Aktuelle Veranstaltungen

Steigende Temperaturen und Wetterextreme wie Dürren und Überschwemmungen setzen Mensch und Natur gleichermaßen zu. Wie der Mensch versucht auch die Natur, sich an die veränderten Gegebenheiten anzupassen, um zu überleben. Eine internationale Studie, an der Forschende der Universität Göttingen beteiligt waren, zeigt, wie tropische und subtropische Wälder in den südamerikanischen Anden auf die Erderwärmung reagieren.

Andenbäume wandern nach oben 

186 Flächen mit tausenden Hochlandbäumen in den südamerikanischen Anden hatte das Team dafür untersucht. Die meisten Gehölze wuchsen in Höhen von 300 bis 3.000 Metern. In den Anden, die sowohl sonnige und zeitweise trockene Wälder als auch dauerfeuchte Nebelwälder beheimaten, konnte die Forschergruppe beobachten, wie die Vegetation vor den steigenden Temperaturen in höhere Gefilde „flieht". Wie das Team im Fachjournal „Nature“ berichtet, „wanderten“ die Bäume in höhere, kühlere Höhen aus, um dem Temperaturanstieg auszuweichen. „Diese Studie bestätigt erstmals, dass Bäume aus den Anden- und Amazonaswäldern Kolumbiens, Ecuadors, Perus und Nordargentiniens wie viele andere Pflanzen- und Tierarten auf der ganzen Welt nach oben wandern“, sagt Erstautorin Belén Fadrique von der Universität in Miami (USA).

Kälteliebende Arten werden verdrängt 

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Zahl der wärmeliebenden Arten zunahm, während kälteliebende Bäume immer weniger wurden. Dieser Verdrängungsprozess wird als „Thermophilisierung“ bezeichnet und bedeutet, dass Arten, welche Kälte bevorzugen, verdrängt werden oder gar aussterben und wärmetolerante Arten deren Plätze einnehmen. „Dieser negative Klimawandeleffekt wird noch durch weitere direkte und indirekte menschliche Einflüsse wie zum Beispiel hohe Entwaldungsraten und ansteigende Nährstoffeinträge verstärkt“, betont Jürgen Homeier von der Abteilung Ökologie und Ökosystemforschung der Universität Göttingen und Mitautor der Studie.

Biologische Vielfalt der Andenwälder bedroht

Die Migration der Bäume in andere Gefilde ist jedoch keine Überlebensgarantie. Den Experten zufolge kann es sein, dass manche Baumarten, die aufgrund der veränderten Wärmeverhältnisse in höhere Lagen aufsteigen, aufgrund veränderter Regenmengen oder Lichtverhältnisse dort keinen geeigneten Lebensraum vorfinden. Hinzukommt, dass sie zu langsam auf den Klimawandel reagieren. Damit steigt nach Auffassung der Autoren das Risiko, dass die Wälder der Region an biologischer Vielfalt und Funktionalität verlieren. Das Wissenschaftlerteam fordert daher, die Andenwälder in die Liste bedrohter Ökosysteme aufzunehmen. Sie verweisen zugleich auf die Notwendigkeit von Langzeitstudien, um die zugrundeliegenden Mechanismen besser verstehen zu können.

bb

Rund 1,8 Millionen Tonnen Klärschlamm fallen hierzulande jährlich in den Kläranlagen der Kommunen und der Industrie an. Darin enthalten sind auch Wertstoffe wie Phosphor – doch bislang werden Klärschlamme meist verbrannt oder in der Landwirtschaft als Dünger verwendet. Für die Zukunft schreibt der Gesetzgeber jedoch vor, dass zumindest Phosphor zunächst zurückgewonnen werden muss. Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Verbundprojekt „UltraSep“ unter Leitung des Fraunhofer Umsicht-Instituts in Oberhausen entwickelt ein Ultraschallverfahren, das es erleichtern soll, Wertstoffe aus Klärschlammen zu extrahieren.

Implodierende Gasbläschen ermöglichen Fraktionierung

Der Schlüssel zu dem neuen Verfahren ist die sogenannte Kavitation: Ultraschallimpulse bewirken im Klärschlamm einen ständigen Druckwechsel. Dadurch entstehen darin unzählige winzige Bläschen. Sie enthalten ein Gemisch aus Gasen, wachsen rasant an und implodieren schließlich. Die von der Implosion ausgelösten Effekte im Klärschlamm schließen diesen auf und ermöglichen, ihn zu fraktionieren: Eine Fraktion enthält cellulosereiche Fasern, eine zweite Fraktion bildet ein nährstoffreiches Gel und eine dritte Fraktion besteht aus einer leicht vergärbaren Flüssigkeit. Alle drei Fraktionen können dann weiteren Nutzungen zugeführt werden, beispielsweise der vereinfachten Extraktion von Phosphor.

Verfahrensoptimierung für Dauerbetrieb geplant

Zunächst wird das patentierte Verfahren nun mittels einer mobilen Pilotanlage getestet. Anschließend beabsichtigt der Wupperverband als Projektpartner an seinem Kläranlagenstandort Hückeswagen den Dauerbetrieb zu erproben, in dem die Forscher das Verfahren weiter optimieren wollen.

bl

Die Lebensmittelbranche ist in einem starken Wandel: Verbraucher stellen höhere und diversere Ansprüche an ihre Ernährung als früher. Nahrungsmittel sollen fettreduziert sein oder gleich für Sportler optimiert, sie sollen Allergene vermeiden und dafür gesunde Inhaltsstoffe wie Antioxidantien bieten. Über die Herausforderungen und neue Lösungen tauscht sich die Ernährungsindustrie in dieser Woche bei der „Health Ingredients Europe“ und der „Natural Ingredients“ in der Messe Frankfurt aus. 

Mehr als 500 Firmen stellen sich vor

Rund 500 Zulieferer präsentieren sich bei Europas „führender Gesundheits-, Natürlichkeits- und Ernährungsshow". Mehr als 10.000 Fachbesucher werden vom Veranstalter erwartet. Unter den Ausstellern finden sich auch Start-ups sowie kleine und mittelständische Unternehmen, die bei der „Start-up Innovation Challenge“ ihre Idee vorstellen und versuchen, Interessenten für ihre innovativen Produkte zu finden. Ein zweiter Fokus der Netzwerkaktivitäten liegt erneut auf dem „Women‘s Networking Breakfast“, das Frauen Gelegenheit geben soll, sich über Karrierewege und berufliche Optionen auszutauschen. Große Konzerne wie BASF, Dupont Nutrition and Health oder Rousselot, die als Zulieferer für die Nahrungsindustrie arbeiten, zeigen auf der Messe ihre neuesten Produkte. Zwei große Konferenzen, der "Future of Nutrition Summit" sowie die "HI Conference" berichten über aktuelle Trends und Herausforderungen im Nahrungsmittelbereich.

