Aktuelle Veranstaltungen

Lacke, Farben, Arznei-, Wasch- oder Reinigungsmittel: Erdölbasierte chemische Stoffe bestimmen noch immer unseren Alltag. Doch die chemische Industrie befindet sich im Wandel. Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen wie Haushaltsreiniger auf Basis von Weizenstroh sind nur ein Beispiel für das Potenzial natürlicher Alternativen. Den Herstellungsprozess chemischer Produkte nachhaltiger zu machen ist auch das Ziel eines Verbundprojektes, an dem Verfahrenstechniker der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg mit Kollegen von der Technischen Universitäten Berlin und Dortmund, der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin sowie des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg derzeit arbeiten. Das seit 2010 laufende Vorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 63 mit dem Titel „InPROMPT: Integrierte chemische Prozesse in flüssigen Mehrphasensystemen“ mit insgesamt 17 Mio. Euro bis Ende dieses Jahres gefördert.

Kohlenwasserstoffe aus Sonnenblumen

„Wir wollen anstelle von Erdöl nun langkettige Kohlenwasserstoffe einsetzen, die aus nachwachsenden Rohstoffen, etwa aus Sonnenblumen, gewonnen werden können“, erklärt Projektkoordinator Kai Sundmacher vom Institut für Verfahrenstechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Um chemische Prozesse effizienter und umweltschonender zu machen, setzen die Forscher auf spezielle homogene Katalysatoren. Diese schwimmen im Reaktionsgemisch und können jedes Rohstoffmolekül zielgerichtet in das gewünschte Produktmolekül umbauen. Das Problem: Die Katalysatoren müssen nach ihrem Einsatz vom Produkt getrennt und recycelt werden, weil sie aus hochwertigen Metallen wie Rhodium sowie aus komplexen organischen Strukturen (Liganden) bestehen.

Rückgewinnung wertvoller Katalysatoren

Die Rückgewinnung der wertvollen Katalysatoren zu effektivieren und den Prozess kostengünstiger zu gestalten, war ein Schwerpunkt des Forschungsnetzwerks und eine große Herausforderung, wie Sundmacher erklärt. „Dies kann gelingen, indem man schaltbare Lösungsmittel verwendet, die bei Abkühlung in zwei flüssige Phasen zerfallen. In der einen Phase reichert sich dann das Zielprodukt an, in der anderen Phase der Katalysator“. In einem neuartigen Versuchsreaktor untersuchen die Magdeburg derzeit wie Katalysator und Lösungsmittel in den Produktionsprozess eingespeist werden müssen, um eine optimale Produktausbeute zu erzielen.

Chemische Prozesse realitätsnah bewerten

Der Versuchsreaktor wurde in Kooperation mit der TU Dortmund entwickelt. Er ist Teil einer Anlage, in welcher der gesamte chemische Produktionsprozess nachgestellt werden kann. Damit ist es möglich, den Ablauf der chemischen Reaktion, die Stabilität des homogenen Katalysators und die Effizienz der schaltbaren Lösungsmittelsysteme realitätsnah zu bewerten. „Langfristig wollen wir eine Methodik entwickeln, mit der man auf Basis von Computersimulationen die optimale Prozesskonfiguration, die intelligenteste Betriebsführung und das beste Lösungsmittel vorausberechnen kann. Damit könnte man die Prozessentwicklung insgesamt stark beschleunigen und die Experimente so planen, dass man den größtmöglichen Informationsgewinn erzielt“, so Sundmacher.

Nachhaltigkeit spielt auch im Weinanbau eine immer größere Rolle, da Kunden immer öfter Anbaumethoden und Herstellung der edlen Tropfen hinterfragen. Viele der 20.300 Winzerbetriebe in Deutschland wollen daher ihre Betriebe verstärkt nachhaltig bewirtschaften. Wie nachhaltig ein Winzerbetrieb arbeitet, war bisher nur schwer einzuschätzen, da geeignete Messvorrichtungen und Bewertungsstandards für den Weinanbau fehlten. Die Technische Hochschule Bingen hat in Zusammenarbeit mit 16 deutschen Weingütern nun zwei Werkzeuge zur Bewertung eines nachhaltigen Weinanbaus geschaffen.

Handlungsleitfaden und Umweltrechner etabliert

Im Ergebnis eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) mit 124.000 Euro geförderten Projektes entstand ein „Handlungsleitfaden“, der den Weinbauern beim Erstellen eines Nachhaltigkeitsberichtes hilft. Zudem wurde ein „Umweltrechner" etabliert, der es Winzern ermöglicht, betriebliche Umweltaspekte wie Material- und Energieaufwand unter Berücksichtigung der speziellen Strukturen des Weinbaus zu erfassen und zu bewerten. „Ziel des Vorhabens war es, konkrete Umweltentlastungspotenziale in Weinbaubetrieben zu ermitteln, Kriterien zu entwickeln, ihre Nachhaltigkeitsaspekte zu erfassen und zu bewerten und damit die Aktivitäten der Unternehmen in Richtung einer nachhaltigen Unternehmensführung zu unterstützen“, erläuterte der stellvertretender DBU-Generalsekretär Werner Wahmhoff.

