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Ein Hauptanliegen der Bioökonomie ist es, fossile Rohstoffe wie Erdgas und Erdöl langfristig durch nachhaltige Ressourcen zu ersetzen, zum Beispiel durch Biogas. Die Zahl der Biogasanlagen ist in den vergangenen Jahren bundesweit auf etwa 9.000 angestiegen. Ihr Anteil an der Stromerzeugung ist mit bis zu 6% noch niedrig, wie eine Studie der Universität Hohenheim Anfang 2018 ergab. Seit Jahren arbeiten Forscher daran, Biogas auf Erdgasqualität zu heben, um die alternative Energiequelle zukunftsfähig zu machen. Bisher enthält Biogas aber noch vergleichsweise viel Kohlendioxid (CO2), was den Brennwert verschlechtert und den Einsatz begrenzt.
Biologischer Filter aus Gärresten
Forscher der Universität Hohenheim in Stuttgart haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der NOVA-Universität in Lissabon einen Weg gefunden, um der nachhaltigen Energiequelle zum Aufschwung zu verhelfen. Wie das Team im „Journal of Analytical and Applied Pyrolysis“ berichtet, entwickelten sie einen biologischen Filter, der dem Biogas Kohlendioxid entzieht und so die Anlage rentabler machen kann.
Für die Herstellung des Filters nutzen die Biochemiker Gärreste aus Biogasanlagen und verkohlten diese. Für die chemische Verkohlung wurde ein spezielles Verfahren genutzt, die Hydrothermale Karbonisierung (HTC). „Dabei handelt es sich um ein sogenanntes nasses Verfahren. Das bedeutet, dass wir das in den Biogasgärresten enthaltene Wasser mitverwenden können. Die Biomasse erhitzen wir in einem Druckbehälter, dem sogenannten Autoklav, drei bis sechs Stunden bei 190 bis 250 Grad Celsius“, erklärt Catalina Rodriguez Correa vom Fachgebiet Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe der Universität Hohenheim.
Aktivkohle mit Mikroporen als CO2-Filter
Im Ergebnis entstand eine Aktivkohle, die ausgepresst, getrocknet und im Anschluss mit Lauge gemischt und wieder auf 600 Grad erhitzt wurde. Infolge dieser Erhitzung entstanden in der Kohle sogenannte Mikroporen, die dem Biogas das überschüssige Kohlendioxid entziehen. Die Mikroporen sind filterähnliche Räume, um in der Kohle das CO2 zu lagern. Und das sehr effektiv, wie die Hohenheimer Forscherin Andrea Kruse ergänzt. „Die Aktivkohle nimmt etwa das Zwei- bis Zweieinhalbfache an Kohlendioxid auf als Vergleichsproben herkömmlicher Aktivkohlen. Damit schneiden die Biokohlen aus Gärresten deutlich besser ab.“ Die Forscher hoffen nun, dass ihr neuartiges Verfahren zum Filtern des überschüssigen Kohlendioxids aus Biogas bald in der Praxis Anwendung finden wird.
Dresdener Forscher demonstrierten kürzlich, dass Biogasanlagen nicht nur Gas und Strom erzeugen können, sondern auch hochwertige Biowachse für die Kosmetikindustrie.
bb
One of the main concerns of the bioeconomy is to sustainably replace fossil raw materials such as natural gas and crude oil with resources such as biogas. In recent years, the number of biogas plants in Germany has risen to around 9,000. A study carried out by the University of Hohenheim at the beginning of 2018 showed that their share of electricity generation is still low at up to 6%. For years, researchers have been working on upgrading biogas to natural gas quality in order to make the alternative energy source fit for the future. However, biogas still contains comparatively high levels of carbon dioxide (CO2), which worsens its calorific value and limits its use.
Biological filter from fermentation residues
Researchers at the University of Hohenheim in Stuttgart, together with scientists from NOVA University in Lisbon, have now found a way to help the sustainable energy source gain momentum. As the team reported in the Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, they have developed a biological filter that removes carbon dioxide from the biogas and thus makes the plant more profitable.
To produce the filter, the biochemists use fermentation residues from biogas plants and carbonize them. They used a special process, hydrothermal carbonisation (HTC), for chemical charring. "This is a so-called wet process. This means that we can also use the water contained in the biogas fermentation residues. We heat the biomass in a pressure vessel, the so-called autoclave, for three to six hours at 190 to 250 degrees Celsius," explains Catalina Rodriguez Correa from the Department of Conversion Technologies for Renewable Resources at the University of Hohenheim.