Trendthema „personalisierte Ernährung“

Schwerpunktthemen der Konferenz bilden in diesem Jahr Functional Foods und sogenannte Clean Labels, also Produkte, die damit werben, bestimmte Stoffe nicht zu enthalten: keine Konservierungsstoffe, nur natürliche Inhaltsstoffe, keine gentechnisch verändernten Organismen etc. So referiert Christian Sina, Professorin am Institut für Ernährungsmedizin in Lübeck, über den Zusammenhang zwischen personalisierter Ernährung und Darmgesundheit, gefolgt von einer Debatte, ob dieser Aspekt noch junge Forschung oder bereits ein Thema für den Markt ist. Hier stand auch Hannelore Daniel, Professorin und Ernährungsexpertin von der TU München, den Konferenzteilnehmern Rede und Antwort.  

Pflanzliche Proteine als Alternative 

Konkrete Speisen und Getränke, die den Trend der pflanzenbasierten und veganen Ernährung aufgreifen, zeigt wiederum Alexandra Kirsch von der Firma ProVeg Germany. Allein der Markt für pflanzliche Alternativen zu Milchprodukten soll von 2015 bis 2020 um 15,5 Prozent wachsen. 

Neue Produkte für Sportler stehen ebenso auf dem Programm. Gemeinsam mit der "European Specialist Sports Nutrition Alliance" (ESSNA) wurden zahlreiche Sessions rund um das Thema organisiert. Christoph Zeppenfeld, Gründer des deutschen Start-ups „Swarm Protein“, stellt beispielsweise das Potenzial von Insekten als Eiweißquelle für Sportler vor. BASF berichtet übert bioaktive Peptide in Lebensmittelproteinen, die auf Entzündungen einwirken und so Sportlern eine schnellere Regeneration ermöglichen könnten.

Die Liste interessanter Themen auf der Messe ließe sich noch lange fortsetzen. Die Veranstaltung macht vor allem eines deutlich: Immer mehr Innovationen in der Lebensmittelindustrie beruhen auf natürlichen Rohstoffen, die mit modernen molekularbiologischen oder biotechnologischen Verfahren aufgewertet werden.

bl

„Miteinander statt übereinander reden“ – unter diesem Motto stand eine Veranstaltung, zu der Ende November die Organisation Wissenschaft im Dialog (WiD) und der Deutsche Stifterverband geladen hatten. Fokus des Treffens war die Kommunikation zwischen Stakeholdern zu gesellschaftsrelevanten Forschungsthemen wie etwa der Bioökonomie. Vertreter aus Wirtschaft, Forschung, Nichtregierungsorganisationen und Medien waren in das Allianz Forum nach Berlin gekommen, um Probleme zu benennen und Lösungsansätze aufzuzeigen.

Forschung muss transparenter werden

„In der Kommunikation gesellschaftlich relevanter Forschungsthemen läuft noch nicht alles rund. Die Akteure bleiben meist unter sich“, sagte Markus Weißkopf vom WiD in seiner Eröffnungsrede und verwies damit auf die Notwendigkeit eines Dialogs. In den nachfolgenden Reden und Gesprächen wurde deutlich: Die Forschung muss transparenter werden, um einen breiten Dialog anzukurbeln.

Doch nicht nur hinsichtlich der Forschungsergebnisse forderten die Beteiligten mehr Transparenz. Auch offene Fragen zu relevanten Themen müssten klar benannt werden, wie Matthias Graf von Kielmansegg, Abteilungsleiter für Grundsatzfragen im Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), in seinem Impulsvortrag hervorhob. Sein Vorschlag: „Es muss in der Forschung dynamische Ankerzentren geben, die das ausstrahlen können.“

Verbraucher achten zunehmend auf natürliche Inhaltsstoffe in Lebensmitteln und Getränken. Dieser Trend veranlasst Hersteller umzudenken und vermehrt naturbasierte Rezepturen einzusetzen. Um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, haben das Biotech-Unternehmen BRAIN AG und die Suntory Beverage & Food Europe (SBFE) ein entsprechendes Entwicklungsprogramm gestartet. Die Partner wollen künftig bei der Entwicklung neuer naturbasierter Inhaltsstoffe für Getränke zusammenarbeiten, wie das Zwingenberger Unternehmen mitteilt.

Naturstoffe aus dem Bioarchiv von BRAIN

Die für den Wirtschaftsraum Europa-Arabien-Afrika (EMEA) zuständige Suntory Beverage & Food mit Sitz in Großbritannien und Frankreich ist auf die Herstellung alkoholfreier Getränke spezialisiert. Nach Angaben von BRAIN sollen im Rahmen der Forschungsallianz gemeinsam neue natürliche Getränkekomponenten für ausgewählte Produkte von SBFE entwickelt werden. Das Zwingenberger Biotechnologieunternehmen öffnet dafür sein umfangreiches Bioarchiv, um entsprechende Grundstoffe für die Getränkeherstellung bereitzustellen.

Erste Produkte in drei Jahren auf dem Markt

Das Ziel der Partner: Erste neue Produkte sollen bereits innerhalb von drei Jahren auf den Markt kommen. Sollten die Meilensteine wie vereinbart erreicht werden, kann BRAIN eigenen Angaben zufolge mit einer Kostenkompensation rechnen.

bb

Im Pariser Klimaabkommen vor drei Jahren hatten sich die Teilnehmerstaaten darauf geeinigt, die globale Erwärmung auf deutlich unter zwei Grad Celsius zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen fast alle Wirtschaftszweige umdenken und neue, nachhaltige und umweltschonende Prozesse etablieren. Anfang Dezember findet nun die 24. Weltklimakonferenz im polnischen Kattowitz statt. (Mehr Infos zur Konferenz beim Bundesumweltministerium) Bei der Vertragsstaatenkonferenz (Conference of the Parties, kurz COP) der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen wollen sich die Teilnehmer über bisherige Maßnahmen und erste Fortschritte austauschen.

Probleme und Lösungsvorschläge für die Landwirtschaft 

Dass Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion erheblich zur globalen Erwärmung beitragen, etwa durch erhöhte Treibhausgase, ist für viele internationale Experten eine zentrale Botschaft. Im Vorfeld des sogenannten COP24-Treffens hat die „InterAcademy Partnership“ (IAP) nun einen  Bericht erstellt, der die wichtigsten Herausforderungen der Landwirtschaft benennt und zugleich Lösungsvorschläge aufzeigt. Vor allem Innovationen und Erkenntnisse aus der Wissenschaft müssten stärker als bisher berücksichtigt werden, heißt es in den Empfehlungen der 130 beteiligten Nationalakademien. „Unsere Lebensmittelsysteme werden unserem Bedarf nicht gerecht. Auf der UN-Klimakonferenz in Katowice müssen die Regierungen nächste Woche mehr tun, als nur politische Stellungnahmen abzugeben: Sie müssen handeln, um dem Klimawandel entgegenzuwirken", betont  Joachim von Braun, Co-Vorsitzender des Projektes für Lebensmittel- und Ernährungssicherheit und Landwirtschaft der InterAcademy Partnership (IAP), Direktor am Zentrum für Entwicklungsforschung (ZEF) der Universität Bonn und Co-Vorsitzender des Bioökonomierates. "Landwirtschaft und Verbraucherverhalten haben einen großen Einfluss auf den verheerenden Klimawandel. Wir müssen die Auswirkungen der Landwirtschaft und des Verbraucherverhaltens auf das Klima mit soliden und ehrgeizigen politischen Maßnahmen beeinflussen – und der Wissenschaft kommt dabei eine wichtige Rolle zu. Unser neuer Bericht ist ein Weckruf für alle Regierenden." 