Nachhaltigkeitsbewertung für Weinbau angepasst

Bei der Erstellung des Leitfadens für den Nachhaltigkeitsbericht wurden daher zusätzliche weinbauspezifische Angaben wie Betriebsgröße, Kunden- und Vertriebsstruktur, Bewirtschaftungs- und Produktionsweisen sowie die Besonderheiten des Weinanbaugebietes berücksichtigt. Damit sei erstmals eine Differenzierung und eine vergleichende Darstellung weinbaulicher Organisations- und Betriebsprofile möglich, schreiben die Autoren. Darüber hinaus wurden weitere branchentypische Aspekte identifiziert, die eine wirtschaftlichen Bewertung wie die „Effizienz- und Risikoanalyse“ und die „Qualitätskontrolle sowie eine ökologische Beurteilung wie die der Ressource Boden erlaubt. „In dem Projekt erfolgte eine Analyse der wesentlichen Auswirkungen entlang aller Lebenszyklusphasen der Weinproduktion auf Grundlage international anerkannter Leitlinien. Dabei fand die gesamte Produktionskette vom Herrichten der Weinbergfläche über die Kellerwirtschaft bis hin zum Vertrieb Beachtung“, erläutert Desiree Palmes von der Technischen Hochschule Bingen. Auch positive Beispiele sind darin festgeschrieben, die zum Nachmachen motivieren sollen.

Die Süßkartoffel ist mit mehr als 100 Millionen Tonnen Ernte pro Jahr die siebentwichtigste Nutzpflanze der Welt, und auch in Deutschland gewinnt sie immer mehr an Bedeutung. Dadurch rückt die Pflanze, die mit der mitteleuropäischen Speisekartoffel nur entfernt verwandt ist, auch immer mehr in den Fokus der Forschung. Ein internationales Team fünf renommierter Forschungsinstitute, inklusive des Max-Planck-Instituts für Molekulare Genetik in Berlin und des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam, haben das komplexe Erbgut der Süßkartoffel entschlüsselt und ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Plants“ veröffentlicht.

Ein schwieriger Kandidat für die Gensequenzierung

Für höhere Ernteerträge oder bessere Überlebenschancen bei ungünstigen Klimabedingungen bedarf es gezielter Züchtungen, die häufig nur mit einem genauen Verständnis des Erbgutes der Pflanze möglich sind. In Deutschland wurden bisher vor allem Kartoffeln und Weizen genauestens untersucht und charakterisiert. Forschern der fünf Institutionen in China und Deutschland ist es nun gelungen auch das komplette Genom der Süßkartoffel zu sequenzieren.

Die Süßkartoffel mit dem lateinischen Namen Ipomoea batatas gehört zu der Familie der Windengewächse, und bereits im Vorfeld war klar, dass diese Pflanze mit ihrem komplexen Genom ein schwieriger Kandidat für die komplette Sequenzierung darstellen würde: die Süßkartoffel hat 90 Chromosomen – selbst für Pflanzen eine sehr hohe Anzahl.

With a yield of 100 million tons per year the sweet potato has become the seventh most important crop in the world, and even continues to gain popularity worldwide and in Germany. Thus, researchers are also focussing more and more on this extraordinary plant. An international team of researchers based in China and Germany and including the Max Planck Institute for Molecular Genetics in Berlin and the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam managed to decipher the complex genome of the sweet potato and published their results in the journal “Nature Plants“.

A difficult candidate for genome sequencing

In order to achieve higher yields or higher resistance against inclement weather patterns targeted breeding schemes are necessary, which are oftentimes only possible with deep understanding of the genetic material. Germany’s most important crop plants thus far have been the potato and wheat – both of which have been characterised in detail. Researchers from five different research institutes in China and Germany were able to sequence the complete genome of the sweet potato Ipomoea batatas. This plant belongs to the family Convolvulaceae and even before sequencing began it was clear that due to its complex genome the sweet potato would be a difficult candidate for a complete genome sequencing: the sweet potato has 90 chromosomes – even for plants an unusually high number.

Ob Pflanzensamen gedeihen, hängt im Wesentlichen von der Qualität des Saatgutes ab. Ein entscheidender Qualitätsfaktor ist die Keimfähigkeit des Samens. Messbar war diese Eigenschaft bisher nicht. Der Qualitätscheck im Labor war auf eine visuelle Bonitur beschränkt. Mit dem „phenoTest“ gibt es erstmals ein voll digitalisiertes Prüfverfahren zur standardisierten, automatisierten Ermittlung von Keimfähigkeit und Triebkraft sowie zur 4D-Phänotypisierung von Samen und Jungpflanzen. Das Verfahren wurde von dem Söllinger Saatgutunternehmen Strube GmbH gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP und dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelt.

3D-Vermessung von Keimlingen

Das Testverfahren basiert auf der Methode der Computertomographie (CT). Dabei werden geschlossene Keimgefäße mehrmals während des Keimvorganges geröntgt. Bei der 3D-Vermessung werden sowohl Länge, Volumen und Wuchsrichtung der Pflanze und ihrer Organe, als auch die Wurzel, das Hypokotyl und die Keimblätter automatisch erkannt und erfasst. Der Röntgenvorgang, der weniger als drei Minuten dauert, kann während des Keimvorganges beliebig oft wiederholt werden. Mit der sogenannten 4D-Phänotypisierung kann daher nicht nur die Keimfähigkeit, sondern auch die Schnelligkeit und die Dynamik der Keimung exakt beschrieben werden.

Mithilfe eines Algorithmus werden dabei aber nicht nur phänotypische Merkmale gemessen. Die Keimlinge werden auch nach „normal“, „anomal“ und „nicht gekeimt“ unterteilt. Das neuartige Testverfahren liefert damit zuverlässige Angaben zur Qualität der Pflanzen, die auf Wachstum und Stresstoleranz auf dem Feld Einfluss haben. Darüber hinaus lassen sich mit dem „phenoTest“ erstmals auch Saatgutpartien mit ähnlicher Keimfähigkeit, aber unterschiedlicher Triebkraft und genetische Besonderheiten objektiv messbar differenzieren.