Active carbon with micropores as CO2 filters
The result was an active carbon that was pressed out, dried and then mixed with lye and heated up to 600 degrees again. As a result of this heating, so-called micropores were formed in the coal, which extract the excess carbon dioxide from the biogas. The micropores are filter-like spaces that store the CO2 in the coal. And this is very effective, as the Hohenheim researcher Andrea Kruse adds. "The activated carbon absorbs about two to two-and-a-half times as much carbon dioxide as comparable samples of conventional active carbon. Thus the biochars from fermentation remainders clearly perform better. The researchers now hope that their novel process for filtering excess carbon dioxide from biogas will soon be applied in practice.
Researchers from Dresden recently demonstrated that biogas plants can not only produce gas and electricity, but also high-quality biowaxes for the cosmetics industry.
Holz ist ein vielseitiger Rohstoff, der von jeher sowohl stofflich als auch energetisch genutzt wird. Gerade die Bioökonomie setzt auf die heimische Ressource als Alternative zu fossilen Rohstoffen, um die Vision einer nachhaltigen Wirtschaft zu realisieren. Münchner Wissenschaftler präsentieren nun eine Studie, die verdeutlicht, wie der Rohstoff durch den Klimawandel unter Druck gerät.
Jahresringe verraten Gewicht des Holzes
Die Experten für Waldwachstumskunde der Technischen Universität München (TUM) haben dafür Holzproben von Bäumen aus dem ältesten Waldversuchsgebiet in Europa genommen. Das Versuchsfeld ist 150 Jahre alt und wurde zur Zeit der TUM-Gründung angelegt. Von mehreren hundert Fichten, Eichen, Buchen und Kiefern untersuchte das Team um Hans Pretzsch vom Wissenschaftszentrum Weihenstephan mithilfe eines Hightech-Analyseverfahrens jeden einzelnen Jahresring – insgesamt 30.000. Die Hochfrequenzsonde tastete dabei jede Probe in Hundertstelmillimeterschritten ab. „Damit messen wir das spezifische Gewicht des Holzes in einer Genauigkeit und Auflösung, die bis vor Kurzem nicht denkbar war“, sagt Pretzsch.
Wood is a versatile feedstock that has always been used both as a raw material and as an energy source. The bioeconomy in particular relies on the domestic resource as an alternative to fossil raw materials in order to realise the vision of a sustainable economy. Munich scientists are now presenting a study that illustrates how the raw material is coming under pressure from climate change.
Annual rings reveal the weight of wood
The experts for forest growth and yield science of the Technical University Munich (TUM) took wood samples from trees from the oldest forest test area in Europe. The test field is 150 years old and was laid out at the time of the foundation of TUM. The team led by Hans Pretzsch from the Weihenstephan Science Centre examined the growth rings of several hundred spruces, oaks, beeches and pines with the aid of a high-tech analysis method. The high-frequency probe scanned every sample in steps of one hundredth of a millimetre. "This enables us to measure the specific weight of the wood with an accuracy and resolution that was inconceivable until recently," says Pretzsch.
More growth, but less substance
The result of this precise wood sample analysis: trees have been growing ever faster since 1900. This also means that the trees store more carbon dioxide in the wood and thus make an important contribution to reducing the greenhouse gas. But that is only one side of the coin. As the researchers report in the specialist journals "Forest Ecology and Management" and "Scientific Reports", wood is becoming lighter and lighter every year. Since observations began in 1900, the wood of trees has lost eight to twelve percent of its weight, while the volume growth of trees in Central Europe has increased by 29 to 100 percent at the same time. Climate change is causing trees to grow faster, but at the same time is making the wood lighter.
Stability and calorific value decline
The study thus proves that although the volume of wood increases, it has been losing substance, i.e. wood density, for decades. If wood loses weight, it is also less stable and has a lower calorific value. However, many trades from furniture manufacturers to energy companies are dependent on it. In addition, trees with less stable wood are more susceptible to storms.
Carbon sequestration is overestimated
The researchers see the long-term rise in temperature caused by climate change and the associated longer vegetation period as the causes for the weight reduction of wood. A second issue is the increased nitrogen pollution caused by agriculture, transport and industry. According to the study, this is supported by the decline in late wood density and an increase in the proportion of early wood in the annual rings. The most important message, however, is that the potential of forests for carbon fixation is overestimated. "Accelerated growth is still leading to more carbon sequestration. However, when extrapolated to the forests of Central Europe, the traditional estimate of ten million tonnes of carbon per year is too high," Pretzsch emphasises.
