nahrungskette. Eine nachhaltige Alternative bieten biobasierte Kunststoffe, die in ihrer Herstellung wesentlich ressourcenschonender sind. Einige sind zudem auch biologisch abbaubar. Noch ist die Herstellung von Bioplastik meist teurer als die Produktion herkömmlicher Kunststoffe. Die Nürnberger Bioingenieurin Stephanie Stute will das ändern: Sie arbeitet an einem Verfahren, das die Herstellung biobasierter und biologisch abbaubarer Kunststoffe aus Polybuttersäure effizienter und kostengünstiger macht.

117 Kilogramm Salat, 67 Kilogramm Gurken, 46 Kilogramm Tomaten, 19 Kilogramm Kohlrabi, 15 Kilogramm Kräuter und 8 Kilogramm Radieschen – das ist die vorläufige Bilanz nach einem Jahr Gemüseanbau im ewigen Eis. Von Dezember 2017 an hatte Paul Zabel vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im EDEN-ISS-Gewächshaus neben der deutschen Antarktisforschungsstation Neumayer III des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) auf dem siebten Kontinent Gemüse angebaut. Das DLR betreibt das Gewächshaus, um Informationen für eine künftige Gemüsezucht auf Mond und Mars zu gewinnen. Finanziert wird das Projekt aus Mitteln des Europäischen Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020.

Täglich frisches Gemüse für das Überwinterungsteam

Zabel arbeitete fast täglich in dem rund 400 Meter von der Neumayer-Station entfernten EDEN-ISS-Gewächshaus. Bei starken Stürmen wurde das Gewächshaus automatisch vom Kontrollzentrum in Bremen überwacht und gesteuert. „Von Bremen aus waren wir mit Paul in täglichem Kontakt", berichtet EDEN-ISS-Leiter Daniel Schubert vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme im Deutschlandfunk.

Auch die anderen Mitglieder des insgesamt zehnköpfigen Überwinterungsteams auf der Neumayer-Station unterstützten Paul Zabel bei seiner Arbeit. „Nach über einem Jahr in der Antarktis blicken wir auf eine erfolgreiche Überwinterung zurück. Die Arbeit in dem Gewächshaus und das frische Gemüse haben unsere Zeit an der Neumayer-Station III bereichert", sagt Stationsleiter Bernhard Gropp. Die detaillierte Auswertung der Studien zur Pflanzenzucht in der Antarktis laufen noch. Die umfangreichen Ergebnisse, die unter anderem technische, botanische, mikrobiologische sowie psychologische Analysen enthalten, werden für Mai 2019 erwartet.

Künstliches Licht und Nährstofflösung für die Pflanzen

Denn in dem EDEN-ISS-Gewächshaus wachsen die Pflanzen nicht wie üblich in der Erde, sondern in zwei umgebauten Schiffscontainern komplett unabhängig von den äußeren Umweltbedingungen. Das künstliche Licht stammt aus LED-Lampen und die Wurzeln wachsen nicht in Erde, sondern hängen in der Luft und werden regelmäßig mit Wasser und Nährstoffen angesprüht. Das komplette Klima im Gewächshaus kann gesteuert werden – einschließlich Temperaturen und Luftfeuchtigkeit.

Dennoch gab es auch ein paar Probleme während des Jahres im Eis. Zum einen seien beispielsweise Paprika- und Erdbeerpflanzen zwar gut gewachsen, wie Zabel im Deutschlandfunk berichtet. Die Erdbeeren hätten jedoch gar keine Früchte gebildet, und die Paprika nur sehr wenige. „Da müssen wir noch mal schauen, woran das da genau gelegen hat“, so Zabel. Die meisten Probleme lagen aber im technischen Bereich, wie Systemausfälle oder einzelne Komponenten, die unerwartet kaputtgingen.

In zehn Jahren wächst Gemüse auf dem Mond

In den kommenden zwei Jahren wird das DLR deshalb zusammen mit dem AWI und anderen Forschungspartnern die Produktionsprozesse im EDEN-ISS-Gewächshaus weiterentwickeln, um zukünftigen Stationen auf Mond und Mars ein optimiertes Gewächshauskonzept anzubieten. Die Fortführung des Projekts ist offen für Forscher aus der ganzen Welt. „Bald übergeben wir das Gewächshaus an die neuen Überwinterer, die das EDEN-ISS-Projekt in der Antarktis fortführen und sich um den Pflanzenanbau kümmern werden", so Schubert.

Vor allem die Zuverlässigkeit der Systeme müsse den Forschenden zufolge noch verbessert werden. Schließlich soll bei einer Anwendung im All der Gemüseanbau gleichzeitig Sauerstoff für die Menschen erzeugen – ein Ausfall der Systeme wäre dann lebensbedrohlich. Dem Deutschlandfunk gegenüber zeigt sich Zabel dennoch optimistisch: „Ich denke, man könnte schon innerhalb von zehn Jahren so ein Gewächshaus für Mond oder Mars funktionsfähig bekommen.“

jmr

117 kilograms of lettuce, 67 kilograms of cucumbers, 46 kilograms of tomatoes, 19 kilograms of kohlrabi, 15 kilograms of herbs and 8 kilograms of radishes - these are the preliminary results after one year of vegetable farming in perpetual ice. From December 2017 onwards, Paul Zabel of the German Aerospace Center (DLR) had been growing vegetables in the EDEN-ISS greenhouse next to the German Antarctic research station Neumayer III of the Alfred Wegener Institute (AWI). DLR operates the greenhouse to obtain information for future vegetable farming on the Moon and Mars. The project is funded by the European Research Framework Programme Horizon 2020.

