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The health of an ecosystem is founded on the complex interplay between its numerous inhabitants over a prolonged period of time. Therefore, assessing the state of an ecosystem solely on the basis of short-term changes in the number of different species it contains can lead to false conclusions. An international team of researchers from the Helmholtz Institute for Functional Marine Biodiversity (HIFMB) at the University of Oldenburg and the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) analysed how best to assess and calculate the health of an entire ecosystem. Using a mathematical model and environmental data analysis, they concluded that the turnover of species within a system needed to be tracked. The researchers published their results in the "Journal of Applied Ecology".

Species richness is a false friend

Global warming, spreading deforestation, and other mostly man-made environmental changes push many species to the brink of extinction. The result: far fewer species inhabit the same areas. The International Convention on Biological Diversity and the EU's Marine Strategy Framework Directive aim to mitigate this biodiversity crisis. In order to analyse the state of an ecosystem the most common approach thus far has been to take the number of species (species richness) as a measurement and as a direct indicator for its health. "But this metric has its pitfalls because it doesn't fully reflect the changes in the system," says the Oldenburg biodiversity expert Hillebrand, who is also the lead author of the study.

In fact, according to the scientists' model calculations, negative influences on an ecosystem do not automatically result in a reduction in species richness: "Species richness is a result of the balance between the immigration and the extinction of species", Hillebrand explains. However, these two processes do not occur at the same speed. A few individuals of a species can quickly migrate into a local habitat and colonise it, but it may take several generations for a species to be replaced by a new, more competitive species, or to die out as a result of changed conditions. Hillebrand , adds: "So species richness can be a false friend."

How many species are migrating?

The recommendation of the scientists: monitoring how many species are migrating into a system, how many are leaving it, and how many species are becoming more or less abundant within the system. As an example the scientists used this method to analyse long-term measurements from various ecosystems. “In extreme cases, the majority of species in an ecosystem could be replaced by new species. But if you only look at the number of species, the so-called species richness, that number doesn’t change at all”, says Jonathan Chase of the German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) and the Martin Luther University Halle-Wittenberg. “Therefore, species richness alone can be a misleading metric and can obscure what is really going on in an ecosystem.”

The new method can be applied effectively using data already available from environmental monitoring programmes. And the hope of the researchers is that their new assessment-tool will help to bridge the gap between basic research and nature conservation in practice.

jmr

Few organisms can survive on their own, many live in symbiosis with others, some of which are parasitic. Dodder, a parasitic vine of the genus Cuscuta, grows rapidly, entwining and parasitizing its host plants by inserting haustoria (a special organ that only parasitic plants have that functions analogue to roots) into the host plants’ stems. The dodder vines often connect different host plants together and form a network. Scientists from the Kunming Institute of Botany in China and the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena now discovered that the vines do much more than that: If any plant in the network is attacked by herbivores, the expression of defence genes in the unattacked neighbouring plants is activated. These plants are then on high alert and become more resistant to their enemies. Thus, dodder not only deplete nutrients from their host plants, but also function as important communicators between neighbouring plants, when insects feed on host plants. The results are published in the journal “Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)”.

Plant communication via vines

Plants of the genus Cuscuta are leaf- and rootless parasites and grow on their host plants without touching the soil. Their haustoria penetrate their host plants and the vines fuse their vascular systems with those of its host plants. A team of scientists led by Jianqiang Wu from the Kunming Institute of Botany in China and Ian Baldwin from the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena investigated whether the parasite is only tapping the plants’ supply system or also playing a role in plant-plant communication. “It has been found that plants can communicate through volatile cues and underground mycorrhizal networks. We therefore wanted to know whether dodder can transmit insect feeding-induced signals among different hosts and whether these signals can even activate defences against insects,” explains Jianqiang Wu, who is an Alumnus of the Max Planck Institute for Chemical Ecology and is now heading a Max Planck Partner Group in China.

Signal transfer across dodder-bridges

In agriculture, dodder causes considerable economic damages in pasture farming with alfalfa and clover. In China, dodder parasitisation leads to large losses in soybean yield. Therefore the researchers used mostly soybean plants for their experiments. In order to induce defence reactions, caterpillars of Spodoptera litura, a worldwide agricultural pest, were put on the plants. The researchers then analysed which genes in the leaves of dodder-connected plants became active, using RNA sequencing. According to the first author of the study, Christian Hettenhausen, the researchers detected the signal transfer about the “insect-attack” not only in unattacked leaves of the same plant, but in fact also in neighbouring plants that were only connected by so-called dodder-bridges. “The plant hormone jasmonic acid plays an especially important role in dodder-mediated systemic signalling. After insect herbivory, defence signals travelled rapidly from plant to plant via the dodder network, even over large distances,” Jianqiang Wu explained. Moreover, the Alarm signals were even exchanged between different plant species.

