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Laut Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft (BDBe) ist die Produktion von zertifiziert nachhaltigem Bioethanol für Kraftstoffanwendungen in Deutschland 2016 mit 738.169 Tonnen nahezu konstant hoch geblieben. Der Verbrauch stieg leicht um 0,2 Prozent auf rund 1,2 Mio. Tonnen. Dies zeigen die Marktdaten für 2016, die der BDBe kürzlich veröffentlichte.

738.169 Tonnen Bioethanol wurden 2016 in Deutschland hergestellt. Davon 12.310 Tonnen aus sonstigen Stoffen, wie zum Beispiel Resten und Abfällen aus der Lebensmittelindustrie. Das ist die größte Menge seit dem Jahr 2009 in diesem Segment.

Zusätzlich zu Bioethanol werden aus den übrigen pflanzlichen Inhaltsstoffen wie Proteinen, Ballaststoffen, Mineralien und Vitaminen hochwertige Co-Produkte gewonnen: Eiweißfuttermittel aus Getreide, Kraftfutter aus Industrierüben und sonstige Produkte für die Lebens- und Futtermittelindustrie wie beispielsweise Hefe, Gluten oder biogene Kohlensäure.

Der BDBe geht davon aus, dass sich die hohe CO₂-Minderung von Bioethanol positiv auf den Einsatz als Beimischung auswirken wird. Bioethanol minderte den CO₂-Ausstoß gegenüber dem fossilen Referenzwert im Jahr 2016 um 70%. Mit weiteren Effizienzsteigerungen wird gerechnet.

Pflanzen haben im Laufe der Evolution verschiedene Taktiken entwickelt, um sich vor Fressfeinden zu schützen. Mit Dornen, scharfkantigen Blättern oder Gift verteidigen sie sich im Stillen gegen die Angreifer. Fast ein Drittel aller Landpflanzen haben sich dafür kleine Drüsenhaare auf der Blatt- oder Stengeloberfläche zugelegt, die wirksame Abwehrstoffe produzieren und so Fraßfeinde wie Insekten vertreiben. Die sogenannten glandulären Trichome sind hocheffiziente pflanzliche Wirkstofffabriken.

Energie- und Stoffwechselflüsse geklärt

Woher die Drüsenhaare für die Synthese der Inhaltsstoffe Energie und Kohlenstoff beziehen war bisher unklar. Forscher am Hallenser Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie haben die Quelle nun aufgespürt. Wie das Team im Fachjournal „Plant Cell“ berichtet, konnte es konkret die Energie- und Stoffwechselflüsse innerhalb der glandulären Trichome von Tomatenpflanzen nachverfolgen. Das Wissen um den trichomalen Stoffwechsel ist eine wichtige Voraussetzung für die Züchtung neuer resistenter Kultursorten, ist aber auch für die biotechnologische Herstellung wichtiger Pflanzenstoffe in Bakterien und Hefen bedeutsam.

Im Rahmen der Studie untersuchten die Hallenser sowohl Wildtomaten als auch deren kultivierten Verwandten. Dafür verglichen sie die Drüsenhaare der Tomate zunächst mit normalen haarlosen Blättern und untersuchten jeweils deren aktivierten Gene, als auch die vorhandenen Proteine, vor allem die dafür benötigten Stoffwechselenzyme sowie die produzierten Substanzen.

Erdölbasierte Farben, Lacke, Kunststoffe oder Benzin durch neue biobasierte Komponenten zu ersetzen, gehört zu den wichtigsten Aufgaben unsere Zeit. Vielversprechende Ansätze gibt es durchaus. So haben Orangenschalen oder Algen durchaus das Potenzial für neue Biokunststoffe, ohne in Konkurrenz zur Lebensmittelindustrie zu stehen wie es etwa beim Mais der Fall ist. Auch Hanf und Schilfgras könnten sich als Basis für neue Biokunststoffe als auch Biomasse zur Energiegewinnung eignen. Diese Optionen will ein europäischer Verbund aus Universitäten, Agrarunternehmen und Industrie in den kommenden Jahren ausloten.

Anbau neuer robuste Sorten

Das Projekt “Growing Advanced industrial Crops on Marginal Lands for Biorefineries (GRACE)” wird bis 2022 von der Europäischen Union sowie Partnern aus der Industrie mit insgesamt 15 Mio. Euro gefördert und von der Universität Hohenheim in Stuttgart geleitet. Im Fokus steht dabei auch der Anbau neu gezüchteter, robusterer Sorten wie das aus China stammende Schilfgras Miscanthus. Der Vorteil: Einmal auf einem Feld gebracht, wächst die Pflanze jahrzehntelang und bietet dabei einen hohen Flächenertrag. Die bis zu drei Meter hohe, genügsame und vergleichsweise robuste Pflanze kann daher sowohl als Biomasse zur Energiegewinnung dienen, als auch den Ausgangsstoff für neue biobasierte Produkte wie Biokunststoffe liefern.

Chinagras auf Europas Äckern

Im Vorfeld des Projektes wurden dafür neue Miscanthus-Sorten entwickelt, die sich erstmals über Samen vermehren lassen. Von jedem Züchtungsprogramm werden im Projekt jeweils sieben der neuen Sorten an insgesamt 21 Standorten in Europa getestet. Dabei wird auch der Anbau auf schwermetallbelasteten Böden wie neben dem Rollfeld eines Flughafens oder ehemaligen Schwerindustriegeländen erprobt.