Fresh vegetables daily, despite perpetual ice

Almost every day Zabel walked the 400 metres from the Neumayer Station to the EDEN-ISS greenhouse, except for heavy storms, during which the greenhouse was automatically monitored and controlled by the control centre in Bremen. "From Bremen, we were in daily contact with Paul," reports Daniel Schubert, head of EDEN-ISS at the DLR Institute for Space Systems.

The other members of the winter-team at Neumayer Station also supported Paul Zabel in his work. "After more than a year in Antarctica, we can look back on a successful winter. The work in the greenhouse and the fresh vegetables enriched our time at Neumayer Station III," says Station Manager Bernhard Gropp. The evaluation of the studies on plant breeding in Antarctica is still ongoing. The detailed results, which will include technical, botanical, microbiological and psychological analyses, are expected to be completed in May 2019.

Artificial light and nutrient solution for the plants

Of note, in the EDEN-ISS greenhouse the plants do not grow as usual. Rather, the greenhouse is made-up of two converted shipping containers and the conditions inside are completely independent of the external weather conditions. The artificial light is provided by LED lamps and the roots do not grow in soil, but hang in the air and are sprayed regularly with water and nutrients. The entire climate in the greenhouse can be controlled - including temperatures and humidity.

Yet, there have been a few problems during the year in Antarctica. Although the paprika and strawberry plants, for example, have grown well, as Zabel reports on Deutschlandfunk radio, the strawberries had not formed any fruit at all, and the peppers formed only very few. "We'll have to see what exactly this was all about," says Zabel. However, most of the problems were in the technical area, such as system failures or individual components that unexpectedly broke down.

Greenhouse system could be ready for the Moon in ten years

Over the next two years, the DLR, together with AWI and other research partners, will therefore further develop the production processes in the EDEN-ISS greenhouse in order to offer future stations on the Moon and Mars an optimised greenhouse concept. The continuation of the project is open to researchers from all over the world. "Soon we will hand over the greenhouse to the new winter team, who will continue the EDEN-ISS project in Antarctica and take care of plant cultivation," says Schubert.

According to the researchers, the reliability of the systems in particular needs to be improved. After all, when used in space, the farming of vegetables will also be used to produce oxygen - a failure of this system would therefore be life-threatening. Nevertheless, Zabel is optimistic: "I think one could get such a greenhouse up and running for the Moon or Mars within the next ten years."

jmr

„Und was gibt’s morgen?“ Mit dieser Frage lockt die Sonderschau des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) die Besucher der Grünen Woche in Halle 23a – und liefert gleich die Antwort mit: Hightech im Stall, auf dem Acker und im Bienenstock soll die Branche mehr als bisher prägen und so für die Herausforderungen der Zukunft fit machen.

Drohnen fliegen über den Acker, Sensoren messen Bodenfeuchtigkeit oder Reifegrad von Früchten, Melkcomputer und Entmistungsroboter verbessern die Tierhaltung im Stall: Die BMEL-Sonderschau zeigt, wie die Digitalisierung die Arbeit von Landwirten schon heute erleichtert. Zudem wird beleuchtet, wie die Pflanzenzüchtung von neuen Technologien profitieren kann.  

Smarte Helfer für den Obstanbau

Vor allem im Obstanbau setzen die Forscher auf Präzision durch mobile Anwendungen, wie das Potsdamer Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. zeigt. Sensoren und Drohnen sollen den Obstanbau effektiver machen. So könnte künftig mithilfe eines Sensors der optimale Zeitpunkt für die Ernte von Obst ermittelt werden. Der optische Sensor misst dafür den Chlorophyllgehalt der Frucht als Indikator der Fruchtreife. Um Pflanzenschutzmittel zu sparen und präziser aufbringen zu können, entwickelten die Potsdamer Forscher einen Laserscanner, der die Bäume und deren Blattfläche ermittelt und so die nötige Menge an Spritzmittel errechnet. Mit „SmArt“ haben die Leibniz-Forscher bereits einen digitalen Helfer im Obstanbau im Einsatz. Das sensorgestützte Gerät fährt die Apfelplantagen ab, erfasst die Blütenmenge und dünnt diese automatisch aus, um den bestmöglichen Ertrag zu gewährleisten. 

Weinanbau mit Zwischenfrüchten

Ertragssteigerung mittels natürlichem Pflanzenschutz ist ein Ansatz, den das Julius-Kühn-Institut – Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen verfolgt. Am Beispiel des Weinanbaus wird gezeigt, wie der Anbau von Zwischenfrüchten wie Kamille, Wilde Möhre oder Phaselia den Unterboden fruchtbar machen und die Biodiversität steigern kann.

Holz ist einer der wichtigsten Rohstoffe unserer Industrie. Es wird zur Energiegewinnung, als nachhaltiges Baumaterial, zur Herstellung von Papier und Bioplastik verwendet. Doch wie genau wächst und bildet sich das Holz eigentlich? Dieser Frage sind Heidelberger Forscher nachgegangen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Development“ berichten, sind sogenannte zweigesichtige Stammzellen für die Holzbildung verantwortlich. Diese bilden nicht nur den Ausgangspunkt für die Entstehung von Holz, sondern auch für die Erzeugung von pflanzlichem Bast, indem sie sich abwechselnd zu Holz- und Bastzellen weiterentwickeln.