Der Boden besteht aus weit mehr als Erde. Er ist durchsetzt mit Mikroorganismen, Pilzen und unzähligen Wurzeln verschiedenster Pflanzen. Sie alle interagieren miteinander und bilden zusammen das Bodenmikrobiom. Unter der Leitung des European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg und der Universität Tartu in Estland hat ein internationales Forschungsteam erstmals weltweit das Zusammenspiel von Pilzen und Bakterien im Boden untersucht. Wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten, befinden sich Pilze und Bakterien in einem ständigem Wettstreit um Nährstoffe.
Bodenproben von der Tundra bis zu den Tropen
Um das Zusammenspiel der Bodenbewohner zu untersuchen, haben die Wissenschaftler über fünf Jahre 58.000 Proben an 1.450 Standorten auf der ganzen Welt entnommen. Dabei untersuchten sie sowohl Böden, die von der Landwirtschaft beeinflusst waren, als auch solche, die bisher von Menschenhand unberührt blieben. Unter der Leitung von Mohamad Bahram (Universität Tartu) und Falk Hildebrand (EMBL) wurden die Proben zusammengetragen und schließlich ausgewertet. Dabei haben sie sich auf 189 der 1.450 Bodenproben konzentriert. Sie enthielten die wichtigsten Biome der Welt – von Tropenwäldern bis hin zur Tundra.
Globaler Krieg zwischen Bodenbakterien
Die Bodenforscher analysierten mehrere Millionen Gene der Mikroorganismen, doch weniger als ein Prozent davon waren bereits bekannt. „Die schiere Menge bisher unbekannter Gene ist überwältigend, aber diejenigen, die wir interpretieren können, weisen eindeutig auf einen globalen Krieg zwischen Bodenbakterien und -pilzen hin", sagt Peer Bork, EMBL-Gruppenleiter und Mitautor der Studie.
Außerdem stellte sich heraus, dass weniger Bakterien vorhanden waren, je mehr Pilze gemessen wurden. Den Forschern zufolge hängt die Anzahl der bakteriellen Antibiotikaresistenzgene in Bakterien stark von der Menge der Pilze ab. „Dieses Muster könnte dadurch erklärt werden, dass Pilze im Kampf um mehr Ressourcen Antibiotika produzieren, wodurch nur Bakterien mit den entsprechenden Antibiotikaresistenzgenen überleben", so Falk Hildebrand.
Bakterien mögen‘s warm, Pilze eher kühl
Auch die regionalen Unterschiede der Bodenproben wurden untersucht. Zwar konnten die Forscher in allen Proben Bakterien feststellen, die größte genetische Vielfalt fanden sie jedoch in gemäßigten Klimazonen: Bakterien bevorzugen warme und feuchte Standorte. Pilze hingegen kommen häufiger in kühlen und trockenen Klimazonen wie der Tundra vor. Zwischen den Kontinenten fanden die Bodenforscher größere Unterschiede bei den Pilzen als bei den Bakterien. Das bedeutet, dass die Beiträge von Bakterien und Pilzen zum Nährstoffkreislauf weltweit unterschiedlich sind und sich demnach auch der Klimawandel lokal unterschiedlich auf das Bodenmikrobiom auswirkt.
Menschen verändern Bodenmikrobiom
Der Mensch hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Bodenbeschaffenheit: Ackerland oder Gartenrasen weisen völlig unterschiedliche Verhältnisse zwischen Bakterien, Pilzen und Antibiotikaresistenzen auf. Diese Verschiebung des natürlichen Gleichgewichts verdeutlicht die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Bodenmikrobiom – jedoch mit bisher unbekannten Folgen.
Die Wissenschaftler geben zu bedenken, dass ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pilzen und Bakterien im Boden den Einsatz von Bodendünger in der Landwirtschaft reduzieren und nützliche Mikroorganismen gefördert werden könnten.
jmr
Soil is much more than dirt. It contains a slew of microorganisms, fungi and roots of a plethora of plants. All of which interact with each other and together, they make up the soil microbiome. Headed by the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg and the University of Tartu in Estonia, an international research team for the first time conducted a study of bacteria and fungi in soil. Their results, as reported in the journal “Nature”, show that bacteria and fungi are in constant competition for nutrients and produce an arsenal of antibiotics to gain an advantage over one another.
Soil samples from tropical forests to the tundra
Over the course of five years, the researchers took 58.000 soil samples from 1450 sites all over the world, which included areas that were either unaffected or affected by human activities such as agriculture. Mohamad Bahram from the University of Tartu and Falk Hildebrand at EMBL, together with a large team of collaborators, analysed the enormous dataset. Of the 1450 sites sampled, 189 were selected for in-depth analysis, covering the world’s most important biomes, from tropical forests to tundra, on all continents.
