Aktuelle Veranstaltungen

Bakterien werden in der Biotechnologie für die verschiedensten Aufgaben eingesetzt. So können so etwa zur Herstellung von Plattformchemikalien genutzt werden oder um Abgase in nützliche Rohstoffe umzuwandeln. Damit die gewünschten Prozesse von den Mikroben geleistet werden können, müssen diese zuvor oft aufwendig gentechnisch verändert werden. Nun haben Jenaer Forscher eine Bakterienunterart entdeckt, die von sich aus Wasserstoff produziert und in Kombination mit einer weiteren Bakterienart sogar Naturstoffe wie Methan herstellen kann. Das Überraschende: Die Bakterienunterart zählte bisher zu einer Gruppe von Krankheitserregern.

Verwandter von Krankheitserregern produziert Wasserstoff

Diese Krankheitserreger, die sogenannten Epsilonproteobakterien, werden unter anderem mit der Entstehung von Magengeschwüren und Lebensmittelvergiftungen in Verbindung gebracht. Die Jenaer Biotechnologen forschten an der Untergruppe Sulfurospirillen, die nicht krankheitserregend ist, sondern anaerob, also unter Ausschluss von Sauerstoff in Abwässern und Flusssedimenten lebt und dort Schadstoffe umwandelt. Das Forscherteam unter der Leitung von Gabriele Diekert von der Friedrich-Schiller-Universität Jena konnte nun erstmals zeigen, dass die Sulfurospirillen auch Wasserstoff und Naturstoffe produzieren können. Sie könnten damit zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet werden.

Wie sie in den Fachjournalen „Nature Communications“ und „ACS Chemical Biology“ berichten, haben die Forscherteams von Diekert und Lorenz Adrian vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig die Funktion der Proteine des Bakteriums unter verschiedenen Bedingungen untersucht. „Zu Beginn hatten wir nur sehr unsichere Hinweise auf Wasserstoff- und Naturstoffproduktion dieser Bakterien. Wir haben die Sequenz einer sogenannten Hydrogenase – das sind Enzyme, die Wasserstoff spalten oder herstellen können – im Genom von Sulfurospirillum gefunden“, erklärt Tobias Goris, Wissenschaftler und Koordinator in einer DFG-Forschergruppe, die ebenfalls an dem Projekt beteiligt war. Mithilfe einer Proteomanalyse, also der Untersuchung der Gesamtheit der Proteine, konnten die Wissenschaftler schließlich einen großen, Wasserstoff produzierenden Komplex identifizieren.

Mikroben-Kooperation verwandelt Milchsäure in Methan

Sulfurospirillen sind demnach in der Lage, Wasserstoff zu produzieren. Viele andere Mikroben „ernähren“ sich hingegen von Wasserstoff. Deshalb kombinierten die Biotechnologen im nächsten Schritt die Fähigkeiten der Sulfurospirillen mit anderen, Naturstoff produzierenden Bakterien: Sulfurospirillum multivorans wurde zusammen mit Methanococcus voltae kultiviert. Wie der Name vermuten lässt, ist M. voltae dafür bekannt, mithilfe von Wasserstoff als Energiequelle, Methan zu produzieren. Und tatsächlich: S. multivorans wandelte Milchsäure in Wasserstoff um, und M. voltae verstoffwechselte diesen anschließend zu Methan.

Wirkstoff für die Krebsbehandlung

Bei einem weiteren Sulfurospirillen-Vertreter, Sulfurospirillum barnesii, untersuchten die Jenaer zusammen mit der Arbeitsgruppe von Christine Beemelmanns am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie ebenfalls das Genom. Das Erbgut ließ darauf schließen, dass S. barnesii einen wichtigen Naturstoff produziert, der therapeutische Wirkungen haben könnte: Das nach dem Bakterium benannte Barnesin hat eine ähnliche Wirkungsweise wie bereits in der Krebsbehandlung eingesetzte Proteasehemmer.

Die Jenaer Biotechnologen wollen auch in Zukunft die Produkte von Sulfurospirillen sowie die Interaktion dieser Bakterien mit anderen untersuchen, wobei der Fokus auf dem Abbau von Schadstoffen durch solche mikrobiellen Kooperationen liegen wird.

jmr

Ob Vollmilch oder Zartbitter: Schokoladenprodukte haben gerade zur Weihnachtszeit Hochkonjunktur. Doch ohne die Kakaofrucht gäbe es keine Schokolade. Etwa 4,5 Millionen Tonnen Kakaobohnen werden jährlich weltweit zu süßen Köstlichkeiten und anderen Lebensmitteln verarbeitet. Die dabei anfallenden Kakaoschalen wurden bisher zumeist als Abfallstoff entsorgt, oder fanden Verwendung in der Kosmetikindustrie oder für den sogenannten Kakaoschalentee. Denn die wichtigen und gesundheitsfördernden Inhaltsstoffe wie Theobromin, Flavanole oder Catechine stecken sowohl in der Bohne, als auch in der Schale der Kakaofrucht.

Mit Bakterien und Enzymen die Kakaoausbeute steigern

Im Projekt „CocoaBoost“ steht nun die effizientere Weiterverwertung der Kakaoschalen im Fokus. Unter Einsatz von Mikroorganismen und Enzymen will das Institut für Lebensmittelchemie und Lebensmittelbiotechnologie (LCB) der Justus-Liebig-Universität Gießen mit der Novis GmbH in Tübingen das verborgene Potenzial der Kakaoschalen für die Industrie besser nutzbar machen. In dem vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über das Kooperationsnetzwerk „biohymed“ geförderte Vorhaben, wollen die Partner in den kommenden zweieinhalb Jahren ein biotechnologisches Verfahren zur Herstellung von Kakaopulver aus Kakaoschalen entwickeln.

Störstoffe in Kakaoschalen beseitigen  

Bisher war die Gewinnung von Kakao aus den Schalen der Frucht unrentabel und teuer. Bei der sogenannten wilden Fermentation blieben zu viele unverdaute Störstoffe zurück, die für eine industrielle Weiterverarbeitung vor allem in Lebensmitteln hinderlich waren. „Die Ausbeute des Verfahrens liegt bei circa 70% bis 80% der Schalenmasse. Denn es gibt einen gewissen Massenverlust, da störende Bestandteile der Schalen wie Schleimzellen abgebaut, anhaftender Schmutz entfernt und ein Anteil sehr feinen Pulvers verlorengeht“, erläutert Verena Grimm, Projektleiterin von biohymed bei der BioRegio STERN Management GmbH auf Nachfrage gegenüber bioökonomie.de.

Im Projekt wollen die Partner diese Störfaktoren nun biotechnologisch beseitigen. Dafür sollen ablaufende Reaktionen und Mikroorganismen für den Abbau der Störfaktoren identifiziert werden, um den Prozess zu verstehen und die Parameter gezielt mithilfe von Mikroorganismen oder durch den Einsatz von Enzymen steuern zu können. „Durch eine gezielte biotechnologische Behandlung der Schalen sollen die Störstoffe, bestehend aus Fetten und Schleimzellen, soweit abgebaut werden, dass die behandelten Schalen zu einem interessanten Ausgangsrohstoff für die Weiterverarbeitung werden können“, so Grimm. 