Das Kambium ist die Wachstumszone der Bäume

Mithilfe der Photosynthese verwandeln Bäume die Sonnenenergie in Zucker und Biomasse. Der größte Teil der Biomasse wird bei der Holzbildung gespeichert. Gebildet wird das Holz von einer dünnen Schicht Stammzellen, dem sogenannten Kambium. Dieses befindet sich direkt unter der Rinde und erzeugt neben dem Holz auch den pflanzlichen Bast, der oft in der Faserindustrie verwendet wird. „Obwohl es eine entscheidende Rolle im Stoffkreislauf der Erde spielt und wichtige Materialien für unseren täglichen Bedarf liefert, ist die Funktionsweise des Kambiums nahezu unbekannt“, sagt Thomas Greb, der am Centre for Organismal Studies die Forschungsgruppe Entwicklungsphysiologie leitet.

Marker zeigen die Doppelfunktion der Stammzellen

Um die Holzbildung nachzuvollziehen, hat das Team um Greb verschiedene Zelltypen im Kambium mit fluoreszierenden Proteinen markiert. Dadurch konnten sie deren Entwicklung verfolgen und so beobachten, dass bestimmte Zelltypen – nämlich die zweigesichtigen Stammzellen – abwechselnd Zellen für den inneren Holzteil und den äußeren Bast bilden.

Durch das bessere Verständnis der Holzbildung erhoffen sich die Forschenden, in Zukunft weitere Mechanismen der Regulation von Zelleigenschaften entschlüsseln und letztlich das Pflanzenwachstum modellieren zu können.

jmr

Wood is one of the most important raw materials in our industry. It is used for energy production, as a sustainable building material, for the production of paper and even bioplastics. But how exactly does wood grow? This is what researchers from Heidelberg have been investigating. According to their report in the journal "Development", so-called bifacial stem cells are responsible for the formation of wood. Of note, these stem cells are not only the starting point for the production of wood, but also for the production of plant bast by alternately developing into either wood or bast cells.

The cambium is the growth layer of trees

Via photosynthesis, trees convert solar energy into sugar and biomass. Most of the biomass is stored during wood formation. The wood is formed by a thin layer of stem cells, the so-called cambium. This layer is located directly underneath the bark and produces not only wood but also plant bast, which is often used in the fibre industry. "Although it has an essential role in the Earth's materials cycle and supplies important materials for our daily lives, how the cambium functions is largely unknown," says Thomas Greb, who heads the "Developmental Physiology" research group at the Centre for Organismal Studies in Heidelberg.

Fluorescent markers visualise the dual function of stem cells

In order to understand the formation of wood, Greb and his team labelled different cell types in the cambium with fluorescent proteins. This enabled them to follow their development and observe that certain cell types - namely the bifacial stem cells - alternately form cells for the inner part of the wood and the outer bast.

By gaining a better understanding of wood formation, the researchers hope to be able to decipher further mechanisms of the regulation of cell properties and ultimately model plant growth.

jmr

Wer heute an der Tankstelle Benzin oder Diesel in sein Fahrzeug füllt, tankt meist auch einen gewissen Anteil beigemischter Biokraftstoffe. Diese auf pflanzlichen Rohstoffen basierenden Kraftstoffe sollen die Klimabilanz der ansonsten erdölbasierten Kraftstoffe verbessern. Doch selbst die Biokraftstoffe sind nicht unumstritten, konkurrieren sie doch mit Nahrungs- und Futterpflanzen um fruchtbare Ackerflächen oder wachsen zum Teil auf ehemaligen Regenwaldflächen. Der Schweizer Spezialchemiekonzern Clariant will daher seine Expertise mit ExxonMobile und der Renewable Energies Group (RED) bündeln, um Biokraftstoffe aus Zellulose-Zuckern herzustellen, die auf biotechnologischem Weg aus Agrarreststoffen gewonnen werden.

Erfahrung in der Nutzung von Zellulose-Zuckern

Clariant seinerseits hat eine Methode entwickelt, um mit der geschützten „sunliquid“-Technologie aus Pflanzenreststoffen Zellulose-Zucker zu erzeugen. Dieses Verfahren umfasst die chemikalienfreie Vorbehandlung von Pflanzenreststoffen wie Weizen-, Reis- und Maisstroh sowie Zuckerrohrbagasse, die Produktion spezifischer Enzyme sowie die Gewinnung großer Mengen C5- und C6-Zucker aus diesen Rohstoffen. Das Verfahren wird bereits seit 2012 in einer Demonstrationsanlage im bayrischen Straubing von Clariant getestet. Der Bau dieser Anlage wurde mit 5Mio. Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert. 

Auch ExxonMobile hat gemeinsam mit REG ein Verfahren erforscht, das aus Zellulosezuckern in einem einstufigen Prozess Biodiesel produziert. „In den vergangenen drei Jahren hat unsere Arbeit mit REG zu wichtigen Fortschritten in der genetischen Optimierung der von REG entwickelten Mikroben geführt, die bei der Umwandlung von Zellulose-Zucker zu Biodiesel eine Rolle spielen“, schildert Vijay Swarup, Vizepräsident des Bereichs Forschung und Entwicklung bei der ExxonMobil Research and Engineering Company.