War amongst soil microbes
The soil researchers analysed several million genes, but less than one percent were previously known. “The amount of unknown genes is overwhelming, but the ones we can interpret clearly point to a global war between bacteria and fungi in soil,” says Peer Bork, EMBL group leader and corresponding author of the paper.
Moreover, the researchers found that bacterial diversity in the soil is lower with increasing presence of fungi. The team also found a strong link between the number of antibiotic resistance genes in bacteria and the amount of fungi, especially those with potential for antibiotics production such as Penicillium. Falk Hildebrand: “This pattern could well be explained by the fact that fungi produce antibiotics in warfare with bacteria, and only bacteria with adequate antibiotic resistance genes can survive this.”
Regional differences
The team also found regional differences in the distribution of bacteria and fungi. Bacteria prefer hot and wet locations. Fungi are usually more prevalent in colder and dryer climates like the tundra. They also tend to be more geographically restricted, with differences in populations between continents. This implies that the relative contributions of bacteria and fungi to nutrient cycling are different around the world, and that global climate change may affect their composition and function differently.
Effects of human activity
When comparing data from the unspoiled soil sites with data from locations affected by humans, such as farmland or garden lawns, the ratios between bacteria, fungi and antibiotics were completely different. According to the scientists, this shift in the natural balance shows the effect of human activities on the soil microbiome, with unknown consequences so far. However, a better understanding of the interactions between fungi and bacteria in soil could help to reduce the usage of soil fertilizer in agriculture, and increase the number of beneficial microorganisms.
jmr
Algen zählen zu vielversprechenden Kandidaten bei der Suche nach neuen Produkten für die Bioökonomie. Sie lassen sich nicht nur schnell und in großen Mengen als Biomasse kultivieren, sondern sind auch reich an Nährstoffen. Auf Grund ihres hohen Eiweißgehalts sind sie zudem eine alternative Proteinquelle. Gerade bei der Etablierung von Algen als Lebensmittel ist es wichtig, den Geschmack der Verbraucher zu hinterfragen, damit die gesunde Kost an Akzeptanz gewinnt. Forscher der Georg-August-Universität Göttingen befassen sich seit einiger Zeit schon mit der Frage, ob sich Algen für die Herstellung von Lebensmitteln eignen und ob Verbraucher ihren Fleischkonsum Algenprodukten zuliebe reduzieren würden. Untersucht werden dabei der Geschmack und die Akzeptanz der Mikroalge Spirulina (Arthrospira platensis).
Basis für alternative Fleischprodukte
In einem ersten Schritt wollten die Göttinger Forscher erfahren, inwiefern die Mikroalge sich wie Soja als Basis für die Herstellung von alternativen Fleischprodukten eignet und welchen Einfluss die technischen Parameter auf die sensorischen Eigenschaften des Produkts haben. Mithilfe eines speziellen Verfahrens, der sogenannten Nassextrusion, versuchten Forscher aus Algenproteinen eine fleischähnliche Textur wie beim Sojaschnitzel herzustellen.
Algen-Pasta siegt bei Online-Umfrage
In einer Online-Befragung testeten die Forscher, wie die Algenprodukte ankommen. Eintausend Verbraucher in Deutschland, Frankreich und den Niederlanden konnten dabei zwischen Fotos von Spirulina-gefüllten Nudeln, Spirulina-Sushi und einem proteinreichen Snack (Jerky) wählen. Das Ergebnis war eindeutig: Die Spirulina-Pasta rangierte ganz oben auf der Beliebtheitsskala. „Die Mikroalge Spirulina hat das Potenzial, in verschiedenen Formen als Lebensmittel angeboten zu werden. Alle drei Produktkategorien wären mit Spirulina denkbar, sofern sie bei den Verbrauchern bekannt sind“, sagt die Erstautorin der Studie, Stephanie Grahl. Sie vermutet, dass die Wahl auf Pasta fiel, weil Konsumenten damit im Allgemeinen vertraut sind.
Geschmacksrichtungen hinterfragen
In einem nächsten Schritt wollen die Göttinger Forscher in einem sogenannten sensorischen Konsumententest verschiedene Geschmacksrichtungen von Spirulina-Pasta beim Verbraucher ausloten. Das Ziel: Neue schmackhafte Lebensmittel mit Algen entwickeln und damit eine fleischarme Ernährung unterstützen. Die Erforschung alternativer Proteinquellen und deren Akzeptanz in Lebensmitteln sind Teil des Projektes „Sustainability Transitions in der Lebensmittelproduktion: alternative Proteinquellen in soziotechnischer Perspektive“. Das Vorhaben wird vom niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur gefördert.
bb
Die Küsten Norddeutschlands werden immer öfter von schweren Unwettern heimgesucht. Zuletzt sorgte im Dezember 2013 Orkan Xaver für eine schwere Sturmflut mit Pegelständen von 6,09 Meter über Normalnull. Experten sind überzeugt, dass in Folge des Klimawandels Sturmfluten zunehmen werden. Was das für die Küstenvegetation bedeutet, wollen Forscher in einem einzigartigen Experiment herausfinden.