Pflanzen unter kontrollierten Umweltbedingungen wachsen zu lassen und dabei zu beobachten - diese weltweit einmalige Aufzuchtmöglichkeit bietet zukünftig die neue Pflanzenkulturhalle in Gatersleben. Ende August wurde die Weltneuheit am Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung eröffnet. Das hochmoderne Aufzuchtlabor ist Teil des bundesweiten Deutschen Pflanzen-Phänotypisierungs-Netzwerks (DPPN). Für den Bau des Gebäudes sowie technische Anlagen wurden insgesamt 7,8 Mio. Euro investiert. 5,8 Mio. Euro steuerten das Bundesforschungsministerium und das Land Sachsen-Anhalt bei.

Europas Leuchtturmprojekt

„Die Pflanzenkulturhalle ist ein Leuchtturmprojekt in Europa. Gemeinsam entwickeln wir mit grünen Innovationen den starken Standort Deutschland weiter,“ sagte Bundesforschungsministerin Johanna Wanka beim Festakt in Gatersleben. Für den wissenschaftliche Leiter der Pflanzenphänotypisierung am IPK, Thomas Altmann, ist das neue Aufzuchtlabor eine bedeutende Innovation, die es erlauben wird, „wesentliche wissenschaftliche Beiträge zur Bewältigung gesellschaftlicher Zukunftsaufgaben, wie der Ernährungssicherung und Rohstoffversorgung, zu leisten“.

Halluzinogene Pilze haben in vielen Kulturen eine lange Tradition. Sie wurden als „göttlich“ angesehen und zu spirituellen Zwecken genutzt. Wahrnehmung und Bewusstsein werden ähnlich wie bei LSD beeinträchtigt, weswegen die Pilze hierzulande als Modedroge unter den Namen „Magic Mushrooms“, "Psilos" oder „Zauberpilze“ bekannt sind. Verantwortlich für die psychoaktive Wirkung dieser Pilze ist der Inhaltsstoff Psilocybin. Wie der halluzinogene Naturstoff gebildet wird, war bisher weitestgehend unklar. Ein Team um den Naturstoffforscher Dirk Hoffmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat dieses Geheimnis nun gelüftet. Dafür haben die Wissenschaftler erstmals die enzymatische Biosynthese des Pilzstoffes rekonstruiert.

Enzymquartett steuert Psilocybin-Biosynthese

Wie die Wissenschaftler im Fachjournal „Angewandte Chemie“ berichten, konnten sie dabei vier Enzyme identifizieren, die für die Psilocybin-Biosynthese verantwortlich sind. Dabei handelt es sich um Enzyme, die die Aminosäure L-Tryptophan schrittweise in die halluzinogene Substanz umwandeln. Tryptamine sind chemische Abkömmlinge der Aminosäure L-Tryptophan und in ihrer Struktur mit dem Glückshormon Serotonin verwandt.

Durch biotechnologische Methoden stellten die Forscher im Labor die Pilz-Enzyme in Bakterien- und Schimmelpilzkulturen her und charakterisierten sie. Dabei stellten sie fest, dass die Biosynthese offenbar anders als vermutet abläuft. Der Studie zufolge spaltet im ersten Schritt eine ungewöhnliche Tryptophan-Decarboxylase die Carboxylgruppe der Aminosäure L-Tryptophan ab. Eine Monooxygenase fügt dann eine Alkohol-Gruppe an, auf die anschließend eine Kinase noch eine Phosphat-Gruppe überträgt. Abschließend knüpft eine Methyl-Transferase schrittweise zwei Methylgruppen an die Aminogruppe an, schreiben die Forscher.

Basis für biotechnologische Herstellung des Naturstoffs

Im Ergebnis gelang es den Chemikern, das Psilocybin enzymatisch zu synthetisieren und so erstmals auch die Syntheseroute des Wirkstoffs zu beschreiben. Die Jenaer Forscher haben damit die Grundlage für die biotechnologische Herstellung des Zauberstoffs gelegt. „Mit der Herstellung von Psilocybin mittels Enzymen machten wir einen großen Schritt, dieses stark wirksame Molekül besser bereitzustellen“, erklärt Dirk Hoffmeister.

Interesse in der Pharmabranche

Denn die magische Substanz hat längst das Interesse der Pharmaindustrie geweckt. Erste klinische Studien attestieren der Substanz heilende Kräfte. In einer geringen Dosis könnte Psilocybin die Angst von Krebspatienten oder die Symptome von Depressionen und Antriebslosigkeit lindern.

Unsere Wälder müssen den unterschiedlichsten Aufgaben als Rohstofflieferanten und Naherholungsgebiete gerecht werden und zugleich immer widerstandsfähiger gegen extreme Wetterereignisse sein. Genau mit dieser Widerstandsfähigkeit von Wäldern und dem Wissenstransfer für den europäischen Wald wird sich das neue Büro des European Forest Institute (EFI) vorrangig beschäftigen. Bundeslandwirtschaftsminister Christian Schmidt hat dieses am 29. August am Bonner UN-Campus eröffnet.

Internationaler Austausch von Wissen

Das EFI dient vor allem dem Austausch von Know-how und Erfahrungen auf internationaler Ebene. "Wald und Holz sind wichtige Bestandteile für gutes Leben und Arbeiten auf dem Land. Gleichzeitig erfüllen Wälder unersetzbare globale Funktionen, so für den Schutz des Klimas und der Lebensräume aber auch als Quelle nachwachsender Rohstoffe für die Menschheit", sagte Schmidt. Um all dies bestmöglich miteinander zu verbinden, brauche es den Austausch von Know-how und Erfahrungen auf internationaler Ebene. "Mit seinem forstwissenschaftlichen Sachverstand hilft das EFI, auch die europaweite Waldschutzdiskussion zu versachlichen", so der Bundesagrarminister.