Alle Schritte in einem Prozess zusammenführen

Beide Prozesse sollen nun zu einem durchgängigen Prozess weiterentwickelt werden, bei dem aus Agrarreststoffen Biodiesel entsteht. „Die Anwendung des Fachwissens von Clariant hilft uns, einen entscheidenden Schritt im Umwandlungsprozess von Zellulose besser zu verstehen und voranzubringen, der uns hoffentlich dabei hilft, eine Technologie für die Massenproduktion von Biodiesel zu entwickeln“, beschreibt Swarup das Ziel der neuen Kooperation. Die neuen Prozesse wollen die drei Partner in der Demonstrationsanlage von Clariant in Straubing erproben und dabei besonders geeignete Zellulose-Rohstoffe identifizieren. 

bl

Tief unter der Erde befindet sich unsere wichtigste Wasserreserve: das Grundwasser. Der unterirdische Pool ist das größte Frischwasserreservoir der Erde und zugleich eine kostbare Trinkwasserquelle. Knapp zwei Milliarden Menschen weltweit beziehen ihr Trinkwasser daraus. Wie der Boden und das Meer ist auch dieses Ökosystem durch den Klimawandel, die Übernutzung und die wachsende Weltbevölkerung bedroht. Doch während manche Folgen des Klimawandels, wie das Abschmelzen der Polkappen, sichtbar sind, bleiben die Auswirkungen auf das Grundwasser weitestgehend verborgen und werden daher kaum wahrgenommen. 

Klimatische Folgen für Grundwasser untersucht

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter Beteiligung des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) in Bremen hat deshalb untersucht, wie schnell das Grundwasser auf klimatische Veränderungen reagiert. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal „Nature Climate Change“ veröffentlicht. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Europa, Nordamerika und Australien sammelten die Bremer Forscher weltweit Datensätze über die Merkmale der Grundwassersysteme. Dazu gehören die Bodenbeschaffenheit und die Neigung des Gefälles. Beide Faktoren bestimmen, wie schnell das Regenwasser im Boden versickert und von dort in Flüsse, Seen und andere Gewässer gelangt. Anhand von Simulationen berechneten die Forscher die Reaktionszeit der Systeme auf eine gesteigerte oder gedrosselte Wasserzufuhr, wie sie im Rahmen des Klimawandels zu erwarten ist.

Lange Reaktionszeit als „ökologische Zeitbombe"

Das Ergebnis: In vielen Gebieten der Erde wird sich der Einfluss des Klimawandels auf das Grundwasser erst in 100 oder noch mehr Jahren bemerkbar machen. Was wie eine gute Nachricht klingt, ist nach Einschätzung der Forscher eine „ökologische Zeitbombe“. „In der langen Reaktionszeit der Grundwassersysteme liegt die Tücke“, erklärt Geologe Nils Moosdorf vom ZMT, einer der Autoren der Studie. „Grundwassersysteme haben ein ‚Gedächtnis‘, das sich als ökologische Zeitbombe erweisen kann. Was ihnen heute widerfährt, wirft seine Schatten weit in die Zukunft und beeinträchtigt die Lebensbedingungen unserer Urenkel.“


Studie als Basis für frühzeitige Schutzmaßnahmen 

Der Studie zufolge kann ein Grundwassersystem durchaus Schwankungen in der Wasserzufuhr unterschiedlich gut abpuffern. In trockenen Regionen ist dabei die Zeitspanne jedoch besonders lang, da der Grundwasserspiegel meist tief in der Erde liegt und der Austausch mit der Landoberfläche gering ist. Die Forscher sind überzeugt, dass die Ergebnisse ihrer Studie eine wichtige Grundlage sind, um mit geeigneten Maßnahmen das Ökosystem Grundwasser als Trinkwasserreservoir zu erhalten.

bb

Deep below the ground is our most important water reserve: groundwater. The underground pool is the largest freshwater reservoir on earth and at the same time a precious source of drinking water. Almost two billion people around the globe draw their drinking water from it. Like the soil and the sea, this ecosystem is threatened by climate change, overexploitation and the growing world population. But while some consequences of climate change, such as the melting of the polar ice caps, are visible, the effects on groundwater remain largely hidden and are therefore barely noticed.

Climatic consequences for groundwater investigated

An international team of scientists, including the Leibniz Centre for Marine Tropical Research (ZMT) in Bremen, has therefore investigated how quickly groundwater reacts to climatic changes. The results of the study were published in the journal "Nature Climate Change". Together with scientists from Europe, North America and Australia, the Bremen researchers collected data worldwide on the characteristics of groundwater systems. These include soil properties and gradient inclination. Both factors determine how quickly rainwater seeps into the soil and from there into rivers, lakes and other bodies of water. Using simulations, the researchers calculated the reaction time of the systems to an increased or reduced water supply, as is to be expected in the context of climate change.

Long reaction time as an "ecological time bomb"

The result: In many parts of the world, the impact of climate change on groundwater will only become apparent in 100 or more years' time. According to the researchers, what sounds like good news is an "ecological time bomb". "The problem lies in the long reaction time of groundwater systems," explains geologist Nils Moosdorf of the ZMT, one of the authors of the study. "Groundwater systems have a 'memory' that can prove to be an ecological time bomb. What happens to them today casts its shadows far into the future and affects the living conditions of our great-grandchildren".


Study as basis for early protection measures

According to the study, a groundwater system can buffer fluctuations in the water supply to varying degrees. In dry regions, however, the time span is particularly long because the groundwater level is usually deep in the earth and the exchange with the land surface is low. The researchers are convinced that the results of their study are an important basis for taking appropriate measures to preserve the groundwater ecosystem as a drinking water reservoir.

bb/um

Kohlenstoffhaltige Rohstoffe sind die Basis zahlreicher Produkte. Vor allem die chemische Industrie braucht diese Ressource. Die Branche benötigt pro Jahr etwa 15 Millionen Tonnen Kohlenstoff, um Kunststoffe, Klebstoffe, Schmierstoffe oder Kosmetika herzustellen. In der Regel werden dafür fossile Rohstoffe wie Erdöl oder Erdgas verwendet. Eine Alternative ist die Nutzung pflanzlicher Biomasse, die ebenfalls Kohlenstoff enthält. Die chemische Industrie kann diese nachwachsende Ressource jedoch nicht ohne Weiteres nutzen.