Auf einer Online-Pressekonferenz am 27. November 2018 wurde der Bericht erstmals vorgestellt. Tim Benton, Dekan für strategische Forschungsinitiativen an der Universität in Leeds (UK), und Robin Fears, Projektleiter in der IAP und Programmdirektor für Biowissenschaften des Europäischen Wissenschaftsbeirates, präsentierten darin die wichtigsten Erkenntnisse.

Wissenschaft kann Lösungen bereit halten 

Benton verwies dabei auf die Unverhältnismäßigkeit der aktuellen Nahrungsmittelproduktion: „Die Lebensmittelproduktion verursacht etwa ein Drittel der Treibhausgase. Zugleich wird laut FAO ebenfalls etwa ein Drittel aller Nahrungsmittel weggeworfen und verschwendet.“ Vor diesem Hintergrund sei es ohne eine grundlegende Änderung der Lebensmittelproduktion nahezu unmöglich, die globale Erwärmung unter 2° C zu halten. Die Wissenschaft könne hier jedoch erheblich dazu beitragen, Vorschläge für neue Lösungen zu erarbeiten. "Für die Erreichung der Ziele für nachhaltige Entwicklung, insbesondere Gesundheit und das Beenden des Hungers, spielt die Wissenschaft eine wesentliche Rolle“, so Volker ter Meulen, M.D., Co-Vorsitzender des Projektes für Lebensmittel- und Ernährungssicherheit und Landwirtschaft der IAP und Präsident der IAP.

Allerdings müssten hier die verschiedenen Disziplinen noch besser interdisziplinäre zusammenarbeiten, sagte Fears: „Es gibt noch immer viel zu viele Wissenslücken. Wir brauchen eine umfassende Definition einer gesunden, nährstoffreichen und nachhaltigen Ernährungsweise. Dazu müssen Gesundheits-, Sozial- und Klimawissenschaften zusammenarbeiten.“ Fears zufolge müssen zum einen das vorhandene Wissen besser verknüpft und ergänzt und zum anderen diese Erkenntnisse besser kommuniziert werden.

Sowohl Benton als auch Fears forderten die Gesetzgeber auf, aktiver zu werden, um eine Änderung der Ernährungsweise zu forcieren. Bonusprogramme und -punkte bei Versicherungen, aber auch erhöhte Steuern auf Fleischprodukte könnten den Autoren zufolge einen positiven Anreiz bieten, den Konsum einzuschränken. Die Steuereinnahmen könnten wiederum Bedürftigen zugute kommen, die sich dadurch gesündere Lebensmittel leisten können, so der Vorschlag der Autoren.

Innovationen für Landwirtschaft und Ernährung nutzen

Aber nicht nur die Konsumenten stehen laut den Experten in der Pflicht, auch die Produzenten in der Landwirtschaft müssen umdenken, um die Treibhausgasemissionen einzudämmen. Innovationen – etwa aus der Bioökonomie – können hierbei eine wichtige Rolle spielen. „Wir brauchen eine precision agriculture, also eine Landwirtschaft, die mit ihren Ressourcen haushält. Beispielsweise muss die Bewässerung genau berechnet und gesteuert werden, ebenso der Verbrauch an wertvollen Düngemitteln wie Phosphat und Stickstoff. Und wir brauchen Pflanzen, die mit Hitze und Dürre bessere zurechtkommen“, so Fears. Zudem sei auch die fortschreitende Digitalisierung ein wichtiger und notwendiger Bestandteil einer effizienten, ressourcenschonenden Landwirtschaft.

Ein veränderter Nahrungsmittelkonsum könnte aber ebenso positive Nebeneffekte für Gesundheit und Klima mit sich bringen. Dazu gehören unter anderem ein verminderter Fleischkonsum in manchen Regionen, wie etwa Europa, oder das verstärkte Zurückgreifen auf innovative Lebensmittel und Ernährungsweisen. Als Beispiele für innovative Lebensmittel nennen die Autoren Mischungen aus Fleisch und Pilzen, kultiviertes Fleisch, Algen und ansprechende Lebensmittel aus Insekten. Auch solche alternativen Proteinquellen müssten noch mehr politisch unterstützt werden, heißt es im Bericht. 

Zugleich unterstrich Benton die Bedeutung eines „mündigen“ Verbrauchers. Konsumenten sollen demnach über die CO₂-Bilanz in der Herstellung verschiedener Lebensmittel informiert werden, um ihren Einkauf anpassen zu können. „Wir verlangen von niemandem, sich nur noch vegetarisch oder vegan zu ernähren. Aber wenn alle ihren Fleischkonsum etwas einschränken, würden die globalen Treibhausgasemissionen schon erheblich gesenkt“, so Benton.

Bioökonomie weiter ausbauen

Die IAP wurde im März 2016 in Südafrika gegründet und vereinigt über 130 nationale und regionale Wissenschaftsakademien. Ihr Ziel: gemeinsam wissenschaftliche Lösungen für die drängendsten globalen Probleme zu erarbeiten. Deutschland ist unter anderem in der IAP durch die Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften – sowie die Union der deutschen Akademien der Wissenschaften vertreten. Die beteiligten Akteure in der Projektgruppe "Ernährung und Landwirtschaft" eint, dass sie die gezielte Nutzung wissensbasierter Erkenntnisse für den Wandel in Enrährung und Landwirtschaft vorantreiben wollen. Den Ausbau von Kreislaufwirtschaft und Bioökonomie halten sie in diesem Zusammenhang für zentral. Darüber hinaus wird empfohlen, ein internationales Beratungsgremium für Lebensmittel- und Ernährungssicherheit und Landwirtschaft unter Beteiligung der Akademien zur Stärkung internationaler Steuerungsmechanismen einzurichten. 

jmr

In early December, the 24th Conference of the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change (COP24) will take place in Katowice, Poland. In the Paris Climate Accord three years ago, the participating states agreed to limit global warming to well below two degrees Celsius. To achieve this goal, almost all sectors of the economy must rethink and establish new, sustainable and environmentally friendly processes. Now, the participants of the COP24 meeting in Poland will discuss the measures taken as well as their progress.

Identifying problems and proposing solutions for agriculture

Agriculture is an important and long underestimated factor regarding climate change. Although it is an irreplaceable source of food for the world's population, agriculture and food production contribute significantly to global warming via greenhouse gas emissions, in particular meat and dairy productions, but also due to local preferences and limited resources. In preparation for the COP24 meeting, the "InterAcademy Partnership" (IAP) has therefore produced a comprehensive report which identifies the problems facing agriculture today but also proposes solutions. The preparation of the report and the work of the IAP are supported by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF).