Nachhaltige Wertschöpfungskette

Am Beispiel des Schilfgrases zeigen die Hohenheimer Forscher bereits wie eine lückenlose und nachhaltige Wertschöpfungskette von der Biomasse zum Produkt möglich ist. So kann aus dem Miscanthus-Stroh Zucker gewonnen und daraus eine der wichtigsten Basischemikalien für die Kunststoffherstellung, der Stoff Hydroxymethylfurfural produziert werden. HMF wird beispielsweise zur Herstellung von Plastikflaschen und Nylonstrümpfen verwendet. Aus Lignin, das der Pflanze als Stützmaterial dient, entsteht dann mit Phenol, ein weiterer für die Kunststoffherstellung wichtiger Zwischenstoff. Die Reste vom Gras können wiederum in der Hauseigenen Biogasanlage der Uni Hohenheim verarbeitet und anschließend als Dünger aufs Feld gebracht werden.

Trotz allem sind biobasierte Produkte noch eine Seltenheit. Daher will das EU-Projekt „GRACE“ etwaige Hürden abbauen und die Kooperation zwischen Biomasse-Produzenten und weiterverarbeitenden Unternehmen in Europa fördern sowie lückenlose Wertschöpfungsketten wie beim Schilfgras aufzuzeigen. Zugleich gilt es den Biomasseanbau attraktiver zu machen. Hier setzen die Forscher neben dem Anbau neuer Sorten auch auf innovative Anbaumethoden sowie die Erschließung bislang ungenutzter Flächen.

Ökobilanz und Vernetzung der Akteure

Im Blick der Forscher steht daher auch die Ökobilanz der Wertschöpfungskette. Wie schneidet jede Wertschöpfungskette im Vergleich zur konventionellen Kette ab? Ist die Biomasse wirklich ökologisch nachhaltiger als die fossile Alternative? Das sind nur einige der Fragen, die beantwortet werden sollen. Dabei gilt es auch positive und negative Auswirkungen des Bioökonomie-Ausbaus darzustellen. Neben der Erforschung neuer Optionen der Biomassenutzung sind die Vernetzung der Akteure sowie schnelle Weg neuer Erkenntnisse in die Praxis Kernanliegen von „GRACE“.

Schnecken, Muscheln, Korallen, Käfer, Würmer oder Insekten gehören zu den wirbellosen Tieren. 1,2 Millionen Arten sind bisher bekannt. Obwohl im Tierreich der Anteil der Wirbellosen mit 95 Prozent klar dominiert, ist über die Genome dieser großen Gruppe relativ wenig bekannt. Diese Wissenslücke will nun ein internationales Forscherkonsortium im neuen EU-Doktorandennetzwerks “Comparative genomics of non-model invertebrates” (“IGNITE”) schließen. Das Projekt wird von der Europäischen Kommission innerhalb des Rahmenprogramms Horizon 2020 mit insgesamt 3,81 Mio. Euro für vier Jahre gefördert und von Gert Wörheide vom Department für Geo- und Umweltwissenschaften und GeoBio-Center der Ludwig-Maximilians-Universität München koordiniert.

Wichtige Rolle im Ökosystem

Viele dieser wirbellosen Tiere sind für das Ökosystem von entscheidender Bedeutung. So wie Bienen für die Bestäubung der Blüten sorgen, dienen Würmer beispielsweise Vögeln als Nahrung. Würmer produzieren aber auch bioaktive Stoffe und sind wegen ihres hohen Proteingehalts für die Ernährung von Mensch und Tier interessant. Gleichfalls sind sie für die biomedizinische Forschung aber auch für die Industrie seit langem ein Vorbild für die Entwicklung neuer Wirkstoffe oder biobasierter Materialien.

Einblick ins Genom

Die zahlreichen Talente der wirbellosen Tiere werden nicht zuletzt durch ihr Genom geprägt. Das Wissen um den genetischen Code dieser Lebewesen könnte somit helfen, ihr ökonomisch und ökologisches Potenzial noch mehr zum Tragen bringen. Gleichzeitig ermöglicht der Vergleich ihrer Genome einen Einblick in die Evolution der Tiere. „Sowohl um die Stammesgeschichte der wirbellosen Tiere aufzuklären, als auch um ihre ökologische und sozio-ökonomische Bedeutung einzuschätzen, brauchen wir mehr Einblick in die Zusammensetzung und Struktur ihrer Genome“, betont Wörheide.

Wirbellose erfassen und analysieren

Im Rahmen des EU-Projekt wollen die Wissenschaftler daher sowohl neue Daten erheben, als auch neue innovative Analysemethoden entwickeln. Die Münchner Doktoranden werden dabei konkret die Phylogenomik der Schwämme beziehungsweise deren Symbiose mit Mikroben erforschen. An dem Projekt „IGNITE“ sind neben der LMU 14 weitere Institutionen und Biotech-Firmen sowie fünf Partnerorganisationen beteiligt.

Raps als Rohstoff für Biosprit, Spinnen als Vorbild für neue biobasierte Materialien oder Mikroben als Abwasserreiniger: Pflanzen, Tiere oder Mikrorganismen sind die Hauptakteure auf dem Weg zu einer biobasierten Wirtschaft, die Umwelt und Ressourcen schont. Das Bewusstsein dafür wächst, aber langsam. „Während Unternehmen auf diesem Feld agieren, ist das Thema in der Gesellschaft noch nicht angekommen“, betont Ulrich Witte von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU). Mit 260.000 Euro unterstützt der DBU in der Region Weser-Ems ein Umweltbildungsprojekt, um schon die junge Generation für die Bioökonomie zu gewinnen.