Different herbivores might induce different responses

In the future, the researchers want to investigate the signal transfer induced by different herbivores. Here, they used Spodoptera litura, a chewing caterpillar, but in the future the scientists want to decipher whether piercing-sucking insects, such as aphids, induce a different repertoire of defensive signals, and may even be transferred differently. The scientists also want to identify the substances that are responsible for the signal transfer. Ian Baldwin summarizes: “Ecological interactions in nature are extremely complex. A parasite steals valuable nutrients from its host, but at the same time functions as an important link to warn neighbours. Whether this warning is unselfish after all needs further studies to clarify.”

jmr

Sie sind die Industrieanlagen der Bioökonomie: Bioraffinerien wandeln Biomasse wie beispielsweise Holz oder Abfälle der Papierindustrie in wertvolle Zwischenprodukte um, die dann als Ausgangssubstanzen für biobasierte Endprodukte genutzt werden. „Bioraffinerien sind Innovationstreiber einer zukünftigen biobasierten Wirtschaft und versprechen hohe Chancen für Wachstum und Beschäftigung“, so Bundesforschungsministerin Johanna Wanka. Bioraffinerien schaffen außerdem Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen wie Erdöl und schonen Umwelt und Klima. Auch nach Einschätzung des deutschen Bioökonomierates, einem unabhängigen Experten-Gremium, bergen Bioraffinerien großes Potenzial.

Technologie-Initiative baut auf Roadmap Bioraffinerien auf

Mit der Förderinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) „Technologie-Initiative Bioraffinerien“ sollen innovative, prozesstechnologische Bioraffinerie-Verfahren entwickelt und miteinander kombiniert werden. Insbesondere die möglichst vollständige Verwertung biobasierter Roh- und Reststoffe steht dabei im Fokus. Die Förderinitiative ist eingebettet in die „Nationale Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“. Nach der Verabschiedung des „Aktionsplans der Bundesregierung zur stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe“ im Bundeskabinett 2009 wurden dann 2012 mit der „Roadmap Bioraffinerien“ die Grundlagen für die Entwicklung und Umsetzung von Bioraffineriekonzepten geschaffen.

Bund gibt 15 Mio. Euro für innovative Projekte

Nun stellt das BMBF mit der neuen Förderinitiative 15 Mio. Euro bereit und wendet sich an Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft. Gefördert werden risikoreiche, innovative Projekte der Forschung und Entwicklung, die wissenschaftliche und technologische Lösungsansätze für verschiedene Stufen des Bioraffinerie-Prozesses bieten. Sie sollen zur erfolgreichen Entwicklung und Etablierung von Bioraffineriekonzepten beitragen. Berücksichtigt werden energie-, ressourcen- und kostenintensive Prozesse, bei denen die Nachhaltigkeit entsprechend gewährleistet wird. Dabei gilt es insbesondere solche Reststoffe zu verwerten, die keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion darstellen. Schließlich sollen die nachwachsenden Rohstoffe in der Bioökonomie insgesamt die Chancen erhöhen, die weiter wachsende Weltbevölkerung auch zukünftig ausreichend mit Nahrungsmitteln, hochwertigen Produkten und Energie zu versorgen.

Förderung für Technologieansätze entlang der Verfahrenskette

Die Förderung soll vor allem innovativen Technologieansätzen zur Verfügung stehen, die bis zum Demonstrationsmaßstab getestet werden können. Dies beinhaltet sowohl Einzel- als auch Verbundvorhaben. Fördergegenstand sind ausschließlich Technologien und Verfahren zur materiellen Rohstoffnutzung. Es können Projekte aus verschiedenen Stadien des mehrstufigen Bioraffinerieprozesses eingereicht werden:

Verfahren, Technologien und Produkte der Primärraffination
Verfahren, Technologien und Produkte der Sekundärraffination
Nutzungskonzepte für anfallende Koppel- und Nebenprodukte

Zweistufiges Antragsverfahren

Bei der Förderinitiative handelt es sich um ein zweistufiges Antragsverfahren. Die Förderquote richtet sich nach Institution und Vorhaben. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) werden mit 25%, in Ausnahmen bis zu 50%, unterstützt. Bei Hochschulen, Forschungs- und Wissenschaftseinrichtungen sowie vergleichbaren Institutionen können zuwendungsfähige projektbezogene Ausgaben mit einer Förderquote bis zu 100% berücksichtigt werden. Forschungsvorhaben an Hochschulen können zusätzlich eine Projektpauschale in Höhe von 20% erhalten. Die „Technologie-Initiative Bioraffinerien“ wird administrativ vom Projektträger Jülich (PtJ) betreut. Projektskizzen können bis zum 23. Oktober 2017 beim PtJ eingereicht werden.

Die Agrarwirtschaft ist ein wichtiger Teil der Bioökonomie. Mehr als 50% der Landesfläche Deutschlands wird landwirtschaftlich genutzt. Lebensmittel aus Deutschland sind nicht nur innerhalb des Landes gefragt, sie sind auch ein Exportschlager. Weltweit steht Deutschland mit seinem Agrarexport an dritter Stelle. Das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung (BMEL) hat nun einen Bericht veröffentlicht, aus dem weitere Details hervorgehen.

„Made in Germany“ steht für Qualität

Lebensmittel „Made in Germany“ werden mit Innovation, Qualität und Sicherheit assoziiert. Das hohe Qualitätsniveau deutscher Produkte ist gute Ausgangsbasis für den Exporterfolg. Die hochwertigen Veredlungserzeugnisse haben eine hohe Wertschöpfung. Bei ihnen ist die deutsche Ernährungsindustrie besonders stark und im Ausland konkurrenzfähig.