Intelligente und nachhaltige Nutzung

Ein Aufgabenschwerpunkt des EFI: die Widerstandsfähigkeit von Wäldern. Vor allem die steigende Anzahl an Waldbränden besonders in Südeuropa bestätigt die Notwendigkeit dieser Untersuchungen. Gefragt sind intelligente und effiziente Konzepte, um Wälder auch in Zukunft zu bewahren und zugleich nachhaltig nutzen zu können. Das EFI wird somit einen wertvollen Beitrag leisten, die europäischen Wälder zu erhalten und widerstandsfähiger gegen Schadursachen wie dem Klimawandel zu machen.

Hauptsitz in Finnland

Das EFI ist eine internationale Organisation mit Hauptsitz in Finnland und regionalen Büros in Barcelona, Bordeaux und seit März 2017 auch in Bonn. Es wird getragen von 28 europäischen Zeichnerstaaten und hat circa 115 Mitgliedsorganisationen. Gemeinsam mit seinen Mitgliedern forscht EFI zu allen Aspekten von Wäldern. Die Arbeit reicht dabei von den ökologischen Grundlagen bis hin zur wirtschaftlichen Nutzung der Wälder. Zudem unterstützt das EFI die Kommunikation zwischen Wissenschaft, Politik und Praxis und sorgt dafür, dass politische Entscheidungsträger einen direkteren Zugang zu wissenschaftlichen Erkenntnissen haben.

Der Standort des EFI-Büros in Bonn ist auf dem Campus der Vereinten Nationen angesiedelt. Somit ergänzt das EFI vor Ort das Spektrum der internationalen Organisationen und Forschungseinrichtungen in Bonn, die sich mit Nachhaltigkeits- und Umweltfragen beschäftigen. Die Bundesregierung, das Land Nordrhein-Westfahlen sowie die Stadt Bonn unterstützen aktiv den Bonner Sitz des EFI. Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) trägt die Kosten für Miete und Grundversorgung der Liegenschaft für die nächsten zehn Jahre und gewährt eine jährliche Grundfinanzierung für diesen Zeitraum. Zudem wurden mit dem EFI bereits Projekte im Wert von 1,6 Mio. Euro für die nächsten drei Jahre vereinbart.

jmr

European forests have to accommodate a multitude of requirements: they have to be a resource provider as well as a nearby recreational area. At the same time forests also need to be more and more resilient in the face of extreme weather occurrences. This resilience will be the focus of the new office of the European Forest Institute (EFI) in Bonn. The official inauguration with Federal Minister for Food and Agriculture Christian Schmidt at the UN campus in Bonn took place on August 29.

International exchange of knowledge

The main goal of EFI is the exchange of knowledge and experiences on an international scale. Schmidt stated: “Forests and wood are important aspects of live in the country. At the same time forests have to fulfil irreplaceable global functions – such as climate protection and stabilisation and as a source for renewable resources for mankind. In order to combine all of these in the best possible way, we need the exchange of knowledge and experience on an international scale.”

Intelligent and sustainable usage

The main focus of EFI will be on the resilience of forests. Especially the growing number of wildfires in the south of Europe highlights the importance of these investigations. There is an urgent need for intelligent and efficient concepts to protect forests while also using them sustainably. Thus, EFI will provide an invaluable contribution to preserve the European forests and make them more resilient against for instance climate change.

Headquarters in Finland

EFI is an international organisation with its headquarters in Finland and regional offices in Barcelona, Bordeaux, and since March 2017 in Bonn as well. Together with its members EFI is researching everything regarding and related to forests. Furthermore, EFI actively supports the science-policy-society interface and exchange, and ensures that policy makers are able to access the newest scientific findings. At its future location at the Platz der Vereinten Nationen in Bonn, the new EFI Bonn office will complement the “family” of sustainability and environment related international organizations and research institutes in Bonn.

The German government, the State of North Rhine-Westphalia and the city of Bonn all actively support the new office location that will address sustainability and environmental issues. The Federal Ministry for Food and Agriculture will pay for rent and basic supplies for the next ten years. Additionally, for the next three years EFI is already involved in projects that are worth €1.6 Mio.

jmr

Mikroalgen sind die neuen Hoffnungsträger der Bioökonomie. Sie sind nicht nur eine alternative und gesunde Proteinquelle, sondern auch vielversprechende Kandidaten zur Herstellung von Biosprit. Der entscheidende Vorteil: Im Vergleich zu Energiepflanzen wie Raps und Mais werden für den Algenanbau keine landwirtschaftlichen Flächen oder gar Dünger benötigt. Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser reichen den Winzlingen aus, um in kurzer Zeit eine enorme Menge an Biomasse zu produzieren. Ziel eines soeben gestarteten deutsch-russischen Kooperationsprojekts ist es, die Mikroalgenproduktion energie- und kosteneffizient zu machen.

Neue Lichtkonzepte für Algenproduktion

Im Projekt „AlgNutrient-UrBioSol“ arbeiten Forscher vom Solar-Institut Jülich (SIJ) der Fachhochschule Aachen, dem Forschungszentrums Jülich (FZJ) sowie der Lomonosov-Universität Moskau und dem Nationalen Forschungszentrum Kurchatov Institut an neuen lichttechnischen Konzepten für die Mikroalgenproduktion. Darüber hinaus werden Materialien zur Verbesserung der Lichtausnutzung angepasst, um damit die Gesamteffizienz zu steigern. Das Projekt wird im Rahmen der Initiative „GER-RUS Bioeconomy International“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 1,58 Mio. Euro gefördert. „Es gehe darum zu erforschen, wie die Mikroalgen gezielt und effizient mit Licht versorgt werden könnten“, erklärt SIJ-Leiter Ulf Herrmann. Dafür werden optische Systeme zur Lichtlenkung und -konzentration untersucht. Mit dem Ziel, Mikroalgen als Biomasse wirtschaftlich nutzbar zu machen, werden im Rahmen des Vorhabens daher zwei Algen-Photobioreaktorkonzepte getestet.