Bioökonomie soll Schule machen

Die Projektpartner, die Universität Vechta und das 3N Kompetenzzentrum in Werlte, wollen mit Bildungsveranstaltungen den offenen Dialog zwischen Verbrauchern und Wirtschaft ankurbeln. „Schülerinnen und Schüler ab Klassenstufe neun und zehn sowie Erwachsene sollen dabei fachlich fundiert informiert und in die Lage versetzt werden, auch Kontroversen und Zielkonflikte hinsichtlich einer biobasierten Wirtschaft zu erörtern und das gesamte Thema kritisch zu reflektieren“, erklärt Martina Flath vom Kompetenzzentrum Regionales Lernen der Universität Vechta.

Unternehmen als "Lernorte der Bioökonomie"

Neben dem Erarbeiten eines Bildungskonzeptes, der Entwicklung verschiedener Bildungsmodule und dem Aufbau eines „Bildungsnetzwerkes Bioökonomie“ sollen fünf sogenannte Bioökonomie-Lernorte an Pionier-Unternehmen in der Region Weser-Ems entstehen. Hier sollen Schülerinnen und Schüler an konkreten Beispielen aus der Praxis erfahren, was Bioökonomie schon heute kann. „Gleichzeitig entsteht ein überregionales Lernangebot zur Bioökonomie. Dazu sollen die Informationsangebote im ‚Klimacenter‘ in Werlte durch verschiedene Lernstationen mit interaktiven Aktionen, Experimenten und Exponaten für die Gruppenarbeit von Schulklassen ergänzt werden“, erläuterte Marie-Luise Rottmann-Meyer vom 3N Kompetenzzentrum.

Ethischer Diskurs einbezogen

Ein weiteres Ziel: Im Projekt entwickelte Bildungsmodule sollen anschließend umfassend evaluiert und sowohl in die Lehramtsausbildung der Universität als auch in die außerschulische Bildungsarbeit des Kooperationspartners dauerhaft integriert werden. Witte zufolge soll auch ein ethischer Diskurs zur Bioökonomie geführt werden, der vor Euphorie und übereiltem Tempo warne.

Biodiesel wird in Europa größtenteils aus Raps hergestellt. Der Kraftstoff besteht chemisch aus langkettigen Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Er hat einen höheren Siedepunkt als mineralölbasierter Diesel. Dadurch verdampft Biodiesel in herkömmlichen Motoren bislang nur unvollständig und die Rückstände lagern sich an Einspritzpumpen, Dichtungen und Schläuchen ab. Damit ist Biodiesel als alleiniger Kraftstoff bislang ungeeignet. Dennoch ist er für die Industrie von großer Bedeutung, da gemäß EU-Vorgaben zur Senkung der Treibhausgas-Emissionen derzeit 7%, ab dem Jahr 2020 10% Biokraftstoffe, beigemischt werden müssen.

Zu 100% biobasierter Kraftstoff für Dieselmotoren

Forscher des Sonderforschungsbereichs „3MET“ der Technischen Universität Kaiserslautern und dem Exzellenzcluster „RESOLV“ der Universität Bochum haben Biodiesel in einem besonderen Verfahren aufbereitet. „Wir überführen ein Gemisch aus Pflanzenfettestern und Bioethylen fast ohne Energiezufuhr in einen Kraftstoff, der dann unverdünnt in modernen Dieselmotoren verbrannt werden kann“, so Lukas Gooßen, Inhaber einer Stiftungsprofessur für Organische Chemie an der Uni Bochum. Das Team berichtet im Fachjournal "Science Advances" über das neue Verfahren.

Mit Simulation zum verbesserten Verfahren

Bei dem Prozess werden zwei katalytische Verfahren miteinander kombiniert. Entsprechend der Ergebnisse mathematischer Simulationen von Mathias Baader an der TU Kaiserslautern werden die langkettigen Kohlenwasserstoffe des Biodiesels chemisch zu kürzeren Ketten umgewandelt. Dadurch werden die Zünd- und Verbrennungseigenschaften des Gemischs gezielt den Normen für mineralölbasierten Diesel angepasst.

Praxistest erfolgreich bestanden

Silvia Berndt hat an der Universität Rostock nachgewiesen, dass das neue Gemisch die strikte Norm für Moderne Dieselmotoren erfüllt. Dem Chemiker Kai Pfister gelang es, ein Modellauto mit dem neuen Biodiesel zu bewegen. . Das Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt und die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert.

Die Entdeckung der CRISPR-Cas-Genschere hat die Molekularbiologe in den letzten fünf Jahren revolutioniert. Die neue Methode bietet völlig neue Möglichkeiten der Bearbeitung von Erbinformation mit relativ geringem technischen wie zeitlichen Aufwand. Basierend auf dieser Technik haben Forscher unter der Leitung von Andreas Houben vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und Holger Puchta vom Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie nun eine Methode zur Visualisierung definierter DNA-Abschnitte in lebenden Pflanzenzellen entwickelt. Dadurch konnten sie erstmals dynamische Bewegungen der Chromosomenenden sichtbar machen. Die Ergebnisse hat das Team in der Fachzeitschrift "The Plant Journal" veröffentlicht.