The IAP was founded in South Africa in March 2016 and brings together over 130 national and regional science academies. The goal: develop scientific solutions to the most pressing global problems. Among others, Germany is represented in the IAP by the Leopoldina - The National Academy of Sciences, and the Union of German Academies of Sciences and Humanities.

During an online press conference on 27 November, co-authors of the report Tim Benton, Dean of Strategic Research Initiatives at the University of Leeds (UK), and Robin Fears, Project Leader at the IAP and Programme Director for Life Sciences of the European Science Advisory Board, presented the key findings of the report.

More interdisciplinary cooperation required

"Food production accounts for about a third of greenhouse gas emissions. At the same time, according to the FAO, about a third of all food is thrown away and wasted," Benton stressed the disproportionate nature of current food production. In his opinion, it is almost impossible to keep global warming below 2°C without a fundamental change of food production.

Fears underlined the lack of interdisciplinary cooperation: "There are still far too many knowledge gaps. We need a comprehensive definition of a healthy, nutritious and sustainable diet. Health, social and climate sciences must work together to achieve this." In his opinion, existing knowledge should be better utilised, connected, and – most importantly – these findings should be better communicated.

Moreover, both Benton and Fears called on legislators to scale up their activities to promote dietary changes. Bonus programs for insurance could provide a positive incentive, while increased taxes on meat products could limit their consumption. Increased tax revenues, on the other hand, could benefit those in need and enable them to afford a healthier diet.

Agriculture must become more efficient

However, according to the experts, it is not only consumers who need to adapt, agricultural producers also have to rethink their approaches and production in order to curb greenhouse gas emissions. "We need precision agriculture, i.e. an agriculture that conserves its resources. For example, irrigation must be precisely calculated and controlled, as must the consumption of valuable fertilizers such as phosphate and nitrogen. And we need plants that are resistant to heat and drought," says Fears. In addition, the advancing digitalization is an important and necessary component towards an efficient, resource-conserving agriculture.

At the same time, Benton underlined the importance of a "responsible" consumer. He calls for them to be informed about the carbon footprint of their food and should learn to adjust their purchases accordingly. "However, we do not require anyone to stick to a strictly vegetarian or vegan diet. But if everyone were to restrict their meat consumption somewhat, global greenhouse gas emissions would already be reduced considerably," says Benton.

jmr

Ob Pflanzen oder Mikroorganismen: Die stärkere Nutzung biologischer Ressourcen ist ein wesentlicher Treiber bei der Gestaltung einer biobasierten, ressourcenschonenden und nachhaltigen Wirtschaft. Zwar gibt es schon heute zahlreiche Produkte und Verfahren, die auf Mikroorganismen, auf Pflanzen oder Reststoffen basieren. Das biologische Potenzial ist allerdings bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Mit der geplanten Bio-Agenda will die Bundesregierung daher die Biologisierung der Wirtschaft weiter aktiv vorantreiben. Unter der Federführung von Bundesforschungsministerium (BMBF) und Bundeswirtschaftsministerium (BMWI) sollen die Eckpunkte für den Aktionsplan erarbeitet werden. 

Erstes Fachgespräch zur Bio-Agenda

Mit einem Expertengespräch fiel nun der Startschuss für die Erarbeitung der Bio-Agenda. Bundesforschungsministerin Anja Karliczek und Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier trafen sich dazu am 29. November in Berlin mit 18 Expertinnen und Experten zu einem ersten Fachgespräch. Darin wurde der Status quo diskutiert, aber auch die Nutzung des Potenzials biologischer Ressourcen, Prinzipien und Verfahren sowie die damit verbundenen Herausforderungen erörtert. Der zeitliche Rahmen wurde ebenfalls festgelegt: Beide Ministerien gaben bekannt, dass die inhaltliche Ausgestaltung der Bio-Agenda bis Sommer 2019 stehen und dem Bundeskabinett zur Verabschiedung vorgelegt werden soll. 

Biologisches Potenzial erschließen 

„Die Biologisierung der Wirtschaft steckt noch in den Kinderschuhen. Mit der Bio-Agenda unterstützen wir die Erschließung des enormen Potenzials der Biologie weiter. Dazu fördern wir die Zusammenarbeit von Lebens- und Technikwissenschaften und unterstützen den Technologietransfer“, sagte Bundesforschungsministerin Karliczek. Mit dem Ziel einer biobasierten Wirtschaft wollen BMBF und BMWi im Rahmen der Bio-Agenda daher „Forschung und Transfer für eine nachhaltige und zukunftsfähige Wirtschaft bündeln und Wissenschaft, Industrie und Zivilgesellschaft zu diesem wichtigen Thema zusammenbringen“, wie es in der Presseerklärung des BMBF heißt.

Peter Altmaier, Bundesminister für Wirtschaft und Energie hebt hervor: „Nach der Digitalisierung wird die Biologisierung der Wirtschaft den nächsten großen Wachstums- und Innovationszyklus einleiten. Sie leistet wesentliche Beiträge unter anderem zum Klimaschutz, zur Ressourceneffizienz und zur medizinischen Versorgung der Menschen. Sie wird die Wirtschaft – über alle Branchen hinweg – in ihrer gesamten Breite erfassen. Ich bin davon überzeugt, dass das Thema „Biologisierung der Wirtschaft“ ein Aufbruchs- und Modernitätsthema wird.“

Beim Fachgespräch wurde hervorgehoben, dass die Bio-Agenda auf existierende Strategien und Maßnahmen aufbauen, sie vernetzen und weiterentwickeln soll. Neben der Forschungsförderung kommt vor allem dem Transfer von Innovationen in die Praxis und der Einbingung der Gesellschaft in den Diskurs eine besondere Bedeutung zu. Das Zusammenspiel von Lebenswissenschaften mit anderen Natur- und den Ingenieurwissenschaften wird hierbei als Chance gesehen, die globalen Herausforderungen der Zukunft zu bewältigen – von der Ressourcenknappheit bis hin zur Bekämpfung von Volkskrankheiten. 

Weitere Politikinitiativen zur Bioökonomie

Bundesforschungs- und Bundeslandwirtschaftsministerium arbeiten derzeit auch an einer neuen Bioökonomie-Strategie, die ebenfalls 2019 fertig sein soll. Diese soll die bisherigen Strategien zur Bioökonomie-Forschung und zur Politikstrategie Bioökonomie zu einem gemeinsamen Papier zusammenführen und die Marschrichtung der nächsten Jahre für die Bundesregierung beschreiben.

Mit Blick auf die Vernetzung mit der Wirtschaft hatte Bundeswirtschaftsminister Altmaier im Oktober bei einem Treffen mit Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft zudem den Startschuss zum Aufbau der Dialogplattform „Industrielle Bioökonomie“ gegeben. Damit soll die Kommunikation der Akteure hinsichtlich der neuen Anforderungen, die eine veränderte Rohstoffbasis für Wirtschaft und Gesellschaft mit sich bringt, angeschoben werden.