Effizente Verwertung des Abfallproduktes  

Eine Arbeitsgruppe um Martin Rühl vom Gießener LCB wird die Durchführung und Auswertung der Hydrolyse-Versuche im Labormaßstab übernehmen. Die Novis GmbH ist für das Scale-up sowie die Integration des neuen Prozesses in ihr bestehendes Verfahren, aber auch für die Kommerzialisierung und Markteinführung verantwortlich. „CocoaBoost ermöglicht die effiziente Verwertung eines Abfallprodukts der Kakaoernte und wird somit zur Ressourcenschonung und Einsparung von Rohstoffen beitragen“, sagt Grimm. 

bb

Die Apfelbauern waren einige der wenigen Landwirte, die vom Hitzesommer 2018 profitiert haben. Denn die Apfelernte fiel in diesem Jahr deutlich besser aus als zuletzt. Doch statt mit Hitze und Dürre haben die Landwirte mit einer anderen Bedrohung zu kämpfen: dem sogenannten Feuerbrand. Die Pflanzenkrankheit wird vom Bakterium Erwinia amylovora ausgelöst. Ist das Gewebe infiziert, stirbt es ab und zieht letztlich den gesamten Baum in Mitleidenschaft. Da die Bäume nicht mit Antibiotika behandelt werden dürfen, bleibt den Landwirten beim Befall mit dem Bakterium oft nur der Kahlschlag, um die weitere Ausbreitung des Erregers zu verhindern. Viele Apfelbauern hoffen daher auf die Züchtung neuer, resistenter Apfelbäume. Doch dafür muss zuvor der Infektionsweg genau geklärt sein.

Effektorprotein löst Kettenreaktion aus

Hier setzte ein Forscherteam aus Molekularbiologen vom Julius Kühn-Institut (JKI) in Dresden an. Zusammen mit US-amerikanischen und neuseeländischen Kollegen fanden sie heraus, dass ein bestimmtes Protein des Bakteriums ausreicht, um die Krankheitssymptome beim Apfel auszulösen. Wie das geschieht und welche Kettenreaktion die Infektion in der Frucht zur Folge hat, beschreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Molecular Plant-Microbe Interactions“.

Das für die Infektion verantwortliche Protein trägt den Namen AvrRpt2EA. „Mit unseren Experimenten konnten wir zeigen, dass AvrRpt2EA eine zentrale Rolle in der Wirt-Pathogen-Beziehung spielt“, berichtet Susan Schröpfer vom JKI. Von anderen solchen Effektorproteinen ist bereits bekannt, dass sie über ein spezielles Ausscheidungssystem der Bakterien in die Pflanzenzellen gelangen und dort die Zellfunktionen verändern. „Doch wie das bakterielle Effektorprotein des Feuerbrands in der Pflanze genau wirkt, hatten wir bislang nur unzureichend verstanden“, sagt Henryk Falchowsky. Er ist Leiter des JKI-Instituts für Obstzüchtung und koordinierte die Zusammenarbeit mit den Partnern in den USA und Neuseeland.

Resistenzen der Wildäpfel nutzen

Nicht alle Apfelsorten sind für den Feuerbranderreger empfänglich, einige Wildapfelarten besitzen spezielle Resistenzproteine gegen ihn. Doch wenn AvrRpt2EA in die Zellen gelangt, stirbt das Gewebe rund um den Trieb schon nach kurzer Zeit ab und die Blätter werden braun. Deshalb haben die Forscher die Reaktion der Pflanze auf das Effektorprotein genau untersucht. Das Ergebnis: Das Protein löst eine Kettenreaktion aus. Diese Salicylsäure-abhängige Antwort fördert die Entstehung von Nekrosen, also von totem Gewebe. Die Wissenschaftler gehen deshalb davon aus, dass das Feuerbrandbakterium die Zellen des Apfelbaums so „umprogrammiert“, dass diese ihm optimale Lebensbedingungen bieten – denn der Erreger ernährt sich von dem toten Baumgewebe.

Das Ziel der Molekularbiologen ist es, die anfälligen Apfelbaumarten mit den Resistenzproteinen der Wildarten auszustatten. Doch bevor sie soweit sind, müssen noch einige Fragen beantwortet werden: „Beispielsweise ist noch ungeklärt, wie es dem Bakterium-Effektorprotein in anfälligen Sorten genau gelingt, den Salicylsäure-abhängigen Abwehrweg anzustoßen und welche Wechselwirkungen es mit dem apfeleigenen Resistenzprotein FB_Mr5 in resistenten Apfelwildarten gibt“, so Flachowsky mit Blick auf künftige Forschungsprojekte. 

jmr

Der letzte Sommer hat die Folgen von Klimawandel und globaler Erwärmung für Deutschland und ganz Europa deutlich gemacht: So führte die anhaltende Dürre dazu, dass Flüsse austrocknen und nationale wie europäische Schiffslieferungen monatelang eingeschränkt waren oder ganz ausfielen.

Im Oktober veröffentlichte das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) seinen Sonderbericht über die Auswirkungen der globalen Erwärmung. Das Fazit: Die vom Menschen verursachte globale Erwärmung liegt bereits bei 1 °C über dem vorindustriellen Niveau und steigt um etwa 0,2 °C pro Jahrzehnt. Werden die internationalen Klimaschutzmaßnahmen nicht intensiviert, könnte der globale durchschnittliche Temperaturanstieg schon kurz nach 2060 2 °C erreichen - und danach sogar weiter steigen. Dieses hätte jedoch verheerende Folgen für die Ökosysteme auf der ganzen Welt sowie für die Landwirtschaft: Überschwemmungen und Dürre, die die Ernteerträge stark minimieren, werden immer häufiger vorkommen. Kurz gesagt: Die globale Erwärmung über 1,5 °C im Vergleich zu vorindustriellen Werten würde das Überleben der Menschheit ernsthaft gefährden. Um diese Gefahren abzuwenden, beraten die Vertragsparteien des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (COP) derzeit auf ihrem 24. Treffen, dem sogenannten COP24, im polnischen Kattowitz Strategien zur Reduzierung der Kohlenstoff- und Treibhausgasemissionen.

Langfristige Strategie für eine klimaneutrale Wirtschaft 

In Vorbereitung auf das hochrangige Treffen hat die Europäische Kommission ein offizielles Kommuniqué veröffentlicht. Darin stellt sie eine Strategie vor, um auch in Zukunft auf diesem Planeten leben zu können, und wie eine wachsende Weltbevölkerung nachhaltig bekleidet, untergebracht und ernährt werden kann. Die EU müsse hier mit gutem Beispiel vorangehen und einen langfristigen Plan für eine erfolgreiche, moderne, wettbewerbsfähige und klimaneutrale Wirtschaft entwickeln und umsetzen, heißt es. Um diese Ziele zu erreichen, werden nach Ansicht der Kommission Bioökonomie und Kreislaufwirtschaft entscheidend sein.

Die Kommission erklärt weiterhin, dass das Ziel dieser langfristigen Strategie darin besteht, das Engagement Europas für eine globale Klimaschutzaktion zu bekräftigen und eine Vision vorzulegen, wie bis zum Jahr 2050 die Treibhausgasemissionen auf Null minimiert werden können. Die vorgeschlagene Strategie ziele jedoch nicht darauf ab, neue Regulierungen und Gesetze auf den Weg zu bringen oder die Nachhaltigkeitsziele 2030 in Frage zu stellen. Die Kommission will damit wirtschaftliche und gesellschaftliche Veränderungen skizzieren, um bis 2050 den Übergang zu einer Wirtschaft mit „Netto-Null-Treibhausgasemissionen" zu erreichen.