Visualisierung verschiedenere Genorte

„Anhand der Weiterentwicklung des CRISPR-Cas-Systems für die Bildgebung bei Pflanzenzellen kann unser Team nachweisen, dass das Potenzial dieser Technologie weit über das kontrollierte Auslösen von Mutationen hinausreicht“, sagt Steven Dreissig vom IPK. „In den Zellen der Pflanze Nicotiana benthamiana, eine nahe australische Verwandte des Tabaks, demonstrieren die Molekularbiologen ein Verfahren, mit dem sich wiederholende Sequenzabschnitte der Chromosomenenden, die sogenannten Telomere, sichtbar gemacht werden können. Doch nach diesem Prinzip lassen sich auch andere Orte des Genoms visualiseren.

Organisation spiegelt Funktionsweise wider

Mit der neuen Methode kann die raum-zeitliche Organisation von DNA-Abschnitten im Zellkern analysiert werden. Das Verständnis dieser Organisation wiederum trägt wesentlich dazu bei, die Funktionsweise von pflanzlichen Genomen besser zu verstehen. Vor allem für die Aufrechterhaltung und Regulierung wichtiger zellulärer Funktionen, wie die Expression von Genen oder die Reparatur von DNA ist diese raum-zeitliche Organisation von DNA-Abschnitten von großer Bedeutung. Ein genaues Verständnis der Organisation von DNA im Zellkern ist daher unerlässlich für die Aufklärung der Regulation von Genen während der Entwicklung von Organismen.

DNA und Proteine zusammen visualisieren

Die Forscher erreichen die Darstellung der Organisation, indem die Interaktionen zwischen verschiedenen Elementen des Genoms sichtbar gemacht werden. „Während Fluoreszenz-markierte Proteine des Zellkerns bereits in lebenden Pflanzenzellen visualisiert werden können, haben sich die Methoden zum Sichtbarmachen von definierten DNA-Abschnitten als technisch schwierig erwiesen“, erklärt Andreas Houben, Leiter der Arbeitsgruppe Chromosomenstruktur und -funktion am IPK. Der Karlsruher Molekularbiologe Holger Puchta ergänzt: „Darüber hinaus zeigen wir, dass das CRISPR-Cas-System mit fluoreszenzmarkierten Proteinen kombiniert werden kann, um das Zusammenwirken von DNA und Proteinen in lebenden Zellen zu verbildlichen“. Diese neue Entwicklung könnte zukünftig die Bildgebung in lebenden Pflanzen verbessern und es ermöglichen, einzelne Genorte zu visualisieren und somit leichter zu verändern.

jmr

Over the last five years the new CRISPR-Cas genome editing tool has revolutionized molecular biology. The new technique allows for completely new ways of genetic engineering with relatively little effort at all. Based on this method a team of researchers headed by Andreas Houben at the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben and Holger Puchta from the Botanical Institute of the Karlsruhe Institute of Technology developed a method to visualize defined genomic sequences in living plant cells. With this new technique they were able to visualise dynamic movements of chromosome ends.

Visualizing several gene loci

“By harnessing this system for live cell imaging in plants, our team shows the potential of this technology reaches far beyond the controlled induction of mutations”, explains Steven Dreissig from the IPK. “We demonstrate reliable imaging of telomere repeats located at the ends of the chromosome arms in living cells of Nicotiana benthamiana, a close Australian relative of tobacco, and pave the way for potential visualization of multiple genomic loci.” The researchers published their results in "The Plant Journal".

Organisation reflects function

This new method enables the analysis of the spatio-temporal organisation of the genome. In turn, understanding the organisation could hold the key to understanding how genome structure and function are intertwined. The spatial and temporal organization of genomes is especially important for maintaining and regulating important cell functions such as gene expression and DNA repair. Thus, elucidating the spatio-temporal organisation of the genome within the nucleus is imperative in order to understand how genes and non-coding DNA sequences are regulated during development.

Visualising DNA and proteins at once

Mapping the functional organization of the genome can be achieved by visualizing interactions between different genomic elements in living cells. “While fluorescence-tagged nuclear proteins can be readily imaged in living plant cells, in vivo visualization of defined DNA sequences turned out to be technically difficult”, explains Andreas Houben, head of the research group Chromosome Structure and Function of the IPK.” Holger Puchta, Director of the Botanical Institute in Karlsruhe adds: “Furthermore, we show that CRISPR-Cas can be combined with fluorescence-labelled proteins to investigate DNA-protein interactions in living cells.” This novel development enables scientists to visualise and thus manipulate distinct gene loci more easily in the near future.

jmr

Händehygiene ist das A und O in Krankenhäusern und Pflegeheimen, um Infektionen zu vermeiden. Doch nicht jedes Desinfektionsmittel darf in medizinischen Einrichtungen angewendet werden. Die Zulassung erfolgt erst nach aufwendigen Tests zur bakteriellen Wirkung durch den Verband für angewandte Hygiene e.V. (VAH) oder das Robert-Koch-Institut. Das Problem: Ob das Desinfektionsmittel tatsächlich Hände von Bakterien und Viren entfernt, ist damit nicht gesagt. Denn praxisnahe Tests an Probanden sind kosten- und zeitintensiv.

Desinfektionsmittel auf künstlicher Haut

Textilforscher der Hohenstein Institute haben gemeinsam mit dem Labor Dr. Merk & Kollegen GmbH hierfür eine neue Prüfmethodik auf Basis einer technischen Haut entwickelt. Die Kunsthaut besteht aus einem modifizierten Biopolymer und simuliert wichtige Eigenschaften biologischer Haut - so weist die Oberfläche des Materials eine hauttypische Felderstruktur auf und der pH-Wert liegt leicht im sauren Bereich, wie beim natürlichen Vorbild. Mit der Haut und dem entwickelten Verfahren kann die Wirkung neuer Händedesinfektionsmittel erstmals praxisnah ohne aufwendige Probandenversuche getestet werden. Das Prüfverfahren wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) realisiert.