Klimafolgen für Küstenschutzfunktion der Tidemarschen
Im Rahmen des EU-Hydralab+ Projekts RESIST (Response of Ecologically-mediated Shallow Intertidal Shores and their Transitions to extreme hydrodynamic forcing) untersucht ein internationales Forscherteam, welche Folgen Klimaveränderungen auf die Küstenschutzfunktion der Tidemarschen haben. Im Fokus stehen konkret Pflanzen der Salzwiesen wie Schlickgras und Strandquecke, die Küsten vor stürmischer See und heranbrausenden Wellen schützen.
Wellen und Sturmfluten simulieren
Versuchsstation ist der Wellenkanal am Forschungszentrum Küste (FZK) in Hannover, einer gemeinsamen Einrichtung der Leibniz Universität Hannover und der Technischen Universität Braunschweig. Der Kanal ist 307 Meter lang, 5 Meter breit und 7 Meter tief. Mittels einer hydraulisch angetriebenen Wellenmaschine können hier Wellen bis zu 2 Meter Höhe sowie Seegang unter Tief- und Flachwasser-Bedingungen simuliert werden.
Kleine Pflanze unter hohen Wellen
Doch wie widerstandsfähig sind die Tidemarschen gegenüber zunehmenden Überschwemmungen wirklich und, welche Sturmfluten könnten sie sogar zerstören? Das Experiment im Wellenkanal soll Antworten liefern. Dafür werden Setzlinge und erwachsene Pflanzen in fünf verschiedenen Zonen am Boden des Wellenkanals verankert und wochenlang über bis zu zwei Meter hohen Wellen sowie Sturmfluten ausgesetzt. In einer dieser Zonen werden beispielsweise die Auswirkungen von Sturmfluten in den Sommer- und Wintermonaten üntersucht. Dafür wurde ein Teil der Pflanzen trockengelegt, um durch die Dürre das langsame Absterben der Pflanzen zu simulieren. Darüber hinaus wird in einer anderen Zone ein neuartiger Erosionsschutz aus Kartoffelstärke erprobt. Dabei handelt es sich um ein Gitter, das direkt auf dem Boden in den Boxen angebracht wird und junge Pflanzen und das Sediment gegen die Wellen schützen soll.
Erosion live beobachten
Neben dem vegetativen Effekt geht es auch um die Frage, wie sich die Bodenzusammensetzung auf die Erosion der Küsten auswirkt. Dafür werden im Wellenkanal auch Sedimentproben gezielt Wellen und Sturmfluten ausgesetzt. Die sogenannten Sediment-Bohrkerne sind an der Seite geöffnet und werden am Ende des großen Wellenkanals fixiert, wo die Wucht der Wellen sie trifft. So können die Forscher die Erosion nach jedem Wellenlauf genau verfolgen.
Das Hydralab+ Projekt RESIST wird von der University of Cambridge (UK) geleitet und im Rahmen des europäischen Innovations-und Forschungsprogramms Horizon 2020 finanziert. An dem Vorhaben sind neben den Universitäten in Hannover und Braunschweig, die Universität Hamburg sowie die Universität Antwerpen (Belgien) und das Royal Netherlands Institute for Sea Research beteiligt.
bb
Wie umweltfreundlich ist das Produkt? Diese Frage zu beantworten, ist nicht immer leicht. Um Umweltbeeinträchtigungen einzuschränken oder gar zu vermeiden, müssen Schwachstellen schon bei der Produktentwicklung aufgespürt werden. Forscher der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS), der Hochschule Darmstadt (h_da) und des Darmstädter Beratungsunternehmens e-hoch-3 haben nun ein entsprechendes Instrument entwickelt. Mithilfe von „EcoScreen“ kann erstmals die Umweltfreundlichkeit eines Produktes über den gesamten Lebenszyklus hinweg ermittelt werden – und das schnell, unkompliziert und kostengünstig.
Entwickler müssen Umweltwirkungen ihres Produktes kennen
„Die Produktentwicklung hat einen erheblichen Einfluss auf die Umweltwirkungen eines Produktes. Bei der Entwicklung umweltgerechter Produkte müssen Produktentwickler daher die möglichen Prozesse und ihre Wirkungen in allen Lebensphasen vorab in Betracht ziehen und unter Gesichtspunkten der Umweltgerechtigkeit auswählen, gestalten und optimieren“, erklärt Ekkehard Schiefer von der UAS.