BMBF/bb

Was wäre, wenn wir alles neu gestalten könnten? Das ist der Slogan von dif - dem „disruptiv innovation festival“. Das dif wird von der Ellen MacArthur Foundation ausgerichtet, einer gemeinnützigen Organisation mit Sitz in Großbritannien, die den Übergang zur Kreislaufwirtschaft beschleunigen will. Fünf Jahre nach seiner Gründung hat sich das dif zu einem Online-Festival entwickelt, das in diesem Jahr vom 6. bis 23. November stattfand. Es gab mehr als 100 Programmpunkte, darunter Live-Studio-Diskussionen, Live-Streaming-Events, Podcasts und Filmproduktionen. Alle Events sind bis zum 20. Januar 2019 online verfügbar.

Kreislauf- statt linearer Wirtschaft

Auch die Bioökonomie fand sich unter den diesjährigen Programmpunkten. Während einer der Online-Sessions wurde beispielsweise innerhalb von 30 Minuten das Konzept der Kreislaufwirtschaft erläutert. Die eingeladenen Referenten Emma Fromberg und Marco Meloni, beide von der Ellen MacArthur-Stiftung, beschrieben die lineare Wirtschaft mit den Worten „nehmen - produzieren - wegwerfen". Die Kreislaufwirtschaft hingegen bezeichneten sie als „grundsätzlich regenerativ". Fromberg betonte: „Verbraucher müssen zu Nutzern werden. Sobald diese mit einem Artikel abgeschlossen haben, soll dieser nicht einfach weggeworfen werden, sondern zurück in den Produktionszyklus gelangen, damit er oder zumindest Teile davon weiter verwendet werden können." Meloni stimmte zu: „Aus materieller Sicht ist es besser zu reparieren als zu recyceln."

Aufbauend auf dieser Einführungsveranstaltung enthielt das Programm auch eine Reihe von Vorträgen und Events zu spezifischen Problemen wie der Abfallwirtschaft, die mithilfe der Kreislaufwirtschaft gelöst werden könnten.

Insekten als nachhaltige Quelle für Lebens- und Futtermittel

Ein weiterer Schwerpunkt des dif2018 waren Lebens- und Futtermittel sowie nachhaltige Lösungen und Ressourcen für die Nahrungssicherung angesichts einer wachsenden Weltbevölkerung. Eine der Diskussionsrunden beschäftigte sich daher mit der Asian Food and Feed Insect Association (AFFIA), die sich dafür einsetzt, den schnell wachsenden Bevölkerungsgruppen in China und Indien Insekten als Lebens- und Futtermittel nahezubringen. Vor allem in den Ländern Südostasien wie Myanmar, Thailand, Laos und Kambodscha ist der Verzehr von Insekten für einen großen Teil der Bevölkerung bereits Bestandteil ihrer täglichen Ernährung.

Bislang stammen die meisten Futterinsekten noch aus dem sogenannten Wildfang und nicht aus kontrollierter Zucht und Landwirtschaft. Ein Übergang zur kontrollierten Insektenzucht und zu innovativen Produktionsmodellen ist daher dringend erforderlich.  David Allan, der für die AFFIA in Myanmar tätig ist, wies darauf hin, dass bis zu 50% der lokalen Bevölkerung bereits Insekten als Teil ihrer täglichen Ernährung konsumieren. „Insekten als Nahrung sind hier weit verbreitet. Darum ist es hier auch viel einfacher, darauf aufzubauen, als es in den meisten westlichen Ländern der Fall wäre." Ein weiterer Vorteil der Insektenzucht ist laut Allan: „Die Zucht von essbaren Insekten erfordert weder viel Land noch große Kapitalanlagen. Das macht sie zu einem sehr attraktiven Geschäftsmodell für die lokale Bevölkerung." Deshalb, so Allan weiter, ist die Insektenzucht nicht nur ökologisch nachhaltig, sondern deckt zugleich auch eine wichtige wirtschaftliche Komponente ab und ermöglicht es den lokalen Insektenbauern, für ihre Familien zu sorgen.

Insekten – der nächste Super-Food-Trend?

Josh Galt, der für AIFFA in Kambodscha arbeitet, sieht auch in der westlichen Welt eine Chance und einen Markt für Insekten als Nahrungsmittel. „Nach Grünkohl und Quinoa könnten sie der nächste Super-Food-Trend sein!" Er betonte, dass Insekten eine gesunde und gleichzeitig nachhaltige Nahrungsquelle sind und damit sowohl gesundheitsorientierte als auch ökologisch denkende Verbraucher zufriedenstellen. Darüber hinaus können laut Galt einige insektenbasierte Lebensmittel wie Heuschreckenpulver sogar positive Auswirkungen auf die Gesundheit haben, zum Beispiel die Verbesserung des Verdauungssystems. Laut Galt sind Insekten demnach eine bessere und nachhaltigere Lösung als andere alternative Proteinquellen: „Algen sind auch eine sehr nachhaltige und gesunde Alternative, aber derzeit ist es noch nicht möglich, sie in großem Maßstab zu produzieren. Laborfleisch wiederum ist eine gute Alternative zu kommerziell erzeugtem Fleisch, aber aufgrund seines hohen Fett- und Natriumgehalts ist es nicht so gesund wie Insekten oder Algen." Und der Anbau vieler pflanzlicher Proteinlieferanten wie Soja sei schlicht nicht nachhaltig, so Galt.

Abschließend kam aus dem Publikum die Frage, warum nicht mehr Insekten anstelle von Fischmehl oder Soja als Tierfutter verwendet würden. David Allan antwortete: „Wir bräuchten mehrere Tonnen an Insekten, um die Massen an Fischmehl oder Soja zu ersetzen. Aber im Moment wissen wir einfach noch nicht, wie wir mit diesen riesigen Mengen effizient und sicher umgehen können. Wie sollen wir sie versenden, und wie könnten wir verhindern, dass sie unterwegs entkommen?"

Auf die Frage, warum Grillen momentan das beliebteste Nahrungsinsekt zu sein scheinen, fasste Josh Galt ihre Vorteile zusammen: „Grillen sind sehr gesund, sie bestehen zu etwa 69% aus magerem Protein. Außerdem sind sie leicht in Pulverform zu bringen und das wiederum hat einen neutralen Geschmack und kann deshalb für so ziemlich jede Art von Lebensmittel verwendet werden. Deshalb sind Grillen die perfekten Einsteiger-Insekten!"

jmr

What if we could redesign everything? That is the tagline of dif – the disruptive innovation festival. dif is curated by the Ellen MacArthur Foundation, a non-profit organisation headquartered in the UK aiming to accelerate the transition towards a circular economy. Five years after its inception, DIF has become a one-of-a-kind online festival that took place from November 6 to 23 this year. Their programme contained more than 100 items, including studio discussions, live streaming events, podcasts and film productions. All sessions are available online until January 20 2019. 