Routierender Arm simuliert Einreiben

Hinzu kommt eine neue Prüfvorrichtung, die von Wissenschaftlern am Labor Dr. Merk & Kollegen GmbH entwickelt wurde. Die künstliche Haut mit dem Desinfektionsmittel wird hier in einen drehbar gelagerten Arm gespannt. Durch Rotation des Arms auf der Fläche und die Einstellung des Auflagedrucks können so Reibebewegungen simuliert werden, die dem Einreiben der Hände mit einem Desinfektionsmittel entsprechen.

Trinkwasser ist weltweit das Lebensmittel Nummer eins und unersetzlich. Rund 4,5 Milliarden Kubikmeter werden jährlich bundesweit verbraucht. Dabei stammen mehr als zwei Drittel aus dem Grundwasser. Doch wenn der Regen ausbleibt, fehlt es auch hierzulande mitunter bereits an ausreichend Nachschub. Im Projektes „AquaDiva“ untersuchen Forscher seit 2013, wie Klimawandel, intensive landwirtschaftliche Nutzung und Umweltverschmutzung auf das Grundwasser wirken. Nun ist die Arbeit für weitere vier Jahre gesichert. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das Vorhaben mit weiteren 9,5 Mio. Euro.

Grundwassersystem im Visier

In Sonderforschungsbereich (SFB) „AquaDiva“ arbeiten Wissenschaftlern der Uni Jena, das Max-Planck-Instituts für Biogeochemie (MPI-BGC), des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (IPHT) und des Helmholtz Zentrums für Umweltforschung (UFZ) zusammen. Der Name des Projektes ist dabei Programm. Im Fokus steht sowohl das Wasser als auch die Diversität. Dabei haben die Wissenschaftler vor allem die „kritische Zone“ im Blick. Dabei handelt es sich um den Bereich, der in der bodennahen Atmosphäre beginnt und sich bis zu den Grundwasserleitern erstreckt. „Dieser Lebensraum ist noch immer kaum erforscht“, erklärt die geschäftsführende Direktorin des MPI-BGC, Susan Trumbore. Sie macht deutlich, dass gerade die Wechselbeziehung dieses unterirdischen Lebens mit den physikalischen und geochemischen Bedingungen im Untergrund für die Wasser- und Stofftransporte und damit für die Qualität des Grundwassers eine entscheidende Rolle spielen.

Forschungssplattform zur Mess- und Probenentnahme

Im Rahmen der ersten Förderphase wurde daher ein Areal in Hainich in Thüringen zu einer Forschungsplattform– das Hainich Critical Zone Exploratory (CZE) mit hochmodernen Anlagen zur Messung und Probenentnahme eingerichtet. „Mit diesem ca. 25 Quadratkilometer großen Untersuchungsgebiet, das in weltweit einzigartiger Weise mit einer Vielzahl unterschiedlicher und neuartiger Mess- und Probenahmeeinrichtungen ausgestattet ist, haben wir die einmalige Möglichkeit, Wasser- und Stoffproben aus den unterirdischen Kompartimenten, den Böden und dem Grundwasser zu gewinnen und zu charakterisieren“, erklärt Uwe Totsche, Hydrologe der Universität Jena.

Extreme Wetterereignisse beeinflussen Parameter

Aus unterschiedlicher Tiefe und zu unterschiedlichen Zeiten wurden Wasserproben entnommen und mit Hilfe moderner Hochdurchsatzmethoden, wie hochauflösender Massenspektrometrie und DNA-Sequenzierung, analysiert. Auf diese Weise erhielten die Forscher chemische und biotische „Fingerabdrücke“ der einzelnen CZE-Messstationen. „Die ersten umfassenden Datensätze zeigen, dass sich die untersuchten Parameter von Messpunkt zu Messpunkt, im Jahresverlauf und nach extremen Wetterereignissen deutlich unterscheiden“, erklärt Kirsten Küsel, Direktorin des Instituts für Ökologie der Uni Jena.

Klimawandel verändert Grundwassersystem

In der zweiten Förderphase wollen die Forscher daher die Mechanismen klären, die zu den Standort-Unterschieden führen. Auch soll die Forschungsplattform nunmehr auch für andere Wissenschaftlern offen sein. Eines scheint aber jetzt schon klar: „Auch weisen die Daten daraufhin, dass die im Zuge des Klimawandels veränderten Niederschlagsbedingungen zu Veränderungen im Grundwassersystem führen“, betont der Jenaer Hydrologe Uwe Totsche.

Angeln ist eine Leidenschaft, die von Jung und Alt geteilt wird. Die Bedeutung der sogenannten Petrifischer für das Ökosystem wurde allerdings lange unterschätzt. Denn neben dem Fischfang wird gezielt für Nachschub an Karpfen und Co. gesorgt. Angelvereine sind hierzulande per Gesetz zur Hege und Pflege der Gewässer verpflichtet. Daher werden traditionell Fische ausgesetzt, um die Bestände zu erhalten. Kritiker halten dagegen, dass das Aussetzen von Fischen oft wirkungslos und zudem das Ökosystem durch Krankheitsausbrüche oder Verlust lokal angepasster Populationen Schaden nimmt. Im Projekt „Besatzfisch“ haben nun Forscher und Angler gemeinsam diese Maßnahme zur Bestandsicherung genauer hinterfragt. Sie wollten wissen, ob ihr Engagement nachhaltig ist.