Mikroalgen als Forschungsschwerpunkt

Die Mikroalgenforschung steht seit längerem im Fokus der Wissenschaft. Am Algenforschungszentrum in Jülich werden seit mehr als drei Jahren die grünen Winzlinge unter anderem als Quellen für Kerosin herangezüchtet. Auch in Sachsen-Anhalt suchen Wissenschaftler derzeit nach Wegen, aus Mikroalgen Farbstoffe und Proteine zu gewinnen und sie im industriellen Maßstab herzustellen. Hierfür werden nicht nur verschiedene Algenstämme analysiert und unter Freilandbedingungen kultiviert. Um eine höhere Produktivität zu erzielen, wollen die Forscher Algen sowohl per Photosynthese, als auch auf Basis organischer Kohlenstoffquellen aufziehen.

Spanische Forscher wollten eine „plastikfressende Raupe“ entdeckt haben. Im April berichteten sie in der Fachzeitschrift „Current Biology“, dass Larven der Wachsmotte Galleria mellonella fähig sein sollen, Plastiktüten aus Polyethylen (PE) zu verdauen. In den Medien avancierte die Nachricht aus der Wissenschaft schnell zur Sensationsmeldung (siehe Medienrückblick). Hätten die Forschungsergebnisse sich bestätigen lassen, wäre es der bislang schnellste und ökologischste Weg zum Abbau von Plastik gewesen – und damit eine Sensation.

Mainzer Team bezweifelt Aussage spanischer Forscher

Doch mit dem Verifizieren tut sich die Wissenschaftlergemeinde schwer und es regen sich zunehmend Zweifel: Ein Team um Till Opatz vom Institut für Organische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat eine Gegendarstellung veröffentlicht, ebenfalls im Fachjournal „Current Biology“. Die Forscher erklären darin, dass die Versuche der spanischen Arbeitsgruppe nicht ausreichen, um den „Plastik-Verzehr“ durch Raupen zu belegen. Im Gegenteil, sie haben mit Kontrollexperimenten gezeigt, dass die von den Spaniern erhobenen und veröffentlichten Daten zwar durchaus korrekt sein können, aber keineswegs als Indiz für die Zersetzung des Polyethylens interpretiert werden dürfen.

Verdauungsenzyme der Raupe im Experiment testen

Um den Nachweis zu erbringen, dass die Raupen der Wachsmotte tatsächlich Plastik verdauen und es nicht nur mechanisch zerkleinern, hatte das spanische Team um Frederica Bertocchini die Raupen homogenisiert und das Homogenisat auf die PE-Tüten aufgebracht. Das Raupenhomogenisat ist eine protein- und lipidreiche Masse der im gefrorenen Zustand zerstoßenen Raupen. Bei der Herstellung bleiben die Verdauungsenzyme intakt, sodass eine mögliche Zersetzungsaktivität mittels dieses Homogenisats nachzuweisen wäre. Zur Analyse wurden spektroskopische und mikroskopische Verfahren eingesetzt.

Falsche Datenauswertung führte zu „Fake-News“

Die Analysedaten interpretierte das spanische Forscherteam als Nachweis von Ethylenglycol, einem Abbaubauprodukt von PE, und folgerte, dass es sich um eine Zersetzung des Kunststoffs handeln müsse. Diese Interpretation ist nach Aussage der Mainzer Forscher falsch. Sie fanden Unstimmigkeiten bei den Daten der spanischen Arbeitsgruppe und argumentieren, dass die Signalmuster der vermeintlichen biochemischen Abbauprodukte fast deckungsgleich mit Signalen eines tierischen Protein-Fett-Gemischs seien, wie es allein durch die Homogenisierung der Raupen entstünde.

Um ihre Argumente zu belegen, vermischten Opatz und sein Team Eigelb und Hackfleisch miteinander und führten die gleiche Analytik wie beim Raupenhomogenisat mit PE durch. Den biochemischen Abbau von PE konnten die Mainzer zwar noch nicht abschließend widerlegen, aber die Unstimmigkeiten in der Interpretation der Daten durch die Spanier wären mit der Mainzer Hypothese erklärt. Ohne neue, unterstützende Versuchsergebnisse ist damit die These des spanischen Teams nicht länger haltbar. Opatz und sein Team sind überzeugt: Die Raupe verdaut keine PE-Tüten.

Rizinus schützt den Motor

Bauteile im Motorraum eines Autos müssen extremen Hitzebelastungen von über 200 Grad Celsius gewachsen sein. Daimler setzt bei der Mercedes-A-Klasse Motorabdeckungen aus Biopolyamiden ein. Während konventioneller Kunststoff aus Erdöl hergestellt wird, besteht die Abdeckung zu einem großen Teil aus Rizinusöl. Das Öl wird aus den Samen des Wunderbaums Ricinus communis gewonnen, der zur Familie der Wolfsmilchgewächse gehört. Der Baum wird unter anderem in den Tropen auf kargen Böden angebaut, die Früchte sind nicht essbar.