EcoDesign umfasst nur einzelne Umweltaspekte
Der Lebenszyklus eines Produktes besteht aus vier Phasen: Werkstoffherstellung, Produktion, Nutzung sowie Recycling und Entsorgung. Damit Unternehmen ihre Produkte als „EcoDesign“ bezeichnet dürfen, müssen sie bei der Entwicklung gewisse Umweltstandards erfüllen. Die bisherige Bewertungsmethode berücksichtigt allerdings nur einzelne Umweltaspekte der Fertigung und Abfallbehandlung, aber nicht das gesamte Produktleben.
EcoScreen als Bewertungsindikator für Umweltfreundlichkeit
Im Projekt „Kurzbilanzierung von Fertigung und Abfallbehandlung beim EcoDesign (EcoScreen)“ hat das Team um Schiefer nun Werte ermittelt, die alle relevanten Umweltbeeinträchtigungen der vier Lebenszyklen beinhalten. Den Entwicklern von umweltfreundlichen Produkten stehen damit erstmals Sachbilanzdatensätze zur Ökobilanzierung von ausgewählten Fertigungs- und Abfallbehandlungsprozessen zur Verfügung, die die entstehenden Umweltbeeinträchtigungen hinreichend abbilden. Dafür wurden vorhandene Bilanzierungsansätze auf Referenzprozesse übertragen, deren Umweltwirkungen kalkuliert und zu den einfach zu handhabenden Kurzbilanzierungswerten Eco-indicator und Carbon-Footprint zusammengeführt. „Die Unsicherheit in der Entscheidungsfindung im Rahmen des EcoDesigns wird so insgesamt reduziert, was die Akzeptanz und Verbreitung des EcoDesigns im industriellen Einsatz erhöht“, betont Schiefer.
Öko-Test im Lehrplan verankert
Die Forschungsergebnisse sind mittlerweile auch fester Bestandteil der Studien-Lehrpläne in Frankfurt am Main und Darmstadt. Dort werden die neuen Kurzbilanzierungswerte von Studenten in Übungen bereits angewendet, um vorhandene Produkte ökologisch zu bewerten und zu optimieren.
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Weizen und insbesondere Brotweizen zählen zu den Grundnahrungsmitteln der Menschheit und versorgen diese mit etwa einem Fünftel des gesamten Kalorienbedarfs. Doch das Brotweizengenom ist enorm umfangreich und machte gezielte Züchtungen gerade hinsichtlich höherer Ernteerträge bisher nahezu unmöglich. Nun wurde das Genom der vermutlich wichtigsten Getreidesorte der Welt in einem Mammutprojekt nach 13 Jahren entschlüsselt. Über 200 Wissenschaftler aus 73 Forschungseinrichtungen in 20 Ländern, darunter Deutschland, waren daran beteiligt. Im Fachmagazin „Science“ präsentieren die Wissenschaftler eine detaillierte Kartierung des gesamten Brotweizengenoms.
Komplizierte Entstehungsgeschichte
Während das Genom der unter Pflanzenforschern beliebten Modellpflanze Arabidopsis etwa 130 Mio. DNA-Basenpaaren umfasst, und das menschliche Genom drei Milliarden Basenpaare zählt, enthält Brotweizen ganze 16 Milliarden Basenpaare verteilt auf 21 Chromosomen mit zahlreichen sich wiederholenden Elementen. Diese ungewöhnliche Genomgröße liegt im Ursprung der Pflanze begründet, die drei Genome in sich vereint. Vor etwa 500.000 Jahren hybridisierten zwei Wildgräserarten zum so genannten Emmer oder Zweikornweizen, der heute kaum noch angebaut wird. Nachdem der Emmer von den Menschen kultiviert und auf Feldern angebaut wurde, hybridisierte dieser abermals mit einer dritten Wildgrasart. So entstand der heute weit verbreitete hexaploide Brotweizen, der jedes Chromosomenpaar in dreifacher Ausführung in sich trägt – je ein Paar von jedem Vorfahren.
Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung arbeiten Forscher, Züchter und Landwirte schon lange daran, den Ertrag der Weizenpflanze zu erhöhen. Doch um zu wissen, welche Gene wann aktiv sein müssen, um einen hohen Ernteertrag zu erzielen, bedurfte es der genauen Kartierung des Weizengenoms. Mit diesem Ziel schlossen sich Pflanzenforscher und Molekularbiologen aus aller Welt zusammen. Forschende des Helmholtz Zentrums München sowie des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben waren maßgeblich an der Entschlüsselung beteiligt. Ihre Arbeit wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) mit knapp 1,5 Mio. Euro gefördert.