Forscher holen Angler ins Boot

An dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über fünf Jahre geförderten sozial-ökonomischen Fischereiexperiments waren Forscher vom Berliner Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), der Humboldt-Universität zu Berlin (HU), sowie Biologiedidaktiker der Universität Tübingen sowie Anglervereinen aus Niedersachen beteiligt. Zentrale Frage war, ob und wie sich die eingesetzten Fische in ihrer neuen Umgebung einleben. Dafür wurden Karpfen und Hecht in 24 von Anglern bewirtschafteten Baggerseen ausgesetzt. Zusätzlich wurde eine von drei am Projekt beteiligten Anglergruppe von Sozialwissenschaftlern umweltpädagogisch begleitet und in Workshops zu Themen des nachhaltigen Fischereimanagements über Fischbesatz ausgebildet. Eine weitere Gruppe erhielt nur ein halbtägiges Seminar, wurde aber in Freilandexperimente der Forscher einbezogen.

Mitmachen fördert nachhaltiges Handeln

Im Fachjournal „Science Advance“ berichten die Forscher über den Ausgang des Fischereiexperiments. „Unsere Studie belegt, dass aktive Teilnahme an Experimenten in der Natur einen höheren Bildungserfolg erzielt als passives Zuhören“, fast Christoph Randler von der Universität Tübingen zusammen. Der größte umweltpädagogische Effekt zeigte sich danach bei jenen Anglern, die sowohl geschult als auch mitmachen durften. Diese erinnerten sich noch zehn Monaten später an das im Projekt Gelernte. Aber nicht nur das. Auch persönliche Normen und ökologische Grundüberzeugungen hatten sich verändert. Das zeigte sich vor allem in Bereitschaft, alternative Bewirtschaftungsformen zum Fischbesatz zu zulassen, die geringere ökologische Risiken haben wie etwa die Verbesserung der Lebensräume oder die Verschärfung von Fangbeschränkungen.

Umweltpraxis und Forschung fördern

Studienleiter Robert Arlinghaus vom Leibniz-Institut kommt zu dem Schluss, dass sich die neue Form der sogenannten partizipativen Forschung nicht nur lohnt, sondern auch dringend weiterverfolgt werden sollte. „Die Schnittstellen zwischen Umweltpraxis und Forschung müssen unbedingt gefördert werden, so dass transdisziplinäre Forschung auf der Grundlage gut evaluierter Freilandexperimente großflächig zum Einsatz kommen kann“, betont Studienleiter Robert Arlinghaus.

Außerdem beteiligt waren zwei weitere Fachgebiete der Technischen Universität Darmstadt, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung sowie das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz.

Zur Einschätzung des Ressourceneffizienzpotenzials durch Industrie 4.0 wurde ein methodisches Vorgehen auf Basis des Lebenszyklusansatzes („Ökobilanz“) entwickelt, konkretisiert wurde dieser Ansatz durch Interviews mit zehn Unternehmen aus dem Maschinenbau sowie der Kunststoff- und Elektroindustrie, die Einblick gaben in eingesetzte Maßnahmen der Digitalisierung und die Einsparungen betrieblicher Ressourcen.

Eines der wichtigsten Ergebnisse der Studie: Industrie 4.0-Technologien besitzen ein hohes Potenzial für die Steigerung der Ressourceneffizienz, noch wird dieses von Unternehmen aber kaum genutzt.

Die Studie „Ressourceneffizienz durch Industrie 4.0“ wurde vom VDI ZRE in Zusammenarbeit mit dem Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, dem Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz, dem Hessischen Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung sowie dem Ministerium für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten Rheinland-Pfalz beauftragt.

11 Millionen Tonnen Lebensmittel werden jedes Jahr in Deutschland weggeschmissen. Mit Knödel aus altem, gereiftem und unverkauftem Brot will Janine Trappe und ihr Team von "Knödelkult" gegen diese Verschwendung vorgehen. Mehr als 1.700 Brotlaibe konnten die Knödelmacher aus Konstanz so schon vor der Abfalltonne retten. Von der Idee konnten sie nicht nur Bäckereien in der Region überzeugen, sondern auch Auszeichnungen wie den Bundespreis „Zu Gut für die Tonne“ gewinnen.

In Germany, 11 million tonnes of food are thrown away every year. With their dumplings made from old, hardened and unsold bread, Janine Trappe and her team at Knödelkult are taking a stand against such wastefulness. The dumpling makers from Constance have already saved more than 1,700 bread loaves from untimely disposal. Thereby, they have managed not only to convince local bakeries of their idea, but have also been the recipient of accolades including the federally-awarded ‘Zu Gut für die Tonne’ prize (Too Good for the Bin).

Studien zur biologischen Vielfalt zeigen, wie Mensch und Natur Tier- und Pflanzenwelt verändert haben. Vor allem die Landwirtschaft steht mit ihrer intensiven Bewirtschaftung als einer der Verursacher zunehmend in der Kritik. Die Bewirtschaftung von Acker und Grünland und deren Folgen für die Tier- und Pflanzenwelt stand auch im Fokus einer Untersuchung, deren Ergebnisse das Bundesamt für Naturschutz (BfN) am 20. Juni vorgestellt hat.