Die Vorteile der Bioökonomie

Um diese Netto-Null-Emissionen zu erreichen, müsse vor allem das Potenzial der Kreislaufwirtschaft und der Bioökonomie ausgeschöpft werden. Nach Ansicht der Kommission könnte der Weg zu einer Wirtschaft ohne Treibhausgasemissionen demnach auf der Bündelung von sieben strategischen Hauptbausteinen beruhen: Hierzu zählen unter anderem die Maximierung der Energieeffizienz im Zusammenhang mit emissionsfreien Gebäuden, die Dekarbonisierung der Energieversorgung, die Kreislaufwirtschaft als Schlüsselfaktor zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und die Digitalisierung zur Ermöglichung intelligenter Netzinfrastrukturen.

Für eine erfolgreiche Bioökonomie ist zudem nachhaltige Biomasse enorm wichtig: Denn Biomasse kann Wärme liefern. In Biokraftstoffe und Biogas umgewandelt kann damit Erdgas ersetzt werden. Auch Materialien, die auf fossilen Rohstoffen basieren – insbesondere im Bausektor – können durch nachhaltige biobasierte Produkte wie Biokunststoffe und Verbundwerkstoffe ersetzt werden.

Doch eine rein biobasierte Wirtschaft wird nach Ansicht der Kommission im Vergleich zum heutigen Verbrauch wesentlich mehr Biomasse erfordern. Bis 2015 wird eine Steigerung um bis zu 80% erwartet. Biomasse muss also aus mehreren Quellen stammen. Die Landressourcen sind jedoch begrenzt. Darum wird es ebenfalls wichtig sein, die Produktivität der Wasser- und Meeresressourcen zu verbessern, um die gesamte Bandbreite der Möglichkeiten der Bioökonomie zu nutzen. Dazu gehören unter anderem die Produktion und Nutzung von Algen und anderen neuen Proteinquellen, die das Potenzial haben, den Druck auf die landwirtschaftlichen Flächen zu verringern.

Auch die Bürger müssen umdenken

Die erfolgreiche Implementierung insbesondere der neuen biobasierten Produkte wird der Kommission zufolge nicht nur von der industriellen Entwicklung abhängen, sondern auch von den Bürgern: Diese müssen die neuen Technologien und Produkte akzeptieren. Darüber hinaus sind in der EU in den nächsten zwei Jahrzehnten massive Forschungs- und Innovationsbemühungen erforderlich, um kohlenstoffarme und kohlenstofffreie Lösungen wirtschaftlich rentabel zu machen und neue Produkte hervorzubringen. Dementsprechend steht das Klima auch im Mittelpunkt von „Horizon Europe", dem neuen europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm. Die Kommission schlägt vor, 35% des fast 100 Mrd. Euro umfassenden Budgets in die Forschung zu investieren, um die Klimaziele zu erreichen.

Forschungsprojekte und neue Entwicklungen werden auch in anderen Bereichen das Wachstum ankurbeln. Bereits heute gibt es in der EU schätzungsweise vier Millionen „grüne Arbeitsplätze". Weitere Investitionen in die industrielle Modernisierung, die Energiewende, die Kreislaufwirtschaft, saubere Mobilität und die Bioökonomie werden der Kommission zufolge noch mehr hochwertige Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen.

Mit gutem Beispiel vorangehen

Die Kommission betont in ihrem Bericht auch, dass eine solche Strategie nicht im Alleingang von der EU realisiert werden kann. Es bedürfe vielmehr weltweiter Kooperationen. Die EU geht demnach lediglich mit gutem Beispiel voran und ist offen für eine multilaterale und globale Zusammenarbeit.

Bis Ende 2018 werden nun die Mitgliedsstaaten ihre Entwürfe für nationale Klima- und Energiepläne bei der Europäischen Kommission einreichen. Darüber hinaus erarbeiten auch immer mehr Regionen, Kommunen und Wirtschaftsverbände ihre eigenen Visionen für 2050, die dazu beitragen werden, Antworten auf die globale Herausforderung des Klimawandels zu definieren.

Eines ist der Kommission zufolge jedoch sicher: Die Umwandlung der heutigen auf fossilen Ressourcen basierenden Wirtschaft hin zu einer nachhaltigen und biobasierten Gesellschaft ist im Kampf gegen den Klimawandel unerlässlich. In den Worten der Kommission: „Der Status quo ist keine Option."

jmr

The last summer has demonstrated the consequences of climate change and global warming all too vividly for Germany and all of Europe. For instance, a prolonged drought has caused rivers to fall dry and is hindering national as well pan-European shipments well into December.

In October, the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) issued its Special Report on the impacts of global warming. Their conclusion: human-induced global warming has already reached 1°C above preindustrial levels and is increasing at approximately 0.2°C per decade. Without stepping up international climate action, the global average temperature increase could reach 2°C soon after 2060 and will continue rising afterwards. This, however, will have dire consequences for ecosystems around the world, it will cause floodings and decrease the availability of arable land. In short: Global warming above 1.5°C compared to preindustrial levels will seriously endanger the survival of mankind. To avert these dangers, the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change are currently discussing strategies how to reduce carbon- and greenhouse gas emissions at the COP24 in Katowice in Poland.

Long-term strategy for a climate neutral economy needed

In preparation for the high-level meeting, the European Commission has published an official communication to the European Parliament, the European Council, the Council, the European Economic and Social Committee, the Committee of the Regions and the European Investment Bank. The message of the communiqué is clear: In order to live sustainably on this planet and be able to clothe, shelter and feed a growing global population, the EU needs to lead by example and establish and implement a long-term strategy for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy. To that end, according to the Commission, the bioeconomy and the circular economy will play vital roles.

As stated by the Commission, the aim of this long-term strategy is to confirm Europe's commitment to lead the fight against global warming and to present a vision that can lead to achieving net-zero greenhouse gas emissions by 2050 through a socially-fair and cost-efficient transition. However, the proposed strategy does not intend to launch new policies, nor does the European Commission intend to revise the 2030 Sustainable Development Goals. Instead, the strategy outlines a vision of the required economic and societal transformations spanning all sectors of the economy and society to achieve the transition to net- zero greenhouse gas emissions by 2050.

The benefits of the bioeconomy

Reaching net-zero greenhouse gas emissions will require maximising the potential of technological and circular economy options, the large scale deployment of natural land based carbon sinks including in the agricultural and forestry sectors as well as shifts in mobility patterns. Thus, according to the Commision, the road to a net-zero greenhouse gas economy could be based on joint actions along a set of seven main strategic building blocks that include maximising energy efficiency in the context of zero emission buildings, decarbonising the energy supply, the circular economy as a key enabler to reduce greenhouse gas emissions, digitalisation to enable smart network infrastructures, and “reaping the full benefits of the bioeconomy”.  

For a successful bioeconomy the availability of sustainable biomass is of the upmost importance: Biomass can directly supply heat, be transformed into biofuels and biogas, and can be transported through the gas grid substituting natural gas. Moreover, it can substitute for carbon intensive materials, particularly in the building sector but also via new and sustainable bio-based products such as bioplastics and composites

According to the Commission, a net-zero emissions economy is built upon increasing amounts of biomass compared to today’s consumption, with highest projections seeing an increase in bio-energy consumption of around 80% until 2050. Thus, an increased biomass production will need to come from a combination of sources. However, a biomass-based transition is limited by the availability of land - which is also finite. In order to alleviate the multiple demands on the EU's land resources, improving the productivity of aquatic and marine resources will therefore also be important in capturing the full range of opportunities of the bioeconomy. This includes for instance the production and use of algae and other new sources of protein which have the potential to relieve the pressure on agricultural land.