Circular vs. linear economy

In an introductory session that explained the concept of a circular economy in 30 min, the speakers Emma Fromberg and Marco Meloni, both from the Ellen MacArthur Foundation, summed up the linear economy as “take – make – dispose”. The circular economy, in contrast, was described as regenerative by design. Fromberg pointed out that “consumers need to become users. Once you’re done with an item, don’t simply throw it away but feed it back into the production cycle so it or parts of it can be used again by others.” Meloni agreed: “From a material standpoint it is better to repair than to recycle.”

Building on that introductory session, the programme also included a number of detailed sessions tackling specific problems such as waste management that could be alleviated by a functional circular economy.

Insects as a sustainable source for food and feed

Another focus of the dif2018 was food and feed and sustainable solutions and resources for it in light of a growing world population. Therefore, one session focused on the Asian Food And Feed Insect Association (AFFIA) that works to introduce the idea of insects as food and feed to the fast growing populations of China and India. Particularly in Southeast Asia, eating insects is already part of the daily diet for a large part of the population, for example in Myanmar, Thailand, Laos and Cambodia.

However, until now, most of the food insects stem from “wild catch” rather than controlled breeding and farming. Thus, a transition towards controlled protein production through insect farming and innovative production models is urgently needed. One speaker of the session, David Allan, who is working for the AFFIA in Myanmar, pointed out that about 50% of the local population are already consuming insects as part of their daily diet. “Insects as food have a high prevalence here. It’s much easier to build on that than it would be in most western countries.” Another benefit of insects and insect farming according to Allan: “The farming of edible insects does not require large land access nor large capitals. That makes it a very attractive business model for the local people.” Therefore, Allan continues, insect farming is not just ecologically sustainable, but also alleviates the economic burden and allows local insect farmers to provide for their families.

Insects as the next super-food-fad

Josh Galt, working for AIFFA in Cambodia, also sees an opportunity and market for insects as food in the western world. “They could be the next big super-food after kale and quinoa!” He argues that insects qualify both as healthy food and as a sustainable food source, thereby satisfying health-oriented as well as ecologically-minded consumers. Moreover, according to Galt, some insect-based food such as cricket powder may even have beneficial health effects, for instance improving the digestive system. Moreover, Galt also praises insects as a better and more sustainable solution than other alternative protein sources: “Algae are also a very sustainable and healthy alternative, but currently it’s still very difficult to produce and farm them on a large scale. Lab grown meat in turn is a good alternative to commercially farmed meat, but due to its high fat and sodium content it’s not as healthy as insects or algae.” Finally, the farming of many plant-based proteins such as soy is not sustainable, Gait adds.

In the subsequent Q & A session, the question arose, why not more insects are used for animal feed instead of fish meal or soy. To which David Allan responded: “We would need several tones of insects to replace fish meal or soy as animal feed. But right now we simply don’t know how to handle these vast amounts efficiently, effectively and safely. How would and could we ship them and how could we prevent them from escaping?”

Asked why crickets seem to be the most popular insect for consumption, Josh Galt summarises their advantages: “Crickets are pretty healthy, they contain about 69% lean protein, they are easy to put into powder form and that has a neutral taste and can be used for pretty much any type of food. Therefore crickets are the perfect ‘gateway-bugs’!”

jmr

Sie ist schnell, elastisch und bei der Beutejagd auch klebrig: die Froschzunge. Für Forscher ist das Jagdinstrument der Amphibien seit langem ein interessantes Forschungsfeld. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 36 Kilometern pro Stunde schnellt die Froschzunge hervor, um Beute zu fangen, ermittelten einst US-amerikanische Forscher. Ebenso bemerkenswert ist die Haftkraft, die dabei wirkt. Kieler Forschende fanden 2014 heraus, dass sie weit größer ist als das Körpergewicht der Amphibien selbst. Nun konnte das Kieler Team um Stanislav Gorb vom Zoologischen Institut der Christian-Albrechts-Universität (CAU) mit Wissenschaftlern aus den USA und Dänemark erstmals klären, wie der Wechsel zwischen klebriger und nicht-klebriger Froschzunge funktioniert.

Schleim reagiert auf Druck

Im Rahmen der Studie untersuchten sie dafür den klebrigen Schleim auf der Zunge, mit der die Frösche ihre Beute schnappen. Dafür setzten sie Hornfrösche vor eine Glasscheibe, hinter der sich Beutetiere befanden. Beim Versuch, die Beute zu schnappen, stießen die Frösche mit ihrer Zunge an die Scheibe. Dabei hinterließen sie Abdrücke, die die Forscher sammelten und anschließend chemisch untersuchten. „So konnten wir erstmals die physikalisch-chemischen Prozesse auf Froschzungen erklären und beweisen, dass der Schleim auf Druck reagiert“, so Gorb.



Kontraktion ändert Proteinstruktur 

Wie das Team im Fachjournal „Biointerphases“ berichtet, setzt der Druck erst beim Einziehen der Zunge ein, und dadurch kommt der Haftmechanismus zustande. Der Grund: Durch die Kontraktion ändert sich die Anordnung der chemischen Proteinstruktur des Schleims und wird klebrig. Die Forschenden stellten dabei fest, dass sich die zuvor wahllos positionierten Moleküle des Froschzungenschleims beim Zurückziehen der Zunge systematisch in winzigen Fasern, sogenannten Fibrillen, anordnen. Demnach richteten sich wasserabweisende Molekülgruppen an der Glasoberfläche aus, während sich wasseranziehende Moleküle am Schleim orientierten. „Diese physikalische Einwirkung durch das Zurückziehen der Zunge ändert die chemische Struktur des Schleims. So wird die Zunge klebrig“, erklärt der Ko-Autor Joe Baio von der Oregon State University in den USA.

Mit Röntgen- und Laserstrahlen Haftprinzip aufgedeckt

Doch wie war der Hafttrick zu entschlüsseln? „In unserer Studie haben wir Abdrücke einer Froschzunge chemisch analysiert. Dafür haben wir die äußeren vier bis fünf Nanometer der Oberfläche näher untersucht, denn hier laufen die entscheidenden Prozesse ab“, erläutert Baio. Um hinter die chemischen Mechanismen zu kommen, entwickelte die Forschergruppe eine neue Technik. Die Idee dazu lieferte die Kieler Gruppe um Stanislav Gorb. Mithilfe von Röntgenstrahlen der sogenannten Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie konnten zunächst Häufigkeit sowie räumliche Lage der Moleküle auf einer Zungenoberfläche erfasst werden. In Kombination mit Methoden der sogenannten Summenfrequenzspektroskopie war es schließlich möglich, die Oberflächen des Schleims auch mittels Laserstrahlen zu untersuchen und so die chemischen Prozesse zu analysieren.