Netzwerk vereint verschiedene Akteure

Ein neues Bündnis will das ändern. Es setzt auf die Kreislaufwirtschaft, um die Rohstoffversorgung in der Branche auf eine nachhaltige Basis zu stellen. Auf Initiative des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS hin fiel im Januar in Espenhain bei Leipzig der Startschuss für die Gründung eines nationalen Netzwerks für Kohlenstoffkreislaufwirtschaft (NK2). 65 Unternehmen und Forschungseinrichtungen gehören dem Bündnis an. Verschiedene Akteure aus Energiewirtschaft, chemischer Industrie, Anlagenbau und Abfallwirtschaft wollen dazu beitragen, dass der wertvolle Rohstoffe Kohlenstoff im System bleibt und nicht freigesetzt wird und somit die Umwelt belastet.

Plattform für Information und Wissensaustausch

„Mit dem neuen Netzwerk NK2 möchten wir eine Plattform für Information, Wissensaustausch und intersektorale, aber auch internationale Vernetzung etablieren. Uns eint die Überzeugung, dass die Kohlenstoffkreislaufwirtschaft nicht nur erhebliche Vorteile für den Klimaschutz bietet, sondern auch große Potenziale für die Wertschöpfung in Deutschland“, sagt Bernd Meyer, Leiter des Netzwerkes und des Geschäftsfeldes Chemische Umwandlungsprozesse am Fraunhofer IMWS.

Kohlenstoffhaltige Biomasse aus Abfallstoffen

Die Abfallwirtschaft als Lieferant kohlenstoffhaltiger Biomasse spielt im Konzept der Kreislaufwirtschaft eine besondere Rolle. Hier gilt es, Abfallstoffe zu recyceln und weiterzuverwenden. Nicht zuletzt setzt das seit Januar dieses Jahres geltende neue Verpackungsgesetz eine höhere Recyclingquote fest und damit neue Maßstäbe für die Industrie. Der Vorteil des neuen Netzwerkes: Alle Akteure, ob Leichtbauunternehmen oder Energieerzeuger, werden ihre sekundären Kohlenstoffquellen für die Weiterverarbeitung bereitstellen, um den Kohlenstoff als Rohstoff im Sinne der Kreislaufwirtschaft für die Entwicklung emissionsfreier Technologien nutzbar zu machen. „Die Sektorkopplung ist der Schlüssel dazu“, ist Meyer überzeugt.

bb

Wenn die Laderampe für die Rohstoffanlieferung versperrt ist, ist auch die gefährlichste Waffenfabrik harmlos. Nach diesem Prinzip verteidigen sich Maispflanzen gegen den Pilz Ustilago maydis, der die Krankheit Maisbeulenbrand auslöst, wie Forscher der Universität Marburg und des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie im Fachjournal „Nature“ berichten.

Pilzenzym verhindert Bildung von Salizylsäure

Wenn der Pilz eine Maispflanze befällt, greift er deren Zellen mit sogenannten Effektormolekülen an. Diese bringen die Infektion voran, bekämpfen aber auch die Verteidigungsmechanismen des Wirtes. Zu den Effektormolekülen zählt die Chrosimat Mutase 1 (Cmu1). Dieses Enzym manipuliert einen bestimmten Stoffwechselweg der Maispflanze, über den diese Salizylsäure bildet. „Der wichtige Botenstoff Salizylsäure signalisiert in der Pflanze die Infektion durch schädliche Organismen“, erläutert Regine Kahmann vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie.

Kiwellin blockiert das Pilzenzym

Der Mais kann sich gegen diesen Angriff wehren, wie die Forscher feststellten: Ein bestimmtes Protein aus der Gruppe der Kiwelline unterbindet die Aktivität der Chrosimat Mutase. Mittels Röntgenkristallographie gelang es dem Team, den zugrunde liegenden Mechanismus aufzuklären: „Die Struktur zeigt eindrücklich, dass das Abwehrprotein den Zugang der Substrate und damit die katalytische Funktion der Cmu1 blockiert“, erklärt Gert Bange vom Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg. So kann das Enzym nicht den Ausgangsstoff Chorismat verbrauchen und diesen dem Stoffwechsel der Maispflanze entziehen.

Potenzielle Anwendung in der Pflanzenzüchtung

Von Kartoffeln und Tomaten war bereits bekannt, dass sie bei Schädlingsbefall vermehrt Proteine aus der Gruppe der Kiwelline produzieren. Das ließ vermuten, dass diese Proteinklasse Teil der Immunantwort ist. Auch bei Mais fanden die Forscher nun 20 unterschiedliche Kiwelline. An der Abwehr gegen Cmu1 war jedoch keines dieser weiteren Proteine beteiligt. Die Forscher hoffen nun, dass Kiwelline mittelfristig bei Mais und anderen Agrarpflanzen auf biotechnologischem Weg zum Pflanzenschutz beitragen können.

bl

Das Verständnis der bakteriellen Photosynthese könnte helfen, leistungsfähigere Ackerpflanzen zu züchten. Denn durch einen Trick gelingt es Cyanobakterien, das Sonnenlicht besonders effizient zu nutzen. Einen wichtigen Teil von diesem Mechanismus haben Forscher des Max-Planck-Instituts (MPI) für Biochemie in Martinsried gemeinsam mit Kollegen der Australian National University jetzt enträtselt, wie sie im Fachjournal „Nature“ berichten.