Citizens will have to become active participants

However, the development of the options and actions explored will not only depend on the speed of their initial deployment, but also on the extent to which citizens become active participants in the transition, and the public’s acceptance of certain low and carbon-free technologies.

Moreover, a massive research and innovation effort, built around a coherent strategic research, innovation and investment agenda is needed in the EU within the next two decades to make low and zero-carbon solutions economically viable and bring about new solutions. Accordingly, climate is also at the heart of Horizon Europe, the European Commission’s proposal for the new EU's research and innovation programme. The Commission proposes to invest 35% of the near € 100 billion budget in climate objectives, through the development of innovative and cost-effective zero-carbon solutions.

This research and new inventions will subsequently also spur growth in other sectors. Already today there are an estimated 4 million 'green jobs' present in the EU. Further investment into the industrial modernisation, the energy transformation, the circular economy, clean mobility, green and blue infrastructure and the bioeconomy will create even more high quality employment opportunities.

The EU: leading by example

In its report the Commission also stresses that this long-term strategy for the EU cannot be pursued in isolation. Therefore, the EU must promote a worldwide uptake of policies and actions to halt climate change and transition to a worldwide low carbon future. Thus, the EU should continue leading by example as well as fostering multilateral and global cooperation.

By the end of 2018 the member states will submit their drafts for National Climate and Energy Plans to the European Commission. In addition, an increasing number of regions, municipalities and business associations are drawing up their own vision for 2050, which will enrich the debate and contribute to defining Europe’s answer to the global challenge of climate change.

Nevertheless, in order to achieve and implement a carbon-neutral economy, a complete transformation of the current global economies towards more sustainable and biobased economies is essential. In the words of the Commission: “The status quo is not an option.”

jmr

Ob Sojaschnitzel oder Tofubratwurst – immer mehr Verbraucher greifen im Supermarkt zu Fleischersatzprodukten. Nach Angaben des Bundes für Lebensmittelrecht und Lebensmittelkunde ist der Umsatz bei fleischlosen Waren von 2012 bis 2016 um 88% gestiegen. Auch wenn die fleischlose Kost rein äußerlich dem tierischen Vorbild sehr ähnelt, beim Kauen fällt der Unterschied dann doch auf. „Dieses Mundgefühl beruht vor allem auf der faserähnlichen Textur von Fleisch“, erklärt Azad Emin vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Die Struktur von Fleischersatz dem tierischen Produkt anpassen

Gemeinsam mit Forschern der TU Berlin und dem Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik in Quakenbrück sucht der Verfahrenstechniker daher nach einem Weg, die Textur fleischanaloger Produkte so zu verbessern, dass sie der Struktur von Fleisch zum Verwechseln ähneln. „Wir haben einen Ansatz und eine Methode entwickelt, die es ermöglichen, den Prozess mit Fokus auf Strukturveränderungen zu untersuchen und zu kontrollieren“, sagt Emin.

Herstellungsprozess im Extruder durchleuchtet

Das Team konzentrierte sich dabei auf die Herstellung der Fleischersatzprodukte und nahm dafür die Prozesse in der Produktionsanlage, dem Extruder, unter die Lupe. Das hier angewendete Verfahren, die Nassextrusion, wird auch zur Herstellung von Erdnussflips genutzt. Die teigartige Rohstoffmasse wird dabei mit Wasser versetzt und mittels zweier rotierender Schneckenwellen durch ein Gehäuse befördert. Dort wird die Masse erhitzt und am Ende durch eine gekühlte Düse gepresst. Bisher hat sich die Produktentwicklung laut Emin nur zeitaufwendig und kostspielig empirisch, also durch Versuch und Irrtum, vorantreiben lassen.

Mit Lipiden Struktur und Mundgefühl verbessern 

Die neue Methode macht es nun möglich, Strömungssimulationen und -messungen innerhalb des Extruders durchzuführen. Gleichzeitig gibt sie Einblicke in das Zusammenspiel von Fließeigenschaften und thermomechanischen Beanspruchungen und Aufschluss über den Verfahrensprozess sowie die dadurch hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der pflanzlichen Proteine. Nachdem die Details des Herstellungsprozesses vorliegen, können sich die Forscher der Verfeinerung der Textur fleischähnlicher Produkte widmen. „In unserer weiteren Forschung wollen wir die Struktur und das Mundgefühl unter anderem durch Hinzufügen von Lipiden und vorstrukturierten Proteinkomponenten fleischähnlicher gestalten“, erklärt Azad Emin.

Die Arbeit der Karlsruher Forscher erfolgt im Rahmen des Forschungsprojekts „Texturierungsmechanismen bei der Nassextrusion von Soja- und Erbsenprotein“ und wird seit 2015 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

bb

Viel wurde schon über das sogenannte Insektensterben berichtet. Vor allem die intensive Landwirtschaft und der Einsatz von Pestiziden gelten als Hauptursache für das Verschwinden von Schmetterlingen, Bienen und Co. Nun haben Biodiversitätsforscher der Universität Osnabrück noch einen weiteren Schuldigen gefunden: das Düngen. Die damit verbundenen erhöhten Stickstoffwerte in der Pflanze dezimiert die Schmetterlingsraupenpopulation.

Kooperation von mehreren Ökologen

Bisher wurde vor allem untersucht, wie schwindender Lebensraum und schrumpfende Schmetterlingspopulationen zusammenhängen. Wie sich die Landwirtschaft auf die verbleibenden Wirtspflanzen auswirkt und wie Schmetterlinge mit diesen Veränderungen umgehen, blieb hingegen unklar. Thomas Fartmann von der Universität Osnabrück hat daher zusammen mit Susanne Kunze von der Universität Bayreuth und Thilo Heinken von der Universität Potsdam die Auswirkungen der Düngeraten in der Landwirtschaft auf die Physiologie der Schmetterlinge untersucht.

Erhöhte Stickstoffwerte setzen Schmetterlingen zu

Wie die Forscher im Fachjournal „Oecologia“ berichten, haben sie die Überlebensraten von sechs weit verbreiteten Tag- und Nachtfalterarten im Zusammenhang mit verschiedenen Düngeszenarien untersucht. Dabei haben die Ökologen die Stickstoffmengen den in Mitteleuropa üblichen Düngemengen angepasst. „Die Düngung hat dabei zu einer Zunahme des Stickstoffgehalts in den Wirtspflanzen und gleichzeitig zu einer deutlich erhöhten Mortalitätsrate der Schmetterlingsraupen aller Modellarten geführt", so Fartmann. Die Ergebnisse belegen, dass die in der Landwirtschaft übliche Düngemenge zu einem erhöhten Stickstoffgehalt in den Pflanzen führt und das schadet den Schmetterlingen.

jmr

Chemische Industrie und Umweltschutz – das war bis in die 1970er Jahre ein Thema mit viel Konfliktpotenzial. Auch heute ist es nicht immer einfach, chemische Prozesse umweltfreundlich zu gestalten. Doch die Branche hat die Herausforderung angenommen. Mit „Chemie 4.0“ will das Transferzentrum Chemie- und Biosystemtechnik im Großraum Halle-Leipzig die Nachhaltigkeit der Branche auf ein neues Niveau heben. Das gaben Vertreter des 2016 gegründete Netzwerks auf dem Zukunftsdialog 2018 in Quedlinburg bekannt. Mehr als 70 Gäste aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik tauschten sich dort zu ressourcenschonenden und energieeffizienten Prozessen, den Potenzialen der Chemie 4.0 und Möglichkeiten zur Zusammenarbeit aus. Das Transferzentrum besteht aus zahlreichen Einrichtungen der angewandten Forschung, Hochschulen und Universitäten sowie Forschungscluster und mehr als 60 Industrieunternehmen aus Mitteldeutschland. Durch das Zusammenführen von erneuerbaren Ressourcen, Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft sollen sich hier insbesondere für das mitteldeutsche Chemiedreieck neue Chancen ergeben.