Derzeitige Exportpolitik auf gutem Kurs

Der Exportbericht „Agrarexporte 2017 – Daten und Fakten“ erläutert die Bedeutung des Exports für die Landwirtschaft, die Wertschöpfung und die Arbeitsplätze. Zudem informiert er über Chancen und Potenziale des Agrarhandels. „Der Export ist wichtig für die deutsche und europäische Agrar- und Lebensmittelindustrie“, so Bundeslandwirtschaftsminister Christian Schmidt. Der Export sichere Arbeit und Wohlstand vor allem im ländlichen Raum. Die aktuelle Entwicklung bestätige die derzeitige Exportpolitik, die ihren Fokus auf die Erschließung neuer Absatzmärkte und die Beseitigung von Handelsschranken lege. Exporte in sogenannte Drittweltländer würden nicht staatlich gefördert und spielten mengen- und wertmäßig keine bedeutende Rolle, so Schmidt weiter.

Agrarexport mit über 70 Mrd. Euro auf Rekordhoch

Ein Drittel der Gesamtproduktion der deutschen Landwirtschaft wird exportiert. Auch in der Ernährungswirtschaft stammt ein Drittel der Gewinne aus dem Export. Deutschlandweit hängen rund 320.000 Arbeitsplätze vom Export ab. In den vergangenen Jahren entwickelte sich der Export-Markt positiv und hat 2016 mit über 70 Mrd. Euro einen neuen Rekord erreicht.

Deutschland weltweit auf Platz 3

Nach Angaben der World Trade Organisation (WTO) steht Deutschland weltweit an dritter Stelle – sowohl bei den Exporten als auch den Importen, wobei der Import den Export mit rund 9 Mrd. Euro übersteigt. Deutschland ist damit trotz weltweit herausragenden Exportzahlen derzeit noch ein Netto-Importeur. Mit mehr als drei Viertel der Exporte ist die Europäische Union (EU) der wichtigste Absatzmarkt für deutsche Agrarprodukte. Die gilt auch für den Import: Rund zwei Drittel aller Importe stammen aus einem der anderen 27 EU-Mitgliedstaaten.

Agrarausfuhren legen 2017 weiter zu

Die deutschen Agrarausfuhren haben Anfang 2017 weiter zugelegt. Von Januar bis Mai stiegen sie um rund 6%. Ein besonders hohes Wachstum verzeichnete der Milchsektor. Der Export an Milch und Milcherzeugnissen nahm in die EU-Länder um knapp 13% (3,8 Mrd. Euro) und in Länder außerhalb der EU um 28% (744 Mio. Euro) zu. Der Agrarexport-Bericht soll von nun an jährlich erscheinen, um die Entwicklungstendenzen zu erfassen und darzustellen.

Von Deutschland aus wird künftig ein internationales Reiszüchtungsprojekt koordiniert. Unter Führung des Düsseldorfer Pflanzenforschers Wolf Frommer soll Reis vor dem gefürchteten Bakterium Xanthomonas oryzae oryzae gewappnet werden. Es löst die sogenannte Weißblättrigkeit aus, die in Afrika, Indien und Südostasien zu heftigen Ernteeinbußen und Not in der Bevölkerung führt. In dem internationalen Konsortium werden Forscher aus Deutschland, den USA, Frankreich, Kolumbien und den Philippinen zusammenarbeiten. Für das ambitionierte Projekt, in dem innovative Pflanzenzüchtungstechniken wie die Genschere CRISPR-Cas eingesetzt werden, stellt die Bill-und-Melinda-Gates-Stiftung 6 Mio. US-Dollar über einen Zeitraum von vier Jahren zur Verfügung.

Vorarbeiten sind geleistet

Forscher verschiedener Arbeitsgruppen haben unabhängig voneinander entdeckt, dass das sogenannte SWEET-Protein der Schlüssel für die Resistenz von Pflanzen gegen die Reiskrankheit ist. Die Arbeitsgruppe um Wolf Frommer identifizierte diese Eiweißstoffe als pflanzeneigene Zuckertransporter. Sie transportieren von der Pflanze durch Photosynthese erzeugte Zuckermoleküle von den Blättern in die Samen. Der bakterielle Erreger programmiert den Transportmechanismus um und verwendet dann die Zucker für sich. Dazu aktivieren die Bakterien die Transporter in den Reiszellen und verschaffen sich Zugang zu den Nährstoffen.

Dem Erreger die Nahrungszufuhr verweigern

Kann verhindert werden, dass das Bakterium die Transporter aktiviert, so können sich die Erreger nicht vermehren und die Pflanze ist resistent gegen die Weißblättrigkeit. „Diese überraschende Entdeckung gibt uns jetzt die Strategie für unser gemeinsames Forschungsprojekt vor: Wir schneiden den Krankheitserregern den Zugang zu ihrer Speisekammer – den Zuckerspeichern der Pflanzen – ab und hungern sie so aus“, so Frommer, der das internationale Projekt vom Institut für Molekulare Physiologie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf aus leitet. Der Pflanzenforscher ist als Träger der Alexander von Humboldt-Professur im April dieses Jahres von der Stanford University an die Universität Düsseldorf gewechselt. Er arbeitet zudem am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln.