Weniger Nebenreaktionen durch hohe CO₂-Konzentration

Bei der Photosynthese wandeln Zellen Wasser und Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit Hilfe von Sonnenlicht in Zucker und Sauerstoff um. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Enzym Rubisco. Es bindet CO₂ aus der Atmosphäre und macht das Gas für Reaktionen in der Zelle zugänglich. Allerdings kann Rubisco auch mit Sauerstoff reagieren, anstatt CO₂ zu binden. In diesem Fall trägt das Enzym nicht zum Energiegewinn der Zelle bei. Cyanobakterien, die ebenso wie Pflanzen die Photosynthese beherrschen, bündeln ihr Rubisco in bestimmten Strukturen namens Carboxysomen. Dort herrscht eine besonders hohe CO₂-Konzentration, weshalb die Rubisco-Enzyme nur wenige Nebenreaktionen mit Sauerstoff eingehen.

Kryo-Elektronenmikroskopie deckt Mechanismus auf

Bislang wussten Forscher zwar, dass das Protein CcmM die Rubisco-Enzyme bündelt, nicht aber, wie es das anstellt. „Wir haben in dieser Studie die Vorteile der sich rasant entwickelnden Kryo-Elektronenmikroskopie genutzt, um diese dynamischen Interaktionen zu erfassen”, erläutert Max-Planck-Forscher Huping Wang und einer der Erstautoren der Studie. So konnten die Biochemiker einen unerwarteten Mechanismus dokumentieren, mit dem dies geschieht. Dadurch trennt sich das Rubisco von anderen Proteinen und erzeugt mit den CcmM-Proteinen eine eigene Phase. Um diese Phase herum formt sich eine Proteinhülle und bildet so das Carboxysom.

Anwendung in der Pflanzenzüchtung?

„Wenn wir funktionierende Carboxysome auf höhere Pflanzen übertragen könnten, würde das die Nutzpflanzen zusätzlich anregen, CO₂ noch effizienter zu fixieren“, erläutert die Max-Planck-Forscherin Manajit Hayer-Hartl das Potenzial der Entdeckung. „Dann würde die Energie, die normalerweise in der Reaktion von Rubisco mit Sauerstoff verlorengeht, für die Erzeugung von Biomasse zur Verfügung stehen.“ So erzeugte Nutzpflanzen könnten eines Tages den Einsatz von Kunstdüngern reduzieren und die weltweite Nahrungsversorgung verbessern.

bl

Wissenschaftler der Universität Bayreuth untersuchten erstmals einen durch konventionelle Landwirtschaft genutzten Acker auf Kunststoffe. Zur Düngung des Ackers wurde in den letzten fünf Jahren ausschließlich Stallmist von Kühen und Schweinen sowie Stickstoffdünger verwendet. Auch kamen bei der Bewirtschaftung keine Gewächshäuser aus Kunststoff, Mulchfolien oder andere plastikhaltige Hilfsmittel zum Einsatz. Dennoch wurde eine deutliche Kontaminierung des Ackerlandes durch Makro- und Mikroplastik festgestellt.

Insgesamt konnten sechs verschiedene Kunststoffsorten identifiziert werden: Bei 68% aller Makroplastikteile handelt es sich um Polyethylen, gefolgt von Polystyrol (14%), Polypropylen (8%) und PVC (5%). Der am häufigsten gefundene Kunststoff Polyethylen wird besonders oft als Einwegverpackung, zum Beispiel für Lebensmittel, verwendet.

Stichprobenartig wurde die Ackerfläche auch auf Mikroplastik untersucht – auch hier wurde man fündig. Pro Kilogramm Trockengewicht enthielt der Ackerboden durchschnittlich 0,34 Mikroplastikteilchen. Hochgerechnet bedeutet dies, dass sich in einem Hektar des Ackerbodens mindestens 150.000 Mikroplastikteilchen befanden, dies obwohl die Untersuchungsfläche in den letzten Jahren einer vergleichsweise geringen Verwendung von Plastik ausgesetzt war.

Ökolandbau steht für nachhaltige Landwirtschaft, Artenvielfalt und vor allem für den konsequenten Verzicht auf chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel. Mit einem Anteil von 7,5% ist der ökologische Landbau im Hinblick auf die gesamte landwirtschaftliche Nutzfläche in Deutschland zwar noch gering. Aktuelle Daten des Bundesamtes für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) zeigen jedoch einen klaren Trend hin zur nachhaltigen Bewirtschaftung von Feldern und Wiesen.

Ökolandbau und konventionelle Landwirtschaft im Vergleich

Doch wie vorteilhaft ist der Ökolandbau tatsächlich? Dass die umweltfreundliche und nachhaltige Landwirtschaftsform auch für Landwirte profitabel sein kann – das haben Göttinger Agrarökologen erst kürzlich bewiesen. Nun haben Forscher am Thünen-Institut das Potenzial des Ökolandbaus auf breiter Ebene unter die Lupe genommen. Im Fokus standen die Bereiche Wasserschutz, Bodenfruchtbarkeit, biologische Vielfalt, Klimaschutz und -anpassung, Ressourceneffizienz und Tierwohl.

Hunderte Studien ausgewertet 

Ziel der Studie war es, die gesellschaftlichen Leistungen des ökologischen Landbaus in diesen Bereichen auf Basis vorhandener Publikationen zu bewerten. Ingesamt 528 Studien mit 2.816 Vergleichspaaren aus den Jahren 1990 bis März 2018 wurden ausgewählt und analysiert. Das Ergebnis ist eine 361 Seiten umfassende Studie, die darstellt, in welchen Bereichen der Ökolandbau im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft punktet oder nicht.