So wird die Haube grün

Aus dem Rizinusöl gewinnt der niederländische Chemiekonzern DSM einen Synthesebaustein namens Sebacinsäure. Zusammen mit weiteren – konventionell aus Erdöl gewonnenen – Bausteinen entsteht ein äußerst leistungsfähiger Biokunststoff. Das sogenannte Polyamid ist zu 70% biobasiert. Als Granulat wird das Kunststoffmaterial dann bei Daimler zu Motorabdeckungen verarbeitet. Es ist hitzestabil und rüttelfest.

Marktreife

Die Motorabdeckung aus Biopolyamiden auf Basis von Rizinusöl wird seit 2013 serienmäßig in der A-Klasse von Mercedes verbaut.

Castor oil protects the engine

Components in the engine compartment of a car must be able to withstand extreme heat loads of over 200 degrees Celsius. Daimler uses biopolyamide engine covers for the Mercedes A-Class. While conventional plastic is produced from crude oil, the cover consists largely of castor oil. The oil is extracted from the seeds of the castor oil plant Ricinus communis, which belongs to the spurge family. The tree is cultivated in the tropics on barren soils, among other places, and the fruits are not edible.

How the bonnet turns green

The Dutch chemical group DSM extracts a synthetic building block called sebacic acid from castor oil. Together with other building blocks - conventionally extracted from crude oil - an extremely efficient bioplastic is produced. The so-called polyamide is 70% biobased. The plastic material is then processed as granulate at Daimler to form engine covers. It is heat-stable and vibration-resistant.

Ready for the market

The engine cover made of biopolyamides based on castor oil has been fitted as standard in the Mercedes A-Class since 2013.

Phosphor ist ein entscheidendes Element für alle Lebewesen und Bestandteil vieler kleiner und großer natürlicher Phosphorverbindungen, in denen Phosphor hauptsächlich an Sauerstoff und Stickstoff gebunden ist. In der Zelle kommen sogenannte phosphorylierte Bausteine sehr häufig bei Zwischen- und Abbauprodukten des Stoffwechsels, den Metaboliten, vor.

Biochemikalien mit Phosphorgruppen sind sowohl in der Forschung als auch in Anwendungen von großem Interesse. Sie werden zum Beispiel als Enzymsubstrate für die Messung von Enzymaktivitäten, für die Entdeckung neuer biologischer Funktionen, als Referenzmaterialien in Analytik und Diagnostik oder als Bestandteil von definierten Zellkulturmedien eingesetzt.

In einem Forschungsverbundprojekt haben Biotechnologen aus Deutschland und der Schweiz nach neuen, industriell anwendbaren Möglichkeiten gesucht, um solche phosphorylierten Metabolite mithilfe von enzymatischen Verfahren zu gewinnen. Koordiniert hat das Projekt Roland Wohlgemuth von Sigma-Aldrich, ein Unternehmen, das seit November 2015 zum Darmstädter Pharma- und Chemiekonzern Merck gehört. „Phosphorylierte Metabolite und die dabei entwickelten neuen analytischen und präparativen Wege sind von großem Interesse, für die Grundlagenforschung und die angewandte Forschung in den Lebenswissenschaften, aber auch für nachhaltige Prozesslösungen“, sagt Wohlgemuth.

Stoffwechselprodukte synthetisch herstellen

Im Rahmen des Clusters „Biokatalyse2021: Biokatalyse auf neuen Wegen“ der Förder-initiative Bioindustrie 2021 wurde das Projekt mit dem Titel „Neue biokatalytische Phosphorylierungen von Metaboliten“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) von 2012 bis 2015 über eine Laufzeit von dreieinhalb Jahren mit insgesamt knapp 400.000 Euro gefördert.

Das Verbundprojekt teilte sich in drei übergreifende Teilprojekte auf, innerhalb derer die unterschiedlichen Arbeitsbereiche von den Partnern des Projekts bearbeitet wurden: Im Teilprojekt „Screening“, geleitet von Wolfgang Streit von der Universität Hamburg, wurden verschiedene Methoden und Strategien entwickelt, um für die gewünschten Umsetzungen neuartige phosphorylierende Enzyme aus Bakterien und Archaeen zu finden und zu charakterisieren. Dabei wurde das Potenzial unkultivierbarer Mikroorganismen und deren Metagenom als auch das Potenzial bereits bekannter Organismen erschlossen. Die gesuchten Enzyme mit hoher Aktivität wurden anschließend mithilfe der gut bekannten Labormikrobe Escherichia coli produziert, um damit die Bioverfahren zur Herstellung der phosphorylierten Metaboliten zu entwickeln.

Im Teilprojekt „Biokatalyse“, geleitet von Andreas Liese von der Technischen Universität Hamburg wurden die Anwendung der Enzyme unter Einbezug der Phosphor-Donoren und deren Regeneration, die Bioverfahrenstechnik und die Charakterisierung der enzymatischen Reaktionsschritte bearbeitet, um sie für zukünftige Produktionsverfahren zu etablieren. In dem von Roland Wohlgemuth geleiteten Teilprojekt „Scale Up“ ging es im Hinblick auf industrielle Anwendungen um analytische und technologische Methoden bei der Biokatalyse sowie der Aufreinigung der Produkte im vergrößerten Produktionsmaßstab.

Milde und genaue Einführung von Phosphor

Obwohl phosphorylierte Metabolite und Phosphor übertragende Enzyme in der Natur weit verbreitet sind und in vielen zentralen Stoffwechselprozessen, wie etwa der Glykolyse, eine wichtige Rolle spielen, waren wichtige phosphorylierte Metabolite für Anwender bisher nicht in reiner und stabiler Form verfügbar. Es fehlte sowohl an schonenden und selektiven Syntheseverfahren, wie auch an einer entsprechenden Hochleistungsanalytik.