Die Enthüllung der physikalisch-chemischen Prozesse des Haftmechanismus der Froschzunge könnte für die Entwicklung neuer Materialien hilfreich sein. Als nächstes wollen die Wissenschaftler das Zusammenspiel zwischen Schleimmolekülen und Substraten mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften ins Visier nehmen. 

bb

Für Stadtbewohner sind Parkanlagen oft Sportplatz, Erholungsort oder auch Gemüseanbaugebiet zugleich. Doch der Klimawandel mit langen Hitze- und Dürreperioden, gefolgt von plötzlichem Starkregen, bedroht vielerorts vor allem den Baumbestand der Anlagen. Die zunehmende Urbanisierung und die Globalisierung, durch die immer neue Krankheiten weltweit verbreitet werden, haben den Stadtparks in den letzten Jahren stark zugesetzt. Der Vegetationsökologe Norbert Kühn von der TU Berlin kennt sich sowohl mit dem Ursprung städtischer Parkanlagen als auch den geänderten modernen Ansprüchen an diese aus. Wie kann und sollte also der Park von morgen aussehen?

Rund zehn Jahre, von 1990 bis 2000, dauerte das multinationale Forschungsprojekt, das erstmals Referenzdaten zum vollständigen Genom der wichtigsten Modellpflanze, der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) erstellte. Heute kann ein individuelles Genom in wenigen Stunden dechiffriert werden, so rasant hat sich die Molekularbiologie weiterentwickelt. In vielen Fällen ist der Flaschenhals der Genomforschung nicht mehr die chemische Analyse des Erbmaterials, sondern die anschließende Datenverarbeitung und -auswertung. Um diesen Flaschenhals zu beseitigen, haben Bioinformatiker des Forschungszentrums Jülich eine Datenbank entwickelt, die – zumindest für die Pflanzenforschung – das vorhandene Wissen bündelt und aufbereitet.

Vorhandenes Wissen bislang stark fragmentiert

„Inzwischen sind viele Pflanzengenome publiziert“, berichtet Björn Usadel, Projektleiter der Pflanzenbiotechnologischen Primärdatenbank und Bioinformatiker am Forschungszentrum Jülich. „Aber diese Genome sind oft nur in den Publikationen verborgen.“ Eine gezielte Suche, um eigene Daten abzugleichen oder Vergleiche einzelner Gene mit anderen Arten zu ziehen, ist aufwendig. Zwar gab es schon Versuche, die publizierten Genomdaten mittels Text-Mining zu erschließen, „aber das funktioniert so lala“, meint Usadel. Auch der etablierte sogenannte BLAST-Algorithmus, der beispielsweise für kurze DNA-Sequenzen Übereinstimmungen in einem Genom herausfiltert, liefert nur einen begrenzten Informationsgewinn – sofern man das Vergleichsgenom überhaupt in den Publikationen ausfindig gemacht hat.

Das vom Bundesforschungsministerium von Mai 2013 bis Dezember 2016 mit 873.640 Euro geförderte Einzelprojekt der Jülicher hat all dies verbessert. „Wir hatten vorher schon eine Datenbank“, erzählt Usadel, „aber deren Pflege war aufwendige Handarbeit.“ Die neue Datenbank setzt zudem auf Open-Source-Software. „Das ist günstiger und erlaubt uns bei Bedarf direkte Eingriffe in den Code“, betont der Bioinformatiker. Ein angebundenes Content-Management-System ermöglicht die bequeme Pflege und vor allem die Nutzung der Daten, inklusive grafischer Aufbereitung. Der eigentliche Clou besteht jedoch darin, dass ein großer Teil der Aufbereitung neuer Genomdaten automatisiert erfolgen kann.

Mehr als 200 annotierte Genome in der Datenbank

Der Weg dahin war zunächst noch mühsam. Die Forscher mussten die publizierten Genome aus den diversen Publikationen zusammentragen. Die Informationen aus mehr als 200 Veröffentlichungen sind inzwischen in die Datenbank eingegangen. Zu Beginn mussten diese Genome noch in Handarbeit annotiert werden: Welche Gene gibt es darin, welche Funktion haben sie? Doch damit nicht genug: „Wir verbinden genomische und transkriptomische Daten der Pflanzen und auch die zugehörigen Phänotypen miteinander“, erläutert Usadel. Das ist ein bisschen so, als wenn man nicht nur prüfen könnte, welche Sätze in einem Buch vorkommen, sondern die Reihenfolge der Sätze weiß, wer sie vorliest und was sie bedeuten.

The multinational research project lasted about ten years, from 1990 to 2000, and for the first time produced reference data on the complete genome of the most important model plant, the thale cress (Arabidopsis thaliana). Today, an individual genome can be deciphered in just a few hours, and molecular biology has developed so rapidly. In many cases, the bottleneck of genome research is no longer the chemical analysis of the genetic material, but the subsequent data processing and evaluation. In order to eliminate this bottleneck, bioinformaticians at Forschungszentrum Jülich have developed a database that - at least for plant research - bundles and processes existing knowledge.

Existing knowledge is highly fragmented

"Many plant genomes have now been published," said Björn Usadel, project manager of the primary plant biotechnology database and bioinformatician at Forschungszentrum Jülich. "But these genomes are often only hidden in the publications." A targeted search to compare one's own data or to compare individual genes with other species is time-consuming. Although there have already been attempts to make the published genome data accessible by means of text mining, "this works so-so," says Usadel. Even the established so-called BLAST algorithm, which filters out matches in a genome for short DNA sequences, for example, only provides a limited gain in information - if you even find the comparative genome in the publications.

Jülich's individual project, funded by the Federal Ministry of Education and Research from May 2013 to December 2016 with 873,640 euros, has improved all this. "We already had a database before," says Usadel, "but its maintenance was expensive manual work." The new database also makes use of open source software. "This is cheaper and allows us to intervene directly in the code if necessary," emphasizes the bioinformatician. A linked content management system makes it easy to maintain and, above all, use the data, including graphic processing. The real highlight, however, is that a large part of the processing of new genome data can be automated.

More than 200 annotated genomes in the database

The way there was at first still laborious. The researchers had to compile the published genomes from the various publications. The information from more than 200 publications has since been entered into the database. In the beginning, these genomes had to be annotated by hand: Which genes are there, what function do they have? But that's not all: "We combine genomic and transcriptomic plant data and the associated phenotypes," explains Usadel. This is a bit like not only being able to check which sentences appear in a book, but also knowing the order of the sentences, who reads them out and what they mean.

Kunststoffe sind aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken. Ob Folien, Kabel oder Kunstleder – PVC (Polyvinylchlorid) ist aufgrund seiner Materialeigenschaften vielseitig einsetzbar. Gemessen an seinem Produktionsvolumen, ist PVC nach Polyethylen und Polypropylen mittlerweile der drittwichtigste Kunststoff weltweit. Doch vor allem das sogenannte Weich-PVC, das häufig für Kabelisolatoren, Fußbodenbeläge oder Schläuche verwendet wird, steht immer mehr in der Kritik. Der Grund: Es enthält es bis zu 40% Weichmacher, die das Material nicht nur weich machen, sondern auch für eine bessere Temperatur- und Wetterbeständigkeit sorgen sowie Zähigkeit und Elastizität erhöhen sollen. Viele dieser Weichmacher, vor allem die sogenannten Phthalate, sind jedoch gesundheitlich bedenklich und können beispielsweise den Hormonhaushalt stark beeinflussen.