Einsatz der Genschere CRISPR-Cas

Das neue Forschungsprojekt ist am 1. August gestartet. Die Forschungsarbeiten sollen überwiegend in der von Joob Seob Eom geleiteten Arbeitsgruppe am MPI in Köln durchgeführt werden. Wie Frommer bioökonomie.de auf Anfrage per E-Mail mitteilte, kommt bei den molekularbiologischen Methoden auch die Genschere CRISPR-Cas und weitere neue Züchtungsmethoden zum Einsatz. Fremdes Erbgut werde aber nicht in die Pflanzen eingebracht. „Unsere Ansätze sind nicht transgen und damit ununterscheidbar von natürlich auftretenden Varianten“, so Frommer. Mit ihrer Methode seien die Forscher in der Lage, genetische Varianten gezielter, schneller und einfacher kombinieren zu können als mit klassischen Züchtungsmethoden.

Neue Sorten sollen für alle da sein

Nach den ersten erfolgreichen Modellversuchen sollen nun verschiedene Sorten entwickelt werden, die in der Praxis eingesetzt werden können. „Für Farmer in Indien, Südostasien und Afrika könnten diese Sorten das Leben wesentlich verbessern. Unsere Pflanzen tragen keine Herbizidresistenzen, keine fremden Gene“, schreibt Frommer. Die Forscher möchten erreichen, dass das Saatgut später frei verfügbar ist und somit auch – oder insbesondere – den Armen im Kampf gegen die Reiskrankheit helfen kann. Zudem würden die Forschungsergebnisse aus dem Projekt möglicherweise ein analoges Vorgehen bei anderen Pflanzenkrankheiten nach sich ziehen, sodass auch der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln ohne Ertragseinbuße reduziert werden könne.

ml/bp

Milch und Zucker sind beliebte Zusätze, um Heißgetränke wie Kaffee oder Tee zu veredeln. Kondensmilch und Kaffeesahne werden herkömmlicherweise in kleinen Plastik- oder Pappkapseln verpackt mit dem Kaffee gereicht. Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben nun Kapseln entwickelt, die sich in einem Heißgetränk auflösen und damit deutlich weniger Verpackungsabfall produzieren. Die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit publizierte das Team in der Fachzeitschrift „Chemical Engineering and Technology“.

Zuckerkruste schützt flüssigen Milchkern

Die löslichen Milchkapseln bestehen aus einer äußeren Zuckerkruste, die innen mit gesüßter Milch gefüllt ist. „Durch ihre Zuckerkruste haben die Kapseln eine Verpackung, die sich in heißen Flüssigkeiten einfach auflöst“, erklärt Ernährungswissenschaftlerin Martha Wellner, die das Verfahren während ihrer Doktorarbeit am ehemaligen Zentrum für Ingenieurwissenschaften der MLU entwickelte. Die Kapseln werden auf relativ einfache Weise produziert. Zunächst wird eine Mischung aus Milch und Zucker im gewünschten Verhältnis hergestellt. In einer Form kühlt diese dann ab, wobei der Zucker am Rand der Flüssigkeit auskristallisiert und dadurch eine harte Kruste um die flüssige gesüßte Milch im Inneren bildet. Wellner untersuchte in ihrer Doktorarbeit, welche Stoffe und Abkühlungsprozesse die besten Ergebnisse liefern.

Mehrere Produkt-Varianten sind möglich

Bislang gibt es zwei Varianten der Zucker-Milch-Kapseln: Süß und leicht süß. An einer ungesüßten Variante wird derzeit noch getüftelt. „Die Kapseln sind zum Beispiel als mögliche Alternative für die kleinen, äußerst unpraktischen Verpackungen von Kaffeesahne gedacht, die es in großer Zahl etwa bei Konferenzen oder in Flugzeugen gibt“, so Joachim Ulrich, promoviertem Ingenieur und Professor an der MLU. Die Kapseln können bei Raumtemperatur gelagert werden. Die so verpackte Milch ist auf diese Weise mindestens für drei Wochen haltbar. „Unser Verfahren lässt sich auch für andere Flüssigkeiten einsetzen“, ergänzt Wellner. Auch Fruchtsaft sei beispielsweise so zu verpacken. Zudem können die Kapseln auch in verschiedenen Formen hergestellt werden.

Großes Potenzial als umweltfreundliche Verpackung

Die Idee zur Herstellung von Verpackungen aus kristallisiertem Zucker stammt von Ulrich. Seine Arbeitsgruppe forscht sein Jahren zur Kristallbildung und einer industriellen Nutzung. „In anderen Promotionsarbeiten haben wir bereits andere Verfahren zu Verkapselung erforscht“, sagt Ulrich. Dabei wurden jedoch unterschiedliche Zielsetzungen verfolgt. So sei auch die Verpackung von Medikamenten und Herstellung von Tabletten eine mögliche Anwendung. Ulrich ist überzeugt, dass die Anwendung des Verfahrens als eine umweltfreundliche Verpackungsalternative für Milch großes Potenzial mit sich bringt. Bereits 2015 hatten die Wissenschaftler das Herstellungsverfahren der Kapseln patentieren lassen. Ein Patent für ein fertiges Produkt gibt es noch nicht, da zunächst noch überprüft werden soll, ob die neuartigen Kapseln auch allen Anforderungen an die Lebensmittelvorgaben gerecht werden und sich kostengünstig in großen Stückzahlen produzieren lassen.