Die Entwicklung von neuen leistungsfähigen Analyse-Verfahren war zu Beginn des Projekts ein wichtiger Erfolgsfaktor, um Herausforderungen zu erkennen und zu meistern. Ein besonderes Augenmerk legten die Forscher dabei auf die Stabilität der Moleküle – also die Enzyme, die Ausgangs- und Zwischenprodukte und die phosphorylierten Metabolite.Die Analysen der Reaktionen mittels NMR-Spektroskopie und Dünnschichtchromatographie (TLC), auch in Kombination mit der Massenspektroskopie, stellten sich dabei als besonders ergiebig heraus. Sie wurden im Forschungsverbund entsprechend weiterentwickelt, bis nach einigen Feinjustierungen die gewünschten Entwicklungen zur Synthese der Zielmetaboliten gelang.

Spiegelbilder auseinanderhalten

Da die Zielmoleküle in unterschiedlichen räumlichen Strukturen, die sich bildlich gesprochen wie linke und rechte Hand verhalten, standen die Forscher noch vor der Herausforderung der Produktion von genau einer räumlichen Struktur der Zielmetaboliten, was als asymmetrische Synthese bezeichnet wird.

Diese Zielmetaboliten sind wie „Bild“ und „Spiegelbild“, ein Phänomen, das Chemiker Chiralität nennen. Liegen Moleküle nur als „Bild“ oder nur als „Spiegelbild“ vor, bezeichnet man diese als enantiomerenrein. Das Ideal enantiomerenreiner Produkte ist ein hochaktuelles Ziel der asymmetrischen Synthese.

Enzyme als Biokatalysatoren sind darauf spezialisiert, nur eines der beiden Enantiomere herzustellen, was aber in den Synthesen durch entsprechende Analysen auch gezeigt werden muss. Obwohl die beiden Strukturen aus den exakt gleichen Elementen und Bindungen bestehen, können sie sehr unterschiedliche biologische Funktionen ausüben, wie z.B. unterschiedliche Wirkungen von Pharmazeutika auf den Menschen oder unterschiedliche Geruchswahrnehmung von Aromastoffen.

Auf der Suche nach verlässlichen Detektionsmethoden für die Enantiomere haben die Biotechnologen eine Reihe unterschiedlicher Methoden für die verschiedenen Aufgabenstellungen entwickelt, vor allem ³¹P-NMR-Spektroskopie und die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) in Kombination mit der Massenspektroskopie.

Wirtschaftliche und wissenschaftliche Ziele

Die Bilanz der Zusammenarbeit lässt sich sehen: es stehen nun wesentlich mehr Enzyme für biokatalytische Phosphorylierungen von Molekülen zur Verfügung, es wurden Verfahren entwickelt sowohl für das Auffinden und Herstellen dieser Enzyme, deren Analyse, als auch für die präparative Phosphorylierung von Metaboliten.

In dem Konsortium wurden in Konsequenz industrielle Prozesse zur Synthese der als Zielmoleküle definierten Phosphor-enthaltenden Stoffwechselprodukte etabliert und die gewonnenen Erkenntnisse wurden in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht.

Roland Wohlgemuth erklärt: „Die neuen Erkenntnisse können auch stimulierend wirken für die Entwicklung vieler weiterer neuer Bioprozesse im Zusammenhang mit sicheren, gesunden und umweltfreundlichen industriellen Phosphorylierungen und nachhaltigen Phosphor-Kreisläufen.“

Autorin: Judith Reichel

Die Schallplatte hat eine lange Tradition. Doch seit die ersten CDs Anfang der 1990iger Jahre den Markt eroberten, fristet die Musikscheibe ein Nischendasein. Durch das Aufkommen neuer digitaler Tonträger ist die Platte zu einem Kultobjekt geworden. Die alte Musikscheibe könnte jedoch schon bald in einem zeitgemäßen Gewand ein nachhaltiges Comeback erleben. Alexander Rex von der Burg Giebichenstein Kunsthochschule Halle forscht seit Jahren an einer neuen umweltfreundlichen Alternative zu den erdölbasierten Vinylscheiben.

PLA statt Vinyl

Im Rahmen eines Projektes an der Hochschule bekam der Student die Chance, sich mit seinen Design-Kommilitonen mit dem Thema Musikwiedergabe auseinandersetzen. Sein Projekt „Vinyl 2.0“ zielt darauf ab, Biokunststoffe für die Schallplattenherstellung zu finden. Dabei setzt er auf Polylactide. Doch mit dem Biokunststoff Polymilchsäure (PLA) ist es nicht getan. „Für den Einsatz solcher Kunststoffe müssten Maschinen umgerüstet, Abläufe verändert werden“, sagt Rex.

Protein-, vitamin- und mineralstoffhaltig

Die Weltbevölkerung nimmt zu, die Ressourcen werden knapp. Ein wichtiger Beitrag zur Ernährungssicherung könnte es sein, Insekten zu züchten statt Rinder, Schweine und Geflügel. Insekten sind reich an Proteinen, Vitaminen, Mineralstoffen und ungesättigten Fettsäuren. Insekten verbrauchen außerdem deutlich weniger Ressourcen als ihre vierbeinigen Gegenstücke. Laut Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) wird, um ein Pfund Rindfleisch zu erzeugen bis zu zwölfmal mehr Futter verbraucht als für die äquivalente Menge Insekten. Sowohl der Wasser- als auch der Flächenverbrauch wird also deutlich verringert und auch der CO₂-Ausstoß um ein Hundertfaches reduziert.