Neue biobasierte Weichmacher

Deswegen haben es sich das Institut für Technische Biokatalyse der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH), die Universität Bielefeld und die BASF SE zum Ziel gemacht, eine neuartige, biobasierte Alternative zu herkömmlichen Weichmachern in PVC zu entwickeln: Das gemeinsame Projekt „Bioweichmacher“ ist Teil des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“, der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie 2030“ gefördert wird. Das Ziel des Konsortiums: Weichmachermoleküle für Produkte zu entwickeln, die Mensch und Umwelt schonen.

Der Ideenwettbewerb des BMBF ist in zwei Phasen unterteilt: In der ersten Phase, der Sondierungsphase, wurde die Idee der Bioweichmacher entwickelt und ein entsprechendes Konsortium gebildet. In der aktuellen Machbarkeitsphase, die noch bis zum 31.05.2020 laufen wird, werden Synthesemethoden für die neuartigen Weichmachermoleküle entwickelt und diese auf ihre Anwendbarkeit und Toxikologie untersucht.

Mit Enzymen zur nachhaltigen PVC-Produktion 

Im Detail streben die Forscher an, Moleküle zu entwickeln, die eine nachhaltige Alternative zu bestehenden PVC-Produkten bieten – ohne Wert- und Funktionsverlust. Zugleich sollen sie auf Basis nachwachsender Rohstoffe sowohl ökologisch als auch ökonomisch effektiv synthetisiert werden können. Die Biochemiker verwenden dazu unter anderem Enzyme, die den Energieeinsatz verringern und die Bildung von schädlichen und umweltbelastenden Nebenprodukten vermeiden sollen. Um mehr über den Prozess zu erfahren, werden die einzelnen Reaktionsschritte durch eine Infrarot-Spektroskopie analysiert. Hierbei regt die Wärme das Schwingungs- und Absorptionsverhalten von Molekülen an und gibt Aufschluss über die chemischen Prozessreaktionen.

jmr

Plastics are an integral part of our everyday lives. Whether foil, cables or artificial leather - due to its diverse material properties, PVC (polyvinyl chloride) can be used in many different ways. Measured by its production volume, PVC is now the third most important plastic in the world after polyethylene and polypropylene. Nonetheless, the so-called soft PVC, which is frequently used for cable insulators, floor coverings or hoses, is increasingly subject to criticism. This is because it contains up to 40% plasticizers, which not only soften the material, but also improve its temperature and weather resistance and increase its toughness and elasticity. However, many of these plasticizers, especially the so-called phthalates, are harmful to one's health and can severly affect the hormone balance.

New biobased plasticizers

Therefore, the Institute of Technical Biocatalysis at the Technical University Hamburg-Harburg (TUHH), the University of Bielefeld and BASF SE are looking to develop a novel, biobased alternative to conventional plasticizers for PVC. The joint project "Bioplasticizers" came about as part of the "New Products for the Bioeconomy" ideas competition funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) as part of their "National Research Strategy 2030". The aim of the consortium is to develop plasticizer molecules for products that are environmentally friendly and safe for consumers.

The competition by the BMBF is divided into two parts: In the first phase, the exploratory phase, the idea of bioplasticisers was developed and a corresponding consortium formed. In the current, so-called feasibility phase, which will run until the end of May 2020, synthesising methods for the novel plasticizer molecules will be developed and their applicability and toxicology tested.

Using enzymes for a sustainable PVC production

More precisely, the researchers aim to develop molecules that offer a sustainable alternative to existing PVC products - without loss of value or function. At the same time, they should be able to be synthesized effectively, both ecologically and economically, and they should be made of renewable raw materials. Moreover, the biochemists use enzymes to reduce energy consumption and avoid the formation of harmful by-products. To learn more about the process, the individual reaction steps are analysed using infrared spectroscopy. The heat stimulates the oscillation and absorption behaviour of molecules and provides information about the chemical process reactions.

jmr

Blutgefäße wie Tiere und Menschen haben Pflanzen nicht. Doch auch sie müssen Nährstoffe in ihrem gesamten Gewebe verteilen – von der Wurzel bis in die Sprosse und Blätter. Das können sie entweder erreichen, indem sie Nährstoffe von Zelle zu Zelle weiterreichen oder indem sie die wassergefüllten Zellzwischenräume verwenden. Am Beispiel des Ammoniums haben Pflanzenforscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben jetzt analysiert, wann die Pflanze welchen der beiden Wege nutzt und wie leistungsfähig diese sind.

Zwei mögliche Transportwege für Ammonium

Über den Ammoniumtransport ist bereits einiges bekannt, denn er ist für die Landwirtschaft sehr bedeutsam: Ammonium bildet für Pflanzen die wichtigste Stickstoffquelle, ohne Stickstoff kann die Pflanze keine Proteine bilden – sie hungert und geht ein. So wussten die IPK-Forscher bereits, dass das Protein AMT1;3 den Transport von Ammonium in den Zellen steuert – der sogenannte symplasmatische Weg. Das Protein AMT1;2 hingegen ist für den Ammoniumtransport im Zellzwischenraum, auf dem sogenannten apoplastischen Weg verantwortlich.

Um beide Wege zu vergleichen, haben die Forscher mit gentechnischen Methoden alle weiteren Ammoniumtransporter der Pflanze ausgeschaltet und den zugeführten Stickstoff so markiert, dass sie dessen Weg durch die Pflanze nachvollziehen konnten. Wie die Pflanzenforscher im Fachjournal „PLOS Biology" berichten, leistet das Protein AMT1;2 mehr als AMT1;3 – es sei denn, Ammonium im Boden ist knapp. In diesem Fall arbeitet der symplasmatische Weg effizienter.

Wurzelwachstum hat bei Nährstoffmangel Priorität

Das Resultat ist für die Forscher plausibel, versorgt doch der symplasmatische Weg zunächst die Wurzeln. Dadurch kann die Pflanze in Zeiten knapper Nährstoffe bevorzugt ihr Wurzelwerk und damit die Nährstoffaufnahme ausbauen. In guten Zeiten hingegen beschleunigt der apoplastische Weg das oberirdische Wachstum und verbessert damit zugleich die Photosynthese.

Zwei Besonderheiten konnten die Wissenschaftler ebenfalls nachweisen. So funktioniert der apoplastische Weg nur, solange der sogenannte Casparysche Streifen die Zellzwischenräume an der Endodermis schließt. Dabei handelt es sich um eine Schicht aus Lignin, die verhindern soll, dass aufgenommene Giftstoffe in den Zentralzylinder der Pflanze gelangen. Und auch Endodermiszellen, die eine sogenannte Suberinschicht ausgebildet haben, können keine Nährstoffe mehr aufnehmen, die über den apoplastischen Weg angeliefert werden. Entsprechend bilden diese Zellen dann kein weiteres AMT1;2 mehr.

Das Verständnis dieser Zusammenhänge soll der Pflanzenzüchtung nun helfen, Wurzeleigenschaften so zu optimieren, dass die Pflanze trotz geringer Düngemengen gut mit Nährstoffen versorgt ist.

bl