Kreislaufwirtschaft durch Digitalisierung

Wie eine Chemie 4.0 aussehen könnte, erläuterte Ralf Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) und einer der Direktoren des Leistungs- und Transferzentrums: „Die Digitalisierung ermöglicht in der Kunststoff verarbeitenden, chemischen, biotechnologischen und der biomedizinischen Industrie die Umsetzung einer Kreislaufwirtschaft, die auf erneuerbaren Ressourcen beruht.“ Was im Unternehmen als Reststoff anfalle, könne im anderen Unternehmen zum wertvollen Rohstoff werden und Plastikmüll, so Wehrspohn weiter, könne beispielsweise mit neuen Technologien als Kohlenstoffquelle für die Chemieindustrie erschlossen werden.

Reststoffe werden zu Wertstoffen

Natürlich ist es schon heute normal, dass ein Chemieunternehmen einen Reststoff nicht einfach entsorgt, wenn es ihn auch verkaufen kann. Doch das Netzwerk soll helfen, dass sich solche nachhaltigen Paarungen leichter finden und umsetzen lassen. Das eigentliche Ziel ist aber weit größer: Angestrebt wird eine CO₂-neutrale Wertschöpfung in der chemischen Industrie. So sollen Wiederverwertung, Recycling, energetische Verwertung und biologischer Abbau dazu beitragen, Stoffkreisläufe zu schließen. Wie das gelingen kann? „Antworten darauf finden wir am besten, wenn wir Grundlagenforschung, anwendungsorientierte Forschung und industrielle Entwicklung zusammenführen“, sagte Frank Emmrich, Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI in Leipzig und ebenfalls Mitglied des Direktoriums im Leistungs- und Transferzentrum.

Wirtschaftlicher Impuls für Mitteldeutschland 

Profitieren soll neben der Umwelt und den beteiligten Partnern die gesamte Region Mitteldeutschland, in der Rohstoff-, Energie- und Chemiewirtschaft eine lange Tradition haben. „Wir wollen lokale Rohstoffe für die regionale Industrie erschließen, um die dabei entstehenden Lösungen überregional verwertbar zu machen“, resümiert Christian Growitsch, stellvertretender Leiter des Fraunhofer IMWS und Sprecher des Direktoriums des Leistungs- und Transferzentrums. „So stärken wir die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen.“

bl

Insekten als Nahrungsmittel – dabei denken viele Menschen zunächst an Thailand oder Indonesien, wo gebratene Heuschrecken und frittierte Mehlwürmer an fast jeder Straßenecke angeboten werden. Doch spätestens seit der „Novel-Food-Verordnung“ Anfang 2018 kommen auch hierzulande immer mehr Lebensmittel aus Insekten auf den Markt. Die Zulassung und gesundheitliche Bewertung der neuen Lebensmittel übernimmt dabei die European Food Safety Authority (EFSA).

Insektenprotein ist gesund und schont die Umwelt

Die Vorteile von Insekten liegen für Experten klar auf der Hand: Sie sind proteinreich und zugleich fettarm. Außerdem sind sie im Vergleich zu Rind, Schwein oder Huhn in ihrer Zucht und Haltung wesentlich ressourcenschonender. Zudem benötigen Insekten nur einen Bruchteil an Futter, Wasser, Land und Zeit, um dieselbe Proteinmenge herzustellen wie herkömmliche tierische Quellen. Doch wie können vor allem Europäer, die Insekten traditionell nicht auf ihrem Speiseplan haben, von deren Qualitäten überzeugt werden? Reicht der Appell an das Umweltbewusstsein aus oder bedarf es ausgeklügelter Marketingstrategien, um westliche Nationen zum Insektenverzehr zu bewegen?

Umweltschonend oder Luxusartikel

Genau das haben Fabian Christandl von der Hochschule Fresenius, Sebastian Berger und Annika Wyss von der Universität Bern sowie Christian Bärtsch von der ESSENTO Food AG und Christina Schmidt von der Universität Köln nun in einer Studie untersucht. 180 Probanden, die in zwei Gruppen aufgeteilt wurden, erhielten zunächst Werbeflyer, in denen Insekten-basierende Lebensmittel angepriesen wurden. Dabei bekam eine Gruppe Prospekte, die vor allem auf die gesundheitsfördernden und umweltfreundlichen Aspekte der Insekten hinwies. Diese Flyer waren mit Slogans wie „Fleisch war noch nie so gesund“ oder „Fleisch war noch nie so umweltfreundlich“ beschriftet. Die andere Hälfte der Teilnehmer bekam Flyer, in denen Insekten als Luxusprodukte angepriesen und mit einem trendigen Lifestyle in Verbindung gebracht wurden. Anschließend wurden den Teilnehmern Mehlwurm-Schokopralinen angeboten und darauf geachtet, wie viele der Probanden davon kosteten.

Gezielte Marketingstrategie für Insektenprodukte

Das Ergebnis war eindeutig. Wie die Forscher im Fachjournal „Frontiers in Nutrition“ berichten,  probierten 76,2% der Befragten, denen Insekten als Luxusprodukt präsentiert wurden, die Schokopralinen mit Mehlwürmern. Von den Teilnehmern, die Werbeslogans zur Umweltverträglichkeit bekommen hatten, griffen lediglich 61,3% zur Insektenschokolade. Für Christandl und Kollegen ist dies ein eindeutiges Zeichen: „Aus unseren Ergebnissen lässt sich ableiten, dass die Werbung Insekten eher als Genussmittel anpreisen sollte. Mit dieser Strategie können sie tendenziell mehr Konsumenten davon überzeugen, Insekten mit auf den Speiseplan zu nehmen“, empfiehlt Christandl.

jmr

Eating insects - many people still shudder when when hearing these words, or they're thinking of Thailand or Indonesia, where fried crickets and mealworms are sold on the streets. But since the "Novel Food Regulation" was implemented at the beginning of 2018, a growing number of food items containing insects has made it into several supermarkets across the EU. The European Food Safety Authority (EFSA) is responsible for the approval and health assessment of these new foods.

Insect protein is healthy and easy on the environment

The advantages of insects as food items are obvious: they are rich in protein and low in fat at the same time. Moreover, breeding and farming them is much more resource-efficient than farming cattle, pigs or chickens. In fact, insects only need a fraction of food, water, land and time to provide the same amount of protein as conventional animal sources. But how can citizens across the EU, where insects are not traditionally a part of the meal plan, be convinced of these qualities? Is it enough to appeal to environmental concerns or do we need more sophisticated marketing strategies to persuade Westerners to eat insects?