Der Anfang August in Sachsen-Anhalt gestartete Forschungsverbund EMIBEX wird mit 1,2 Mio. Euro vom europäischen Struktur- und Investitionsfond (EFRE) gefördert. Er soll die biotechnologische Produktion von Mikroalgen und Mikroalgenprodukten für den Einsatz im industriellen Maßstab vorbereiten. Zu EMIBEX gehören der Standort Köthen der Hochschule Anhalt, das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna und das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg. Der Verbund vereint damit verschiedene Kompetenzen auf dem Gebiet der Mikroalgenforschung.

Zusammenschluss von Experten

Die Arbeitsgruppe Algenbiotechnologie der Hochschule Anhalt kümmert sich um die Analyse der verschiedenen verwendbaren Algenstämme und um deren Kultivierung unter Freilandbedingungen. Gemeinsam mit Experten des CBP Leuna arbeiten die Biotechnologen außerdem an der Optimierung der gesamten Prozessführung, also dem Hochskalieren vom Labor in den Pilotmaßstab. Am Max-Planck-Institut ist die Fachgruppe Prozesstechnik, Team Biochemische Produktionssysteme mit photosynthetischen Organismen, für die mathematische Modellierung und Optimierung des Prozesses zuständig.

Aufgrund der fortwährenden Begleitung durch Mathematiker können Experimente besser geplant und erforderliche Steuereingriffe in der Prozessführung vorhergesagt werden. Trotz schwankender Freilandbedingungen wie Sonnenlicht, Temperatur und Kohlendioxid, soll so immer eine optimale Kultivierung gewährleistet werden. Basierend auf den Labor- und Freilandergebnissen wird schließlich ein mathematisches Gesamtprozessmodell erstellt, um den Prozess standortspezifisch ökologisch und ökonomisch bewerten zu können.

Nachhaltig produzierte Produktalternativen

Nach Ende des Verbundvorhabens in zweieinhalb Jahren sollen Farbstoffe und Proteine aus Mikroalgenbiomasse industriell hergestellt werden können. Der Verbund will dann mit seinem Angebot die steigende Nachfrage aus der Pharma-, Nahrungsmittel- und Futtermittelindustrie nach nachhaltig produzierten Produktalternativen decken.

Um eine höhere Produktivität zu erzielen, setzt EMIBEX auf eine sogenannte mixotrophe Prozessführung. Die Algen wachsen hierbei in Kombination sowohl per Photosynthese (autotroph) als auch auf Basis organischer Kohlenstoffquellen (heterotroph). Die mixotrophe Prozessführung vereint die Vorteile der Produktion Photosynthese-assoziierter Inhaltsstoffe (CO₂-Verwertung) mit der deutlich höheren Produktivität der heterotrophen Kultivierung. Algenbiomasse entsteht folglich unter variabler Nutzung sowohl von Sonnenlicht und Kohlendioxid als auch von organischen Nährstoffen.

ml/jmr

Ein intaktes Ökosystem basiert auf komplexen Interaktionen zwischen all seinen diversen Bewohnern über einen längeren Zeitraum hinweg. Untersucht man also nur eine Momentaufnahme, oder wie sich die Zahl der Arten kurzfristig verändert, kann dies zu falschen Schlüssen führen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Helmut Hillebrand vom Helmholtz-Institut für Funktionelle Marine Biodiversität (HIFMB) an der Universität Oldenburg und von dem Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) hat untersucht, wie der Zustand eines gesamten Ökosystems am besten ermittelt und berechnet werden kann. Basierend auf einem neuen mathematischen Modell kamen sie zu dem Schluss, dass die Gesamtfluktuation der Arten in einem System berücksichtigt werden muss. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin „Journal of Applied Ecology" veröffentlicht.

Artenvielfalt allein lässt keine verlässlichen Aussagen zu

Klimaerwärmung, Abholzung und andere größtenteils von Menschenhand verursachte Umweltveränderungen drängen viele Arten an den Rand des Aussterbens. Die Folge: immer weniger Arten bewohnen ein Gebiet. Die internationale Convention on Biological Diversity oder die europäische Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie haben es sich zum Ziel gemacht diese Biodiversitätskrise einzudämmen. Um den Zustand eines Ökosystems einzuschätzen, wurde meist die Anzahl der Arten verwendet. „Doch dieses Maß hat seine Tücken, denn es spiegelt Veränderungen im System nicht richtig wider“, sagt der Oldenburger Biodiversitätsexperte Hillebrand.