Komplexes Genom stellt Forscher vor Herausforderungen
Für ihre Studie analysierten die deutschen Wissenschaftler über achthundert Expressionsdatensätze aus 28 Studien. Diese kombinierten sie mit der vollständig annotierten Genomsequenz zu einem Transkript-Atlas. Dabei war nicht nur die Größe, sondern auch die besondere Struktur des Weizengenoms eine Herausforderung: „Die vollständige Sequenzierung des Genoms von Brotweizen wurde lange Zeit für unmöglich gehalten, da es enorm groß und komplex ist“, betont Nils Stein, Leiter der Arbeitsgruppe Genomik Genetischer Ressourcen am IPK in Gatersleben.
Selbst modernste Technologien konnten die Basenabfolge des Erbguts nicht im Ganzen entschlüsseln. Dadurch standen den Forschenden immer nur Fragmente des Genoms zur Verfügung. Entsprechend schwierig war es, den korrekten Zusammenbau dieser Teilsequenzen nachzuvollziehen. Hierfür mussten die Wissenschaftler spezielle Algorithmen und neue Strategien entwickelten, um die enormen Datenmengen auswerten und zusammenfügen zu können.
Schließlich gelang es ihnen aber zu entschlüsseln, wann welche Gene auf welchen Chromosomen(-abschnitten) in der Weizenpflanze aktiv sind. „Erstmals sind wir in der Lage, die Anteile bei der Ausprägung von Merkmalen einzelnen Subgenomen zuzuordnen und die Gen-Expression mit Hilfe von regulatorischen Netzwerken zu analysieren“, sagt Andrea Bräutigam, die am IPK am Projekt beteiligt war.
Mehr als 107.000 Gene kartiert
Voraussetzung dafür war die exakte Annotation der Sequenzen, die am Helmholtz Zentrum in München stattfand. „Nachdem die finale Sequenz bekannt war, ging es an die Inhalte“, erklärt Manuel Spannagl, Gruppenleiter in der Abteilung Genomik und Systembiologie pflanzlicher Genome am Helmholtz Zentrum München. „Unsere Aufgabe war es, aus den Milliarden von Basen herauszulesen, welche Gene wo liegen und wie sie organisiert sind: 107.891 Gene konnten wir kartieren.“ Außerdem analysierte das Team um Spannagl mehr als vier Millionen molekulare Marker sowie Sequenzinformationen über die Bereiche zwischen Markern bzw. Genen, die deren Aktivität beeinflussen.
Die Pflanzenforscher, die sich unter dem Dach des International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) versammelt haben, hoffen nun, dass ihre Arbeit tatsächlich die gezielte und zügige Züchtung neuer Weizensorten ermöglicht, die nicht nur für höhere Ernteerträge sorgen, sondern auch resistenter gegenüber Extremwetterbedingungen wie Dürre oder Überschwemmungen sind.
jmr
The genome of the arguably most important crop worldwide, bread wheat, has been decoded. The results of the thirteen-year scientific endeavor of 200 scientists from 73 research institutions in 20 countries were published in the journal “Science”. Researchers at the Helmholtz Centre in Munich and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben played a vital part in the discovery.
Feeding the world
Wheat and especially bread wheat are a staple food for over one-third of the world’s population. It also serves as an important source of vitamins and minerals. Due to the growing numbers in world population, wheat yield needs to increase in order keep feeding everyone.
However, the wheat genome is unusually large and complex and has been near-impossible to decode thus far. "It was long believed that it was impossible to sequence the bread-wheat genome in its entirety, because it is massive and complex," says Nils Stein, Head of the Research Group Genomics of Genetic Resources at the IPK in Gatersleben. "The wheat genome, five times bigger than the human genome, is divided into three subgenomes and is distributed over 21 chromosomes with numerous repeated elements."
Three genomes combined in one plant
The size and complexity of the wheat genome can be traced back to its origin: bread wheat is an amalgamation of three different plants that hybridized into one. Thus, resulting in a plant that carries three pairs of each chromosome. Stein and his team at Gatersleben as well as researchers from the Helmholtz Centre in Munich were instrumental in finally deciphering the complex genome. The Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) funded the German contribution of the gigantic research endeavor with almost €1.5 million.
For their study, the scientists analysed over 800 hundred expression data sets from 28 studies. Subsequently, they combined these with the fully annotated genome sequence to create a transcription atlas. The challenge, however, was not only the size but also the polyploid structure of the wheat genome.