Ökolandbau punktet bei Umwelt- und Ressourcenschutz

Nach Auswertung der zahlreichen Veröffentlichungen kommen die Thünen-Forscher zu dem Schluss, dass der Ökolandbau vor allem beim Umwelt- und Ressourcenschutz deutlich besser abschneidet als die konventionelle Landbewirtschaftung.  Dazu gehören insbesondere eine bessere Qualität beim Grund- und Oberflächenwasser. Hier wirkt sich vor allem der Verzicht auf Pestizide und andere chemische Pflanzenschutzmittel positiv aus. Auch die Stickstoffeinträge waren beim ökologischen Landbau um 28% niedriger als bei der konventionellen Variante.

Mehr Bodenfruchtbarkeit und Artenvielfalt

Weitere Vorteile zeigen sich auch bei der Bodenfruchtbarkeit: Hier gab es besonders viele Regenwurm-Populationen und eine geringere Versauerung des Oberbodens. Beim Gehalt an pflanzenverfügbarem Phosphor im Oberboden sei hingegen keine eindeutige Tendenz für die eine oder andere Bewirtschaftungsform festgestellt worden, heißt es in der Studie.

Positive Effekte des Ökolandbaus gab es auch bei der Biodiversität: Mit 95% mehr Pflanzenarten war hier die Ackerflora deutlich ausgeprägter. Auch die Artenzahl der Feldvögel war um durchschnittlich 35% und die der Insekten um 23% höher. Der sparsame Ressourcenverbrauch im Ökolandbau spiegelt sich beispielsweise in der Stickstoff- und Energieeffizienz wider. In beiden Bereichen erwies sich der ökologische Landbau als vorteilhafter. Auch positive Effekte auf Erosionsvermeidung und Hochwasserschutz wurden festgestellt.

Kaum Unterschiede bei Tierwohl und Klimaschutz 

Keine eindeutigen Unterschiede brachte hingegen der Vergleich von Ökolandbau und herkömmlicher Landwirtschaft bei Tierwohl und Klimaschutz zutage. Die Gründe sind verschieden: Zum einen gab es wenige Studien, die das Wohl der Tiere thematisierten. Zum anderen stellten die Forscher fest, dass der Ökolandbau zwar geringere Treibhausgasemissionen pro Fläche verursacht. Sie vermuten aber, dass die ertragsbezogenen Klimaschutzleistungen des Ökolandbaus aufgrund des niedrigeren Ertrages mit denen in der konventionellen Landwirtschaft vergleichbar sind.

Die Studie „Thünen Report 65“ wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft im Rahmen des Bundesprogramms ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft (BÖLN) gefördert. 

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Organic agriculture stands for sustainable agriculture, species diversity and above all the consistent elimination of synthetic chemical pesticides. With a share of 7.5% of the total agricultural area, organic farming is still marginal in Germany. However, current data from the Federal Office for Agriculture and Food (BLE) show a clear trend towards the sustainable cultivation of fields and meadows.

But how advantageous is organic farming really? Only recently, Göttingen agricultural ecologists have proven that environmentally friendly and sustainable forms of agriculture can also be profitable for farmers. Now researchers at the Thünen Institute have taken a broad look at the potential of organic farming. The focus was on water conservation, soil fertility, biological diversity, climate protection and adaptation, resource efficiency and animal welfare.

Hundreds of studies evaluated

The aim of the study was to assess the impacts of organic farming on society in these areas on the basis of existing publications. A total of 528 studies with 2,816 reference pairs from 1990 to March 2018 were selected and analyzed. The result is a 361-page study that shows in which areas organic farming scores or does not score compared to conventional agriculture.

After evaluating the numerous publications, the Thünen researchers came to the conclusion that organic farming is significantly better than conventional farming, especially in terms of environmental protection and resource conservation. This includes, in particular, better quality of groundwater and surface water. Here, the absence of pesticides and other chemical pesticides has a particularly positive effect. Nitrogen inputs in organic farming were also 28% lower than in conventional farming.

More soil fertility and species diversity

Further advantages can also be seen in soil fertility: there were a particularly large number of earthworm populations and less acidification of the topsoil. In contrast, the study found that there was no clear trend in the amount of plant-available phosphorus in the topsoil towards one or the other form of cultivation.

There were also positive effects of organic farming on biodiversity: with 95% more plant species, the arable flora was much more pronounced. The number of species of field birds was also 35% higher on average and that of insects 23% higher. The economical consumption of resources in organic farming is reflected, for example, in nitrogen and energy efficiency. Organic farming proved to be more advantageous in both areas. Positive effects on erosion prevention and flood protection were also observed.

Hardly any differences in animal welfare and climate protection

However, a comparison of organic and conventional agriculture in animal welfare and climate protection did not reveal any clear differences. There are various reasons for this: On the one hand, there were few studies that addressed animal welfare. On the other hand, the researchers found that organic farming causes lower greenhouse gas emissions per hectare. However, they suspect that the yield-related climate protection performance of organic farming is comparable to that of conventional agriculture due to the lower yield.

The study "Thünen Report 65" was funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture as part of the Federal Programme for Organic Agriculture and Other Forms of Sustainable Agriculture (BÖLN).