Tatsächlich führen laut den neuesten Berechnungen der Wissenschaftler negative Einflüsse auf ein Ökosystem nicht unmittelbar dazu, dass die Artenzahl abnimmt. Auch umgekehrt steigt die Zahl der Arten nicht sofort an, sobald sich ein Ökosystem von einem menschlichen Eingriff erholt. Der Grund: „Die Artenzahl ergibt sich aus einem Gleichgewicht zwischen Einwanderung und Aussterben von Arten“, erläutert Hillebrand. Beides laufe aber nicht gleich schnell ab: Wenige Individuen einer Art können schnell in ein lokales Habitat einwandern und es so besiedeln. Dagegen dauert es mehrere Generationen, bis eine Art von einer neuen, konkurrenzstärkeren Art verdrängt wird oder aufgrund der veränderten Bedingungen ausstirbt. „Ob also über einen langen Zeitraum mehr oder weniger Arten in einem Ökosystem verbleiben, kann man anhand von kurzfristigen Trends nicht verlässlich sagen“, betont Hillebrand, und ergänzt: „Die Artenzahl kann also ein falscher Freund sein.“

Wer bleibt, wer geht?

Die Empfehlung der Wissenschaftler: genauere Beobachtungen, wie viele Arten in ein System einwandern, wie viele auswandern und wie viele Arten häufiger beziehungsweise seltener werden. Mit dieser Methode analysierten die Wissenschaftler beispielhaft Langzeit-Messungen aus unterschiedlichen Ökosystemen: „Wir können zeigen, dass sich die Identitäten der Arten teilweise oder sogar komplett austauschen – selbst wenn sich über die Zeit die Artenzahl überhaupt nicht verändert“, sagt Hillebrand. „Das ist eine große Veränderung der Biodiversität, die sich in der reinen Artenzahl gar nicht abbildet.“

Überspitzt hieße das: Wenn in einem Wald die Baumarten durch ebenso viele Grasarten ersetzt würden, wäre die Artenzahl gleich geblieben, der Wald jedoch fort, erläutert der Ökologe. Für ihre Analysen nutzten die Forscher explizit Daten, die Naturschützer ohnehin als Teil von Umweltüberwachungsprogrammen erheben. So wollen die Wissenschaftler gewährleisten, dass ihr Werkzeug auch mit in der Praxis oft begrenzten Ressourcen einsetzbar ist. „Wir hoffen, so auch eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und Naturschutzpraxis zu schlagen“, sagt Hillebrand.

jmr

What is known as "rice blight" is a dreaded plant disease that endangers rice harvests throughout the whole of South-East Asia, especially India, as well as large parts of Africa and can thus lead to great hardship amongst the local population. The disease is caused by the bacterial pathogen Xanthomonas oryzae oryzae.

Consortium of plant scientists

Wolf Frommer, a plant researcher at the Institute of Molecular Physiology at the university of Düsseldorf, where he is a Humboldt Professor since April 2017, has assembled an international research group to fight rice blight. The team includes scientists from Iowa State University and the University of Florida in the USA, the Institut de Recherche pour le Développement in Montpellier, France, Colombia's International Centre for Tropical Agriculture and the International Rice Research Institute in the Philippines. The researchers have found a way to make plants resistant to the pathogen.

SWEET is a key to resistance

Frommer is an expert on transport processes in plants. Before coming back to Germany this spring, he was a professor at Stanford University. The sugar transporters known as SWEET identified by his research group play a key role in resistance. Plants need these transporters to bring the sugar produced during photosynthesis in the leaves to the seeds. And it is precisely this transport mechanism that the pathogens re-programme for their own purposes. Further research revealed that the bacteria systematically activate the transporters in the rice cells and in so doing gain access to nutrients. If such activation is prevented, the bacteria cannot multiply. Wolf Frommer says: "This surprising discovery has provided us with a strategy for our joint research project: We cut off the patho-gens' route to their larder – the plants' sugar stores – and starve them out."

US$6 million by the Gates foundation

The research project "Transformative Strategy for Controlling Rice Disease in Developing Countries" began on 1 August 2017. The project is supported by a four-year grant from the Bill & Melinda Gates Foundation. In the framework of the project, Frommer will concentrate especially on the production of elite varieties for India and Africa. He will mostly conduct his research work within the working group led by Joon Seob Eom at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne.

The research results can prove valuable beyond the specific topic of rice blight. Wolf Frommer: "Our discovery might be just the tip of the iceberg. We could use the same approach to try and combat other plant diseases and in that way hopefully make a small contribution to protecting the world's food supply." And that would also be good for the climate and the environment, since if plant diseases can be combatted effectively, less pesticides and fertilisers would be needed worldwide to ensure sufficient harvests.

Spinnenseide ist ein fazinierendes Biomaterial - es ist extrem reißfest, dehnbar und sehr leicht. Weitere Eigenschaften machen es für die Medizin interessant: das Material erweist sich bei Kontakt mit Haut und anderem Körpergewebe als sehr gut verträglich. Spinnenseide besteht aus einem einzigen Seidenprotein - ein Eiweißstoff, den die Spinnen in speziellen Drüsen herstellen. Doch Biotechnologen haben es geschafft, Bakterien zu Zellfabriken für das Spinnenseideprotein umzufunktionieren. Somit steht die Substanz jetzt in großen Mengen zur Verfügung. Die Biotechnologie-Firma AMSilk hat sich auf die Herstellung biotechnischer Seidenproteine spezialisiert. Sie fertigt daraus Textilfasern für Kleider oder Sneaker oder bietet das Seidenprotein als Kosmetik-Zusatzstoff an.