Gesund, schmackhaft und nachhaltig

Diese Überlegungen nahmen die Gründer des Start-ups Bugfoundation zum Anlass, Nahrungsmittel aus Insekten zu entwickeln. Ihr Burger sollte nicht nur gesund und schmackhaft sein, sondern auch massentauglich. Gemeinsam mit dem Deutschen Institut für Ernährung, der Hochschule Osnabrück und anderen Partnern wurde an der optimalen Textur, an Geruch und Optik gearbeitet. Entstanden ist der Bux Burger – er besteht zu 43% aus Buffalo-Würmern (alphitobius diaperinus), sowie diversen vegetarischen Zutaten. Um den Konsumenten die Scheu vor dem Verzehr der überaus nachhaltigen und gesunden Insekten zu nehmen, wurde auch an Kommunikation und Marketingstrategie gefeilt.

Marktreife

In Belgien und den Niederlanden sind die Burger bereits seit 2015 zu haben. Laut einer EU-Verordnung sind Insekten seit dem 1. Januar 2018 Lebensmittel. Seither stehen die Burger auch in den Kühlregalen deutscher Lebensmittelmärkte.

Containing protein, vitamins and minerals

The world population is growing and resources are becoming scarce. An important contribution to food security could be breeding insects instead of cattle, pigs and poultry. Insects are rich in protein, vitamins, minerals and unsaturated fatty acids. Insects also consume significantly less resources than their four-legged counterparts. According to the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), producing one pound of beef consumes up to twelve times more feed than producing the equivalent amount of insects. Both water and land consumption are thus significantly reduced and CO2 emissions are also reduced a hundredfold.

Healthy, tasty and sustainable

These considerations prompted the founders of the start-up Bugfoundation to develop food from insects. Their burger should not only be healthy and tasty, but also suitable for mass consumption. Together with the German Institute of Nutrition, Osnabrück University of Applied Sciences and other partners, work was carried out on the optimal texture, smell and appearance. The result is the Bux Burger - 43% of which consists of Buffalo worms (alphitobius diaperinus) and various vegetarian ingredients. In order to relieve consumers of their fear of eating the extremely sustainable and healthy insects, communication and marketing strategy were also refined.

Ready for the market

In Belgium and the Netherlands, burgers have been available since 2015. According to an EU regulation, insects have been defined as food since 1 January 2018. Since then, burgers have also been on the refrigerated shelves of German food markets.

Milch-, Fleisch- oder Fischwaren werden ungenießbar, wenn sie nicht kühl gelagert werden. In den warmen Entwicklungs- und Schwellenländern gehört dies aber zum Alltag. Ein Drittel der Lebensmittel verderben dort, weil es an Transport, Lager- und Kühlmöglichkeiten mangelt. Hinzu kommt, dass die verdorbene Ware nicht richtig entsorgt wird, was wiederum hygienische und gesundheitliche Probleme nach sich zieht.

Kälte aus biogenen Abfällen erzeugen

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT haben für die drängenden Probleme der Lebensmittelkühlung und Abfallentsorgung nun eine effiziente Lösung gefunden. Sie entwickelten für Partner in Indien eine „Bio-Kälte-Anlage“, die Reststoffe aus Fischverarbeitung und Landwirtschaft nutzt, um damit Kälte zur Kühlung von Lebensmitteln zu erzeugen. „Die Idee zur Bio-Kälte-Anlage entstand im Rahmen eines Fraunhofer-Ideenwettbewerbs 2015. Mithilfe einer Anschubfinanzierung konnten wir schließlich das technische Konzept für die Anlage ausarbeiten“, erzählt Clemens Pollerberg, der gemeinsam mit Michael Joemann das Projekt „BioKälte“ bei Fraunhofer UMSICHT betreut.

Mobile Kühlcontainer

Die im Projekt entwickelte Anlage besteht aus Fermenter, Gasbrenner, Absorptionskältemaschine und Rückkühlwerk, die zusammen mit dem Lagerraum für Lebensmittel in zwei mobilen etwa 12 Meter großen Containern untergebracht sind. Abhängig von der Zusammensetzung der Biomasse kann die Bio-Kälte-Anlage zwischen drei und fünf Tonnen Bioabfälle pro Tag verarbeiten. Ein entscheidender Vorteil: Das System funktioniert auch ohne Stromnetz. Es kann mit Solarpanelen und Wärme-Kopplungsanlagen kombiniert und somit überall aufgestellt werden. Außerdem können die bei der Fermentation anfallenden Reststoffe zu Düngemitteln für die Landwirtschaft weiterverarbeitet werden.

Demonstrationsanlage in Indien

Seit April 2017 laufen bereits die Vorbereitungen zum Bau einer Demonstrationsanlage in Indien. „Derzeit planen wir mit unseren Industriepartnern den Bau der wichtigsten Anlagenkomponenten – also die Entwicklung eines Fermenters in Containerbauweise zur Nutzung verschiedener Biomassen, sowie die Entwicklung einer Absorptionskältemaschine für die spezifischen Rahmenbedingungen in Indien“, erklärt Pollerberg. Dafür stehen den Forschern und ihren indischen Partnern im Rahmen eines weiterführenden Projektes, dem sogenannten „BIGASTORE“, 325.000 Euro zur Verfügung. Die Finanzierung erfolgt im Rahmen der Strategie der Bundesregierung zur Internationalisierung von Wissenschaft und Forschung – Richtlinie zur Förderung der Wissenschaftlich-Technologischen Zusammenarbeit in Indien. Bau, Installation und Inbetriebnahme der Demonstrationsanlage werden durch die indischen Partner umgesetzt. Wo genau die Bio-Kälte-Anlage gebaut werden soll, wollen die Fraunhofer-Forscher Ende des Jahres gemeinsam mit ihren indischen Partnern bei einem Treffen vor Ort entscheiden.