Eco-friendly or a luxury

This question was investigated by Fabian Christandl from Fresenius University, Sebastian Berger and Annika Wyss from the University of Bern, Christian Bärtsch from ESSENTO Food AG and Christina Schmidt from the University of Cologne. The study was carried out at the Cologne campus of the Fresenius University of Applied Sciences and included 180 subjects that were divided into two groups. All test persons first received a flyer advertising insect-based food. On the flyers of half of the participants, the health-promoting and eco-friendly aspects of the insects were emphasized: The flyers were labelled with slogans such as "meat has never been so healthy" or "meat has never been so environmentally friendly". The other half of the participants received flyers advertising insects as luxury products and associating them with a trendy lifestyle. Afterwards, the participants were offered mealworm chocolate pralines and the scientitst analysed how many of the test persons actually tasted the pralines.

Targeted marketing strategy for insect products

As the researchers report in the journal "Frontiers in Nutrition", the results were quite clear. According to them, 76.2% of those presented with insects as a luxury product tried the chocolate pralines with mealworms. Of the participants who received advertising slogans highlighting the environmental benefits, only 61.3% tried the insect chocolate. For Christandl and colleagues this is an unequivocal sign: "From our results it can be deduced that the advertising should emphasise insects as luxury food. Thereby more consumers can be enticed to include insects in their diets," recommends Christandl.

jmr

Es war eine der größten ökologischen Katastrophen im 20. Jahrhundert in Deutschland: Seit den 50er Jahren belastete vor allem die Landwirtschaft den Bodensee immer stärker mit Phosphat, was letztlich zu einer Eutrophierung des Gewässers führte. Insbesondere die Algen haben sich daraufhin so explosiv vermehrt, dass der Sauerstoff in den Tiefen des Sees nicht für deren Abbau reichte. Die Folge: Badegäste fanden keine algenfreien Flächen mehr, Motorboote blieben in den Algenmatten stecken – und die Eier der Felchen konnten sich nicht mehr entwickeln. Zwei dieser fünf nur im Bodensee lebenden Fischarten starben daraufhin aus.

Neustart in den 80er Jahren

Massive Anstrengungen in den 80er Jahren versetzten den Bodensee schließlich in einen gesünderen Zustand zurück. Aber würde sich die Artenvielfalt des Sees auch wieder erholen? Das haben Biologen der Universitäten Konstanz und Glasgow am Beispiel des Gangfisches – einer Felchenart – untersucht. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher nun im Fachjournal „Nature Ecology and Evolution“.

Überraschenderweise zeigten dabei äußere und genetische Merkmale des Gangfisches, dass diese Art nach der Erholung des Bodensees eine ungewöhnliche und schnelle Diversifizierung erfahren hat, also schon bald eine große Vielfalt innerhalb der eigenen Art zeigte. So konnte sich die Art beispielsweise eine breite ökologische Nische erschließen, weil sie in weniger als zehn Generationen eine große Vielfalt an Kiemenreusendornen entwickelt hatte. Mit diesen Dornen filtern die Fische Nahrung aus dem Wasser.

Diversität durch Hybridisierung

Als Ursache dafür, dass sich die Gangfische so schnell genetisch diversifizieren konnten, vermuten die Biologen Hybridisierungen – also Paarungen mit anderen Arten – in der Zeit der Eutrophierung. Zwar paaren sich die Hybridnachkommen meist wieder mit der zahlenmäßig dominanten Elternart, weshalb die Hybridisierung nur in Ausnahmefällen zu neuen Arten führt. Doch kann auf diese Weise der Genpool einer Art aufgefrischt werden, wodurch deren Fähigkeit, sich an eine veränderte Umwelt anzupassen, verbessert wurde.

Die Vielfalt einzelner Bewohner eines Lebensraumes könne sich somit nach dessen Wiederherstellung relativ schnell erholen, resümieren die Forscher. Wie sehr das gelingen kann, hänge aber von der genetischen Architektur, dem ökologischen Kontext und der Evolutionsgeschichte ab. Die Konstanzer Biologin Jasminca Behrmann-Godel, die die Studie geleitet hat, betont zudem: „Diese neue Vielfalt an Gangfischen ist eine Variation innerhalb einer Art und ersetzt nicht den Verlust des Artenreichtums durch Eutrophierung.“

bl

Facettenreich und beständig

Granit ist ein Naturstein mit einer Menge verschiedener Facetten und mindestens genau so vielen Vorteilen. Er entsteht durch das Erstarren von Magma unter der Erdkruste und ist besonders reich an Quarz, Feldspaten und dunklen Materialien wie zum Beispiel Glimmer. Aufgrund seiner hohen Festigkeit und Härte ist Granit als Werkstoff für Küche, Bad und auch im Außenbereich sehr beliebt.

Vom Abfall zum Rohstoff

Ein bayerisches Famlienunternehmen entwickelte nun einen Herstellungsprozess, mit dem Granit wie Keramik dreidimensional geformt werden kann. Zunächst werden die Granitabfälle aus dem Steinbruch zerkleinert und gemahlen. Anschließend vermischt man sie Wasser, das zuvor mit Hefekulturen versetzt wurde. In einem mehrtägigen speziellen Fermentationsverfahren, dem sog. Maukprozess, verwachsen die Hefekulturen mit dem Granitmehl und binden dieses. Es entsteht eine Masse, die sich ähnlich wie Ton formen und verarbeiten lässt.

Die geformten Teile werden dann unter großem Druck in hydraulischen Pressen verfestigt und zwei Wochen getrocknet. Anschließend werden die Quarzpartikel bei einer Temperatur von 1.300 Grad versintert. Dabei verbrennen die Hefekulturen, übrig bleibt Granicium, ein Material mit ähnlichen Qualitäten wie das Naturgestein. Granicium ist extrem dauerhaft, temperaturbeständig und lebensmittelecht.

Marktreife

DENK Keramische Werkstätten fertigt nicht nur Mörser sondern auch diverse andere In- und Outdoorprodukte wie Feuerschalen, Tischplatten, Vogeltränken und Waschbecken aus Granicium.

Inspiriert vom Fahrzeugbau

Nagellack in seiner heutigen Form ist deutlich jünger. Erst in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts kam er, inspiriert durch die Erfindung des Automobillacks, in Mode. Tatsächlich benutzte man anfangs einfach den gleichen Lack für Auto und Nägel. Inzwischen hat sich einiges getan. Die Anforderungen sind gestiegen. Nagellacke sollen nicht nur schön aussehen, sie sollen auch pflegen.

Schön, bunt und gesund

Neueste Innovation ist ein Nagellack aus Spinnenseiden-Proteinen. Im Gegensatz zu zu herkömmlichen Nagellacken, die den Nagel so stark abdichten, dass kein Sauerstoff durchkommt, bilden die biotechnologisch hergestellten Seidenproteine einen atmungsaktiven Schutzfilm, der sowohl wasser- als auch sauerstoffdurchlässig ist. Die Sauerstoffdurchlässigkeit schützt nicht nur vor der Bildung von Schadstoffen sondern verhindert auch, dass sich die Nägel verfärben. Die Wasserdurchlässigkeit verbessert den Allgemeinzustand der Nägel.

Zusätzlich zu den Spinnenseiden-Proteinen enthält der Nagellack den Mikroalgenwirkstoff Spiralin. Spiralin wirkt keimhemmend, antiviral und zellregenerierend. Laut Herstellerangaben ist der neuartige Nagellack aufgrund seiner besonderen Inhaltsstoffe selbst für empfindliche und brüchige Nägel geeignet.