Jetzt hat ein Forscherteam der Universitäten Bayreuth und Erlangen-Nürnberg herausgefunden, dass sich Protein aus Spinnenseide hervorragend für die Regenerative Medizin eignet: mit Trägermaterial aus Spinnenseide lässt sich im Labor biologisches Ersatzgewebe herstellen, mit dem die Regeneration infarktgeschädigter Herzen angekurbelt werden könnte. Das Team berichtet in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“.

Trägermaterial für Zellpflaster

In Deutschland sind rund 1,8 Millionen Menschen von einer Herzschwäche betroffen. Die sogenannte Herzinsuffizienz wird oft durch Schädigung der Herzmuskelzellen verursacht. Häufig ist der Grund eine vorangegangene Herzerkrankung wie beispielsweise ein Infarkt. Die Schädigung ist bislang irreversibel. Das bedeutet es gibt auch noch keine Therapie, die das Muskelgewebe heilen könnte. Eine Strategie der Regenerativen Medizin setzt auf Gewebestücke oder "Pflaster" aus Herz- und Gefäßzellen, die in die abgestorbenen Herzregionen integriert werden.

Felix Engel ist Professor an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und erforscht Nieren- und Kreislauferkrankungen. Er hat nachgewiesen, dass sich die Seide des Indischen Seidenspinners besonders gut als Gerüstmaterial zur Herstellung von Herzgewebe eignet. Bislang konnten die Seidenproteine jedoch nicht in ausreichender Menge und verlässlicher Qualität gewonnen werden.

Spinnenseideprotein als Tinte für den 3D-Drucker

In Kooperation mit der Arbeitsgruppe um Thomas Scheibel vom Lehrstuhl für Biomaterialien an der Universität Bayreuth wurde nach neuen biotechnologischen Lösungen gesucht. „Uns ist es gelungen, ein rekombiniertes Seidenprotein der Gartenkreuzspinne in größeren Mengen und bei gleichbleibender hoher Qualität zu produzieren“, sagt Scheibel. Die biotechnologisch hergestellte Spinnenseide ist für den 3D-Druck als sogenannte Biotinte geeignet. Mit einem dreidimensionalen Druck können gewebeähnliche Strukturen hergestellt werden. Die dabei verwendeten lebenden Zellen von Menschen und Tieren bleiben meist funktionstüchtig.

Zelltypen wachsen auf Spinnenseide

Die beiden Wissenschaftlerinnen Jana Petzold und Tamara Aigner untersuchten nun gemeinsam, wie mit dem künstlich hergestellten Seidenprotein Herzgewebe gebildet werden kann. Dazu brachten sie eine dünne Schicht des Seidenproteins auf einem Glasträger auf. Darüber platzierten sie Bindegewebs-, Muskel- oder Blutgefäßzellen und überprüften ihr Zellwachstum. Besonderes Augenmerk lenkten die Forscherinnen auf die Herzmuskelzellen, deren Wachstum sich mit bestimmten Faktoren gezielt beeinflussen ließ.

Baustoff für Gewebeingenieure

Nach Ansicht der Forscher eignen sich die künstlich produzierten Seidenproteine als Basis für die Herstellung von Herzersatzgewebe. Die ersten Schritte für ein zukünftiges Verfahren wurden nun gemacht. „Funktionierendes Herzgewebe kann sehr bald künstlich hergestellt werden“, äußert sich Scheibel optimistisch. Die Frage sei nun, wann und wie das in der Praxis umgesetzt werden könne.

Klimatische Schwankungen und Wetterkapriolen bescheren der Landwirtschaft zum Teil empfindliche Ernteeinbußen. Um dem vorzubeugen, haben Forscher am Institut für Textil- und Ledertechnik (ITL) der Westsächsischen Hochschule Zwickau untersucht, wie das Pflanzenwachstum bei kühlen Temperaturen verbessert werden kann. Gemeinsam mit Partnern des Forschungsnetzwerks LanoTex tüfteln sie an einer Idee, wie die Pflanzenwurzeln auf ökologische Weise gewärmt werden können.

Wurzelklimatisierung verbessert Pflanzenwachstum

„Eine sogenannte Wurzelklimatisierung ist effektiver für die Pflanze“, sagt Projektleiterin Silke Heßberg von der Hochschule Zwickau. Dadurch spare der Organismus Energie, was die Ernte zu einem vorgezogenen Zeitpunkt ermögliche. Es gibt bereits unterschiedliche Heizsysteme, mit denen das Pflanzenwachstum positiv beeinflusst wird: Fußbodenheizungen sowie Systeme mit Warmwasser, Elektro- und Gasheizungen. Durch die externe Energiezufuhr sind diese Systeme aber in der Regel kostenintensiv und benötigen entsprechende Ressourcen zur Energiebereitstellung.