Vielfalt an Lebensraum schwindet

Der „Agrar-Report zur biologischen Vielfalt in der Agrarlandschaft“ belegt: Der Artenschwund ist eklatant und betrifft alle Tier- und Pflanzengruppen in der Agrarlandschaft. Vor allem Vögel und Insekten wie Wildbienen sind davon betroffen. „Die Problematik setzt sich aber leider auch bei der Situation der Lebensraumvielfalt fort", betont BfN-Präsidentin Beate Jessel. Jessel sprach von einer „alarmierenden Situation“ und forderte eine Kehrtwende in der Agrarpolitik.

Grünflächen unter Druck

Für den Report wurden verschiedene Forschungsprojekte zur Entwicklung der Natur in der Agrarlandschaft gebündelt und ausgewertet. Darin zeigte sich, dass auch Grünflächen zunehmend unter Druck geraten. "Zwar scheint der Flächenverlust gestoppt, aber wir müssen eine weiter anhaltende deutliche qualitative Verschlechterung des Grünlands feststellen, die infolge der zunehmend intensiven Bewirtschaftung ungebremst voranschreitet", erläutert Jessel. Danach sind mittlerweile sogar blühende Mähwiesen und somit der Lebensraum vieler Farn- und Blütenpflanzen gefährdet. Vor allem einst typische Wildkräuter wie Rittersporn und Sommer-Adonisröschen verschwinden zunehmend von der Ackerfläche, heißt es. Das bekommen nicht nur Insekten und Vogel zu spüren, sondern auch der Mensch. Der Landwirtschaft gehen damit nicht nur die natürlichen Bestäuber verloren. Auch die Wasserqualität leidet, was wiederum erhebliche Kosten verursachen kann.

Fehlentwicklungen in der Agrarpolitik

Mit dem „Agrar-Report“ zeigen die Autoren vor allem der Politik die rote Karte. Sowohl die Gemeinsame Agrarpolitik (GAP) der Europäischen Union als auch die nationale Umsetzung hinsichtlich der Erhaltung der Biodiversität hätten „versagt“ und würden „keinen substanziellen Beitrag leisten, dem anhaltenden Verlust biologischer Vielfalt in den Agrarlandschaften entgegen zu wirken“. Vor allem die von der EU eingeführten Vorschriften für die sogenannten ökologischen Vorrangflächen, das Greening, wird als völlig unzureichend von den Naturschützern eingestuft. "Gemessen an den eingesetzten Finanzmitteln - jährlich werden etwa 1,5 Milliarden Euro als Greening-Prämie für Landwirte in Deutschland vorgesehen - müssen die Vorrangflächen wie auch das Greening als solches daher als weitgehend wirkungslose und gleichzeitig zu teure Fehlentwicklung bezeichnet werden", so Jessel. Sie kritisierte auch die Lücke zwischen dem Bedarf und den in der Realität zur Verfügung stehenden Geldern, welche die EU zum Schutz der biologischen Vielfalt bereitstellt.

Die Autoren fordern daher nicht nur konsequente und angemessene Zahlungen an die Landwirtschaft, sondern auch die Schaffung von Anreizen für eine „naturverträgliche, standortangepasste und damit nachhaltige Bewirtschaftung“, die auch in intensiv bewirtschafteten Regionen ein „Mindestmaß“ an Biodiversität sicherstellt.

Zellen sind die lebenden Wirkstofffabriken der Pharmaindustrie. Auf ihrer Basis werden Biopharmazeutika wie Antikörper zur Behandlung von Krebs oder Rheuma produziert. Ausgangspunkt für eine solche Produktion ist die Entwicklung einer zuverlässigen und stabilen Produktionszelllinie. Zellen eines Produktionsorganismus werden dazu im Labor gentechnisch verändert und danach die Zellen mit den gewünschten Eigenschaften ausgewählt. Sie werden vereinzelt und dann vermehrt. Genau für diesen Schlüsselschritt hat die 2009 gegründete Xell AG aus Bielefeld eine Technologie entwickelt, die auf definierten chemischen Kulturmedien basiert.

Neue Generation von Zellkulturmedien

Bis heute werden verbreitet proteinreiche Kälberseren in der biopharmazeutischen Industrie und in der Zellforschung eingesetzt. Solche Seren bergen jedoch Risiken, denn sie können mit tierischen Viren oder potenziell gesundheitsschädigenden Prionen kontaminiert sein.

Zudem ist die Gewinnung von Kälberseren ethisch fragwürdig, kostenintensiv und die Chargen sind von schwankender Qualität. Proteinseren haben sich zwar in der Zellkultur bewährt, doch mit ihren komplexen Inhaltsstoffen erschweren sie den Biotechnologen die Arbeit, wenn die Zusammensetzung der Nährmedien genau für den Einsatzzweck angepasst werden soll.

Die Lösung der Xell AG: in dem Projekt „Culticlone“ hat das Team ein speziell auf den Einzelzell-Klonierungs-Schritt zugeschnittenes Medium entwickelt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Projekt von 2012 bis 2015 im Rahmen der Förderinitiative „KMU-innovativ: Biotechnologie“ mit knapp 370.000 Euro unterstützt. Der entwickelte Prototyp stellt eine chemisch klar definierte Formulierung dar, die frei von tierischen Inhaltsstoffen ist. „Das Medium ist damit ideal geeignet für die ersten Schritte in der Zelllinienentwicklung für die spätere Wirkstoffproduktion“, sagt Sandra Klausing, die bei Xell für wissenschaftliche Innovationen zuständig ist.