Marktreife

Das Produkt wird unter dem Namen "Skinicer Oxyperm" vermarktet.

Inspired by car construction

Nail polish in its present form is significantly more recent. Only in the 20's of the last century it became fashionable, inspired by the invention of the automobile lacquer. In fact, in the beginning, the same paint was simply used for cars and nails. A lot has changed in the meantime. The demands have increased. Nail varnishes should not only look beautiful, they should also keep the nails healthy.

Beautiful, colourful and healthy

The latest innovation is a nail polish made of spider silk proteins. In contrast to conventional nail varnishes, which seal the nail so tightly that no oxygen can pass through, biotechnologically produced silk proteins form a breathable protective film that is permeable to both water and oxygen. The oxygen permeability not only protects against the formation of harmful substances but also prevents the nails from discolouring. Water permeability improves the general condition of the nails.

In addition to the spider silk proteins, the nail polish contains Spiralin, the active ingredient from micro-algae. Spiralin has an antibacterial, antiviral and cell regenerating effect. According to the manufacturer, the novel nail varnish is suitable even for sensitive and fragile nails due to its special ingredients.

Ready for the market

The product is marketed under the name "Skinicer Oxyperm".

Für die Herstellung von Medikamenten, Kosmetik oder Lebensmitteln werden noch immer enorme Mengen Erdöl verbraucht. Dieser fossile Rohstoff ist jedoch nicht nur endlich, sondern in seiner Verarbeitung auch extrem umweltschädlich. Deshalb arbeiten etliche Chemiker, Verfahrenstechniker und Ingenieure daran, die Herstellung mittels Enzymen und biobasierten Verfahren umweltschonender zu gestalten. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun eine wichtige Hürde auf dem Weg dorthin genommen: Sie entwickelten ein neues Biomaterial, das den Einsatz von Enzymen stark vereinfacht und deren Effizienz steigert.

Hydrogelrillen werden zum Biokatalysator

Wie die Materialforscher im Fachblatt „Angewandte Chemie“ berichten, bietet ihr neues Biomaterial eine energiesparende Alternative zu herkömmlichen Katalysatoren, die in nahezu allen chemischen Prozessen zum Einsatz kommen. Im Detail haben die Wissenschaftler natürliche Enzyme so verändert, dass sie sich von selbst zu einem stabilen Biokatalysator zusammenfügen. Dieses gelartige Material wird auf Kunststoffchips mit rillenförmigen Vertiefungen aufgebracht. Trocknet das Material, entsteht ein Hydrogel. Der gelbedeckte Chip wird dann mit einer Kunststofffolie abgedeckt, so dass kleine, röhrenartige Hohlräume entstehen, durch die die Ausgangsstoffe gepumpt werden können. Das Hydrogel in den Röhren fungiert nun als Biokatalysator und wandelt die Ausgangsstoffe zu den gewünschten Endprodukten um, während das Biokatalysatorgel zurückbleibt. Der Clou: Bei dieser Reaktion werden keine Lösungsmittel benötigt, und auch hohe Temperaturen oder Druck sind nicht erforderlich. Dadurch wird der Prozess umweltfreundlich und nachhaltig.

„Langfristig erhoffen wir uns, dass solche biokatalytischen Materialien in automatisierten Verfahren eingesetzt werden, um ohne aufwendige Synthese- und Reinigungsschritte und mit möglichst wenig Abfallstoffen wertvolle Ausgangsverbindungen zu produzieren“, so Christof Niemeyer, Professor am KIT-Lehrstuhl für Biologische Grenzflächen.

Biokatalysator verhindert unerwünschte Spiegelbilder

Das Besondere: Da in den Röhren auf kleinstem Raum sehr viel Reaktionsfläche vorhanden ist, sind die Umsatzraten der Biokatalysatoren sehr hoch. Zugleich ist die Methode platzsparend, da das neue Material direkt auf den Chips haftet. Zudem lässt sich das Hydrogel vollständig recyceln und ist biologisch abbaubar. Ein weiterer Vorteil: Für viele chemische Verbindungen gibt es Enantiomere, also Verbindungen, die wie ein Spiegelbild zur eigentlichen Verbindung stehen. Doch diese Spiegelbilder haben oft keine oder unerwünschte Wirkungen, so dass sie bei herkömmlichen chemischen Prozessen häufig mittels teurer Trennungsverfahren abgeschieden werden müssen. Mithilfe der Biokatalysatoren lässt sich hingegen gezielt nur die erwünschte Variante herstellen.

Die Arbeit entstand im Rahmen des Helmholtz-Programms „BioInterfaces in Technology and Medicine“ (BIFTM). Hier arbeiten Wissenschaftler des KIT interdisziplinär an der Erforschung und Nutzung biologischer Systeme, um sie in der industriellen und medizinischen Biotechnologie anzuwenden.

jmr

Large quantities of fossil fuels are still used for the production of medicines, cosmetics or even food. However, such fossil-based raw material is not only finite, but also extremely harmful to the environment. That is why a number of chemists, process engineers and engineers are working towards a more environmentally friendly production by using enzymes and biobased processes. Researchers at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) have now taken an important hurdle on the way to this goal: They have developed a new biomaterial that greatly simplifies the use of enzymes and increases their efficiency.

Hydrogel grooves become biocatalysts

As the researchers report in the journal "Angewandte Chemie", their new biomaterial offers an energy-saving alternative to conventional catalysts, which are used for almost all chemical processes. In detail, the scientists have modified natural enzymes in such a way that they automatically combine to form a stable biocatalyst. This gel-like material is applied to plastic chips with groove-shaped indentations. When the material dries, a hydrogel is formed. On top of the gel-covered chip, a plastic foil is places so that small, tube-like cavities are created through which the source materials can be pumped. The hydrogel in the tubes now functions as a biocatalyst and converts these materials into the desired end products, while the biocatalyst gel remains. The key is that this reaction does not require any solvents, nor does it require high temperatures or pressure. This makes the process environmentally friendly and sustainable.

"In the long term, such biocatalytic materials are to be used in automatic production of value-added basic compounds without complex synthesis and cleaning steps and with a minimum amount of waste arising," says Christof Niemeyer, Professor the KIT's Institute for Biological Interfaces.

Biocatalyst prevents unwanted mirror images

The key: Since there is a lot of space for chemical reactions in the tubes, which themselves are fairly small, the conversion rates and thus the efficiency of the biocatalysts are very high. At the same time, the method saves space because the new material adheres directly to the chips. In addition, the hydrogel can be completely recycled and is biodegradable. Another advantage is that many chemical compounds have enantiomers, i.e. compounds that are a mirror image to the actual compound. However, these mirror images often have no or undesired effects. Thus, they often have to be separated out during conventional chemical processes via expensive separation processes. Biocatalysts, on the other hand, can be directed to only produce the desired compound structure.

This work was carried out as part of the Helmholtz programme "BioInterfaces in Technology and Medicine" (BIFTM). KIT scientists are working on the interdisciplinary research and use of biological systems in order to apply them in industrial and medical biotechnology.

jmr

Die Vielfalt der globalen Vegetation ist beeindruckend. Etwa 390.000 Pflanzenarten sind bekannt. Im Laufe der Evolution haben Gewächse, Sträucher oder Bäume ganz unterschiedliche Eigenschaften entwickelt, um sich gegen benachbarte Pflanzen durchzusetzen und in der jeweiligen Umgebung zu überleben. Zugleich wachsen Pflanzen nicht in Isolation, sondern kommen immer in Kombination mit anderen Pflanzen- und Tierarten vor.