New algorithms needed to decipher data set
As not even cutting-edge techniques were able to unravel the full length sequence of the genome, researchers had to improvise using sequenced genome fragments. The difficulty was to understand how the sub-sequences are arranged. To address this problem, the scientists developed special algorithms and new strategies to master this quintessentially ‘big data’ challenge.
"Once the final sequence was known, it was all about elucidating the content," explains Manuel Spannagl, Group Leader in the Research Unit Plant Genome and Systems Biology at the Helmholtz Centre in Munich. "Our task was to determine where, among billions of bases, specific genes are located and how they are organized: we were able to identify 107,891 genes. In addition, more than four million molecular markers were annotated as well as regions between the genes that affect their activity."
Towards more resilient and efficient wheat
The researchers who are all involved in the International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) hope that their work will now lead to new wheat varieties that are better adapted to climatic challenges, deliver higher and, above all, more stable yields, and are even more nutritious.
But, according to the German scientists, there’s still a lot of work to do: The now fully-sequenced and annotated ‘Chinese Spring’ wheat variety has been used around the world, mainly in basic research. Other lines which are frequently used among breeders and which characterize the genetic diversity of bread wheat, referred to as the pan-genome, are already being intensively pursued.
jmr
Viele Pflanzen beinhalten Farbstoffe, die sich zum Färben eignen. Ein bekanner Farbton ist Indigo. Der dunkelblaue Farbstoff wird beispielsweise aus den gelben Blüten des heimischen Kreuzblütengewächses Färberwaid (Isatis tinctoria) gewonnen und oxidiert erst an der Luft zu dem markanten Blau.
Biobasierte Industrietinte für Lebensmittelkennzeichnung
Die Textilbranche nutzt natürliche Farbextrakte seit Jahrtausenden. Für die Herstellung industrieller Druckertinten, mit denen etwa Lebensmittel und -verpackungen gekennzeichnet werden, waren solche Naturfarbstoffe bisher nicht geeignet. Alternativen sind jedoch nötig, weil konventionelle Druckertinten oft umwelt- und gesundheitsgefährdend sind. Auch kommt es beim sogenannten Kennzeichnungsdruck nicht vorrangig auf die Farbqualität an, sondern auf einen hohen Kontrast und eine gute Maschinenlesbarkeit. Die prometho GmbH und die Friedrich-Schiller-Universität Jena haben nun gemeinsam Biotinten auf Pflanzenbasis entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht werden.
Baumrinde liefert vielversprechende Druckertinte
Die neuen Bio-Druckertinten bestehen fast zu 100% aus nachwachsenden Rohstoffen. Den Forschern zufolge wurden die Farbstoffe lediglich wegen einer besseren Lichtechtheit und -beständigkeit mit Metallsalzen verlackt. Farben auf Tanninbasis erwiesen sich für den industriellen Kennzeichnungsdruck mit Inkjet-Druckern als besonders geeignet. Der fast schwarze Farbstoff wurde aus Baumrinden gewonnen, die als Reststoffe in der Forstwirtschaft und Holzverarbeitung anfallen.
Der Aufdruck war nicht nur dunkel, sondern auch dokumentenecht und beständig gegenüber Lösemitteln und Reinigern. Den Drucktest bestanden ebenso Tinten mit Farbextrakten aus Indigo und Krapp, die ebenfalls aus Färbepflanzen gewonnen wurden. Im Rahmen des Projektes konnte das Team zeigen, dass diese neuen pflanzenbasierten Tinten gegenüber äußeren Einflüssen teilweise sogar beständiger sind als synthetische Farben.
Pilze als neue Farbstoffquelle
Auf der Suche nach natürlichen Farbstoffquellen für Biotinten nahmen die Forscher auch Pilze ins Visier. Hier war der Zimtfarbene Weichporling (Hapalopilus rutilans) besonders vielversprechend. Der Farbton erfüllt zwar noch nicht alle Druckanforderungen, die darin enthaltene Polyporsäure ließ sich aber mit vielen Metallsalzen verlacken und ergab ein breites pastellfarbenes Farbspektrum, das bei anderen Pilzen oder Pflanzen so noch nicht beobachtet wurde.
Industrietinte aus Rindentanninen auf dem Markt
Die Entwicklung der Biotinten wurde von 2014 bis 2017 vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert. Eine Tinte, deren Farbstoff aus Rindentanninen stammt, wird seit Herbst 2017 bereits von der prometho GmbH angeboten. Sie ist besonders bei Herstellern von Biolebensmitteln gefragt. Die anderen Farben könnten sich auch für industrielle Stempelfarben eignen.
bb