Biotechnologisch erzeugte Proteine hinzugefügt

Dem entwickelten Medium wird ein Mix von biotechnologisch erzeugten Eiweißstoffen hinzugefügt. Andere Medien für diese spezielle Anwendung nutzen hingegen vielmals noch Hydrolysate oder Serum und stellen daher nicht den neusten Technologie-Standard dar. Aktuell arbeitet die Xell AG an der Finalisierung der Formulierung und hat bereits erste Schritte in Richtung einer Vermarktung der im Projekt entstandenen Produkte initiiert.

Auch ein weiteres KMU-innovativ-Vorhaben bei Xell zielt darauf ab, Zellkulturnährmedien für verschiedene Anwendungen weiter zu optimieren. Bisher nicht oder gering lösliche sowie schwer formulierbare Komponenten sollen durch die im Projekt „VECTURA“ entwickelte Technologie vereinfacht in die Nährlösung und letztendlich in die Zellen gebracht werden. In Zusammenarbeit mit der Universität Jena werden eben solche Inhaltsstoffe in Nanopartikel aus Polymeren verkapselt. Im Verlauf eines Bioprozesses werden sie dann von Zellen aufgenommen und die Fracht wird daraufhin in den lebenden Fabriken gezielt freigesetzt. Das BMBF steuert für das Projekt 263.000 Euro bei.

Autor: Philipp Graf

For the pharmaceutical industry, cells are little living substance factories. These provide the foundations for the production, among others, of biopharmaceuticals such as antibodies for the treatment of cancer or rheumatism. The starting point in such manufacturing processes is the development of a reliable and stable production cell line. Here, the cells of a production organism are genetically modified, and a selection is carried out of the cells that exhibit the desired properties. These are then isolated and multiplied. Xell AG, which was founded in 2009 in Bielefeld, has developed a technology based on defined chemical culture media that is aimed at this key process step.

New generation of cell culture media

To date, the biopharmaceutical industry and the field of cell research has predominantly made use of protein-rich calf serum as a supplement for cell cultures. However, these kinds of sera also involve the risk of contamination with animal viruses or potentially hazardous prions.

Moreover, the extraction of calf sera is ethically controversial and cost-intensive, while batches are sometimes of variable quality. Although protein sera are tried and tested in cell cultures, their complex components can complicate the work of biotechnologists if the culture media composition requires specific adaptation to the intended application.

The solution that is being pursued by Xell AG is the development of a medium that is specifically tailored to the requirements of single-cell cloning. This work was originally carried out within the framework of the “Culticlone” project. From 2012 to 2015, the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) funded the project with around €370,000 as part of the “SME Innovative: Biotechnology” funding initiative. The developed prototype represents a chemically well-defined formulation that is free of animal ingredients. “The medium is thus ideally suited for the initial development steps of cell lines used in the production of active ingredients,” says Sandra Klausing, who heads Xell’s Scientific Innovations team.

Topped up with biotechnologically-derived proteins

While other media for this particular application commonly make use of hydrolysates or serum and therefore do not represent the latest standards of technology, at Xell the developed medium is combined with a mixture of biotechnologically-derived proteins. Today, Xell AG is working on the finalisation of the formulation and has already taken the first steps towards the marketing of the products developed in the course of the project.

In a different SME Innovative project, Xell is working to further optimise cell culture media for eventual use in a broad range of applications. Using the technology developed in the ‘VECTURA’ project, previously insoluble or only slightly soluble components, as well as components that are difficult to formulate, are more easily incorporated into the nutrient solution and are thus taken up more efficiently by the cells. In work that was carried out together with the University of Jena, these ingredients are encapsulated in nanoparticles made of polymers. In the course of a bioprocess, the nanoparticles are absorbed by the cells, after which the cargo is released into the living factories. The BMBF has contributed €263,000 to this project.

Author: pg

Biodiesel is largely produced from rapeseeds in Europe. The fuel consists of long-chain hydrocarbon compounds. Due to a higher boiling point compared to mineral oil-based fuel, the biodiesel cannot be used undiluted in conventional engines. Biodiesel is nonetheless very important for industries, since it has a lower impact on global warming than conventional fuel. In accordance with an EU directive to reduce the emission of greenhouse gases, biofuel has to be added to conventional fuel.

100% biobased fuel for diesel engines

Researchers from the cluster of excellence ’RESOLV’ at the University of Bochum and the collaborative research centre ’3MET’ at the University of Kaiserslautern modified common biodiesel. “With virtually no energy input, we convert a mixture of plant-derived fatty esters and bio-ethylene into fuel. This can be combusted undiluted in modern diesel engines“, explains Lukas Gooßen, holding the Evonik Chair of Organic Chemistry at Ruhr-University Bochum. The results are published in the in the journal “Science Advances“.

Mathematical simulations optimize the procedure

“We combine two catalytic methods“, says Gooßen. According to mathematical simulations by Mathias Baader at the University of Kaiserslautern, long-chain fatty esters were transformed into a mixture of compounds with shorter chains. Consequently, combustion starts at lower temperatures and biodiesel is now up to par with the standards of petroleum diesel.

Preliminary test was successful

Silvia Berndt at the University of Rostock verified that the mixture complies with the strict standards for modern diesel engines. A preliminary test with the new biofuel by the chemist Kai Pfister was successful. The research was financially supported by the German Federal Environmental Foundation (DBU) and the Carl Zeiss Foundation.