Wo und wann welche Pflanze wächst und warum ausgerechnet dort  – solche Fragen waren bislang nur schwer zu beantworten. Denn zumeist wurde das Zusammenspiel der Komponenten nur an einzelnen Pflanzenarten untersucht. Mithilfe der ersten globalen Vegetationsdatenbank hoffen Forscher nun, auf diese und andere Fragen Antworten zu finden. Entwickelt und aufgebaut wurde die Datenbank von einem Forscherteam unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig.

Umfangreiche Pflanzenartenlisten für alle Ökosysteme

Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Nature Ecology & Evolution“ berichten, enthält die Datenbank derzeit über 1,1 Millionen komplette Pflanzenartenlisten für alle Ökosysteme auf dem Festland. Sie stammen von Forschern aus aller Welt und wurden von Wissenschaftlern der iDiv-Initiative „sPlot“ zusammengebracht. „Jeder Punkt in unserer Datenbank ist ein realer Ort mit genauen Koordinaten und Angaben über alle Pflanzenarten, die dort zusammenleben", erklärt Helge Bruelheide vom Institut für Geobotanik der MLU und Ko-Direktor von iDiv. Die Vegetationsdatenbank bietet anhand globaler Daten erstmals die Möglichkeit nachzuvollziehen, wie einzelne Pflanzen und deren Eigenschaften zusammenwirken und das Ökosystem beeinflussen. Sie umfasst derzeit etwa 200.000 Vegetationsaufnahmen, die aus veröffentlichten und unveröffentlichten Vegetationsstudien stammen.

Klima kaum Einfluss auf Pflanzenmerkmale

Der Clou: Die Vegetationsdatenbank wurde gleichzeitig mit der bisher weltweit größten Datenbank für Pflanzenmerkmale kombiniert, die ebenfalls vom iDiv entwickelt wurde. „Dadurch können wir Fragen klären, die bislang noch niemand stellen konnte", so Bruelheide. Im Rahmen der Studie hatte das Team beispielsweise untersucht, ob es globale Faktoren gibt, die die funktionellen Merkmale von Pflanzengemeinschaften beeinflussen. Mithilfe der Datenbanken stellten sie fest, dass – anders als bisher angenommen – Temperatur und Niederschlag nur einen relativ geringen Einfluss darauf haben. „Unsere Analyse zeigte, dass zum Beispiel die Blätter aller Pflanzen in einem Bestand mit steigender Temperatur, also von der Arktis zum tropischen Regenwald, nicht automatisch dünner werden", erklärt der Geobotaniker.

Nährstoffversorgung durch Klima beinflusst

Stattdessen zeichnete sich eine enge Beziehung der Klimavariablen mit dem Zustand der Phosphorversorgung im Blatt ab, die sich im Verhältnis der beiden Nährstoffe Stickstoff und Phosphor widerspiegelt. Der Studie zufolge nahm die Phosphorversorgung ab, je länger die Vegetationsperiode dauerte, was wiederum die Blattdicke beeinflusst hat. Auch die lokalen Nutzungsbedingungen oder das Zusammenspiel der verschiedenen Pflanzen an einem Ort haben demnach einen deutlich größeren Einfluss auf die Pflanzenmerkmale als Temperatur und Niederschlag.

Bessere Vorhersagen zu Klimafolgen möglich

Einfache Temperatur-Niederschlags-Modelle reichen Bruelheide zufolge daher künftig nicht mehr aus, um das Wachstum und den Ernteertrag von Pflanzen in einer Region berechnen zu können. Die Forscher hoffen, dass mithilfe der Vegetationsdatenbank die Folgen des globalen Klimawandels besser vorherzusagen sind.

Basierend auf der neuen Datenbank können aber auch Fragen zur Artenvielfalt erstmals global bearbeitet werden, beispielsweise zur Verbreitung gebietsfremder Arten oder bezüglich der Gemeinsamkeiten und Unterschiede auf den Erdteilen. In Zukunft soll die Datenbank auch anderen Forschern zur Bearbeitung ihrer eigenen Themen zur Verfügung stehen.

bb

Die Landwirtschaft soll effizienter werden und hohe Ernteerträge einbringen. Mit Unkrautvernichtern und Pestiziden wird daher versucht, Wildwuchs und gefräßige Insekten zu bekämpfen. Die Folgen für die Natur sind schon heute sichtbar. Die Zahl der nützlichen Insekten, die beispielsweise Blattläuse fressen oder Pflanzen bestäuben, ist deutlich zurückgegangen. Vielerorts denken Landwirte daher um und erschaffen Rückzugsgebiete für die in der Vergangenheit heimatlos gewordenen Tier- und Pflanzenarten: Am Rande der Felder locken immer öfter farbenprächtige Blühstreifen gezielt die Nützlinge an.

Auf die richtige Pflanzenmischung kommt es an

Damit diese Blühstreifen die gewünschte Wirkung haben, kommt es auf die richtige Mischung an. Deshalb hat das Institut für Gartenbauliche Produktionssysteme – Abteilung Phytomedizin (IPP) der Leibniz Universität Hannover mit der Firma Appels Wilde Samen in Darmstadt eine entsprechende Saatgutmischung zusammengestellt, die nun zum Kauf angeboten wird. Das Forschungsprojekt wurde mit knapp 125.000 Euro von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese kleinen Oasen nicht nur zum Artenschutz beitragen, sondern auch aktiven Pflanzenschutz im Anbau ermöglichen. Damit wird das Anlegen solcher Flächen noch attraktiver für Landwirte“, resümiert Rainer Meyhöfer vom IPP.

Mischung bietet Nahrung und Schutz für Nützlinge

In dem DBU-Projekt konnte nun anhand von Rosenkohl gezeigt werden, dass eine mit Bedacht zusammengesetzte Saatgutmischung für Blühstreifen die angebauten Kulturpflanzen aktiv vor Schädlingen schützt, so DBU-Generalsekretär Alexander Bonde. Zu diesem Zweck musste die Pflanzenmischung den Nützlingen sowohl ausreichend Nahrung als auch Schutz bieten. „Gibt es beispielsweise mit Marienkäfern oder Schwebfliegen viele natürliche Feinde von Blattläusen und anderen landwirtschaftlichen Schädlingen, fressen entsprechend weniger unliebsame Insekten die angebauten Pflanzen“, erläutert Meyhöfer. Zugleich sollten die Mischungen aber beispielsweise Schadschmetterlinge fernhalten. Diese verschiedenen Aspekte der Zusammenstellung von Blühstreifen wurden im Rahmen dieses Projektes erstmals detailliert untersucht.

Mehr Artenschutz, weniger Pflanzenschutzmittel

„Wichtig ist, dass auch die entwickelte Saatgutmischung verschiedenen Tier- und Pflanzenarten einen Lebensraum bietet. Somit hilft sie nicht nur beim aktiven Pflanzenschutz, sondern stärkt generell den Artenschutz“, so DBU-Referent Holger Wurl. Dadurch bedarf es langfristig weniger Pflanzenschutzmittel, wodurch die Umwelt zusätzlich entlastet würde. In Zukunft wollen die Projektpartner weitere Blühstreifenmischungen entwickeln, um auch andere Anbauprodukte aktiv schützen zu können.

jmr