Ob Auto, Windrad oder Flugzeug: Damit eine Maschine reibungslos läuft, benötigt sie meist ein oder mehrere Schmiermittel. Die chemische Industrie verfügt heute über ein großes Sortiment an spezialisierten und weit optimierten Schmierstoffen und Gleitlacken. Deren Bestandteile und Zusatzstoffe basieren jedoch traditionell auf fossilen Rohstoffen. Das 2017 gestartete Projekt „Polyhydroxyalkanoate als Verdickungs- und Bindemittel in technischen Schmierstoffen“ (PHAt) will das ändern und entwickelt nachhaltige Alternativen. Es wird vom Bundesforschungsministerium mit rund 1,25 Millionen Euro im Rahmen der Fördermaßnahme „Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie“ gefördert.

Polyhydroxyalkanoate als Grundlage der Verdickungsmittel

Im Projekt wollen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft biobasierte und biologisch abbaubare Verdickungs- und Bindemittel auf Basis sogenannter Polyhydroxyalkanoaten (PHA) entwickeln. Diese sollen dann in Rezepturen für Schmiermittel und Gleitlacke eingesetzt werden. Ihre Funktion besteht darin, die Zähflüssigkeit und die filmbildenden Eigenschaften zu regulieren.

Neben der Projektkoordination leistet Fraunhofer UMSICHT die Vorstudien zu PHA-basierten Verdickungsmitteln und Bindemitteln im Labormaßstab. Des Weiteren sind am Projekt zwei mittelständische Partner beteiligt - Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & CO. KG für die biotechnologische Herstellung von PHA sowie UnaveraChemLab GmbH für die chemische PHA-Modifikation. Als Großindustrie und Vermarkter wird FUCHS Schmierstoffe GmbH schließlich die neuen Verdickungs- und Bindemittel in Schmierstoffen und Gleitlacken anwendungsnah prüfen. Angestoßen wurde das Projekt innerhalb des Kooperationsnetzwerks „BioPlastik“, das durch die IBB Netzwerk GmbH in Martinsried gemanagt wird. 

Wichtige Meilensteine erreicht

Wie die Projektpartner nun vermelden, konnten bereits erste wichtige Meilensteine erreicht werden. Demnach haben die Forscher aus der Vielzahl unterschiedlicher Polyhydroxyalkanoate jene identifiziert, die für das Vorhaben besonders vielversprechend sind. Sie werden nun im Labormaßstab hergestellt. Auch die theoretischen Grundlagen zur Vorhersage der resultierende Zähflüssigkeit des Schmiermittels, wurden etabliert. Erste praktische Tests bestätigen die Verdickungswirkung der Komponenten auf Basis nachwachsender Rohstoffe.

Weitere Optimierungen geplant

In den verbleibenden beiden Jahren geht es nun darum, die neuen Verdickungs- und Bindemittel weiterzuentwickeln und in Schmierstoffen und Gleitlacken anwendungsnah zu prüfen. „Wir haben noch viele Ideen, wie man Polyhydroxyalkanoate chemisch modifizieren kann, um die Fließeigenschaften, Löslichkeit sowie thermische und oxidative Stabilität zu verbessern“, bekräftigt Projektkoordinatorin Inna Bretz vom Fraunhofer-Institut UMSICHT. „Wir sind optimistisch, die Performance der Verdickungs- und Bindemittel weiter steigern zu können.“

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No matter if car, wind turbine or airplane: In order for a machine to run smoothly, it usually needs one or more lubricants. Today, the chemical industry has a wide range of specialized and widely optimized lubricants and bonded coatings. However, their components and additives are traditionally based on fossil raw materials. The project "Polyhydroxyalkanoates as thickeners and binders in technical lubricants" (PHAt) aims to change this and develop sustainable alternatives. It is funded by the Federal Ministry of Education and Research with around 1.25 million euros as part of the funding measure "Tailor-made biobased ingredients for a competitive bioeconomy".

Polyhydroxyalkanoates as the basis for thickeners

In the project, researchers from the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology (UMSICHT), together with partners from industry and the IBB network, intend to develop bio-based and biodegradable thickeners and binders based on polyhydroxyalkanoates (PHA). These will then be used in formulations for lubricants and bonded coatings. Their function is to regulate viscosity and film-forming properties.

In addition to project coordination, Fraunhofer UMSICHT carries out preliminary studies on PHA-based thickeners and binders on a laboratory scale. Furthermore, two medium-sized partners are involved in the project - Fritzmeier Umwelttechnik GmbH & CO. KG for the biotechnological production of PHA and UnaveraChemLab GmbH for the chemical modification of PHA. As a major industry and marketer, FUCHS Schmierstoffe GmbH will finally test the new thickeners and binders in lubricants and bonded coatings in an application-oriented manner. The project was initiated within the cooperation network "BioPlastik", which is managed by IBB Netzwerk GmbH in Martinsried.

Important milestones reached

The project, which is funded by the Federal Ministry of Education and Research with approximately 1.25 million euros, has already reached important milestones after the first of three years. From the large number of different polyhydroxyalkanoates, the researchers have identified those that are particularly promising for the project. They are now being produced on a laboratory scale. The theoretical basis for predicting the resulting viscosity of the lubricant has also been established. First practical tests confirm the thickening effect of the components based on renewable raw materials.

Further optimizations planned

In the remaining two years, the focus is now on further developing the new thickeners and binders and testing them in lubricants and bonded coatings. "We still have many ideas on how to chemically modify polyhydroxyalkanoates in order to improve their flow properties, solubility and thermal and oxidative stability," confirms project coordinator Inna Bretz from the Fraunhofer Institute UMSICHT. "We are optimistic that we will be able to further increase the performance of the thickeners and binders."

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