Wachs als Wärmespeichermaterial

In dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt LanoTex haben sich 13 Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengetan, um neue Technologien, Verbundsysteme und Produkte für den technischen Einsatz von Textilen in Industrie, Land- und Forstwirtschaft zu entwickeln. Durch die Verwendung von nachhaltig produzierten Rohstoffen wollen sie einen Beitrag zum Klimaschutz leisten und neue Absatzmärkte und Anwendungsbereiche für Textilprodukte erschließen. In dem Projekt zur Pflanzenklimatisierung haben die Forscher spezielle Matten mit sogenanntem Phasenwechselmaterial (Phase Change Material - PCM) hergestellt. Es handelt sich um einen passiven Wärmespeicherstoff auf Wachsbasis, der am Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoffforschung (TITK) entwickelt wurde. Während des Tages erwärmt sich das Material und gibt die Wärme in der Nacht an das Erdreich ab, sodass die Temperaturschwankungen an den Wurzeln verringert werden. Das ausgeglichene Wurzelklima wirkt sich positiv auf das Pflanzenwachstum aus.

Feldsalat, Gurke und Spargel können früher geerntet werden

Ihre PCM-Matten haben die Forscher in den hochschuleigenen Gewächshäusern und einer Gärtnerei bei der Kultivierung von Feldsalat und Gurken erprobt. Im Frühling wurden außerdem Tests beim Spargelanbau durchgeführt. Bei den Versuchen wurden zahlreiche Messreihen zur Temperatur erhoben. Die Ergebnisse zeigen, dass sich eine vorgezogene Ernte durch die Optimierung der Wurzeltemperatur der Pflanzen erreichen lässt. Eine verkürzte Vegetationszeit bis zur Ernte und eine höhere Produktqualität könnten Betrieben, die die neuen Matten nutzen, Marktvorteile verschaffen. Da die vom ITL und LanoTex entwickelten Matten schadstofffrei sind und ohne zusätzliche Energiezufuhr auskommen, sind sie umweltfreundlicher als herkömmliche Heizsysteme.

Sie soll als zentraler Austauschpunkt für die Bioökonomie fungieren: Das Bioeconomy Knowledge Centre (BKC) der Europäischen Kommission ist am 20. Juli in Brüssel gestartet. Es handelt sich dabei um eine Online-Plattform, die Wissen zur biobasierten Wirtschaft vermitteln und Wissenslücken aufzeigen will. Das BKC wurde vom hausinternen Wissenschaftsservice der Europäischen Kommission und dem Joint Research Centre (JRC) in Zusammenarbeit mit dem Directorate-General for Research and Innovation (DG RTD) erstellt. „Das Bioeconomy Knowledge Centre bietet Entscheidungsträgern relevante Informationen zeitnah und in einem übersichtlichen Format. Es ist die vierte Wissensplattform die von der Europäischen Kommission in den letzten zwei Jahren ins Leben gerufen wurde und ist ein weiterer wichtiger Schritt, um gesellschaftlichen Herausforderungen der EU mit fundiertem, evidenzbasiertem Wissen entgegenzutreten“, erklärt Tibor Navracsics, Beauftragter für Bildung, Kultur, Jugend und Sport und verantwortlich für das JRC.

Datenbank und Bibliothek

Ziel des BKC ist es, die europäische und nationale Politik und deren Entscheidungsträger und Beteiligte mit fundiertem und fokussiertem Wissen auf diesem Themengebiet zu unterstützen. Die Plattform wird vordergründig nicht selbst Daten generieren, sondern vorhandenes Wissen aus der gesamten Bandbreite der Bioökonomie bündeln, strukturieren und zugänglich machen. Grundlage dafür ist ein Bioökonomie-Datenkatalog. Dieser soll als Metadaten-Speicher fungieren und Benutzer zu den Webseiten leiten, wo die jeweiligen Datensets gespeichert sind. Die Datensets stammen wiederrum entweder von der Europäischen Kommission oder von externen Beteiligten. Zusätzlich liefert das BKC auch eine Wissensbibliothek, die relevante Bioökonomiepublikationen von der Europäischen Kommission aber auch von anderen auf dem Feld der Bioökonomie tätigen Organisationen vereint. Zudem findet man auf der BKC-Plattform auch den Bioökonomiereport des Jahres 2016, sowie viele Infografiken.

Wissenschaftliche Evidenzen für die Bioökonomie

Die Bioökonomie stellt einen wichtigen Teil der europäischen Ökonomie dar, und hat durch landwirtschaftliche Innovationen, Forstwirtschaft, Bioenergiesektor und vielen weiteren Bereichen ein enormes Wachstumspotenzial. „Der Start des Bioeconomy Knowledge Centres bedeutet auch eine wichtige Annäherung der verschiedenen Bereiche der Politik bezüglich der Bioökonomie. Um globale und geopolitische Herausforderungen mit einer schlüssigen Strategie entgegentreten zu können, bedarf es einem ausgezeichneten Wissensknotenpunkt, vor allem um bereichsübergreifenden Fragen zu beantworten“, erklärt Carlos Moedas, EU-Kommissar für Forschung, Wissenschaft und Innovation. Das BKC wird die Europäische Kommission bei der Überprüfung der Bioökonomiestrategie 2012 unterstützen, die dabei vor allem ihr Augenmerk auf die neuen politischen Entwicklungen wie das Pariser Abkommen COP21, die Sustainable Development Goals der Vereinten Nationen und das Circular Economy Package richten wird.

jmr

Trees are extremely important for a healthy ecosystem and a stable climate. Plants take up about half of the CO₂ emissions that humans put in the atmosphere, and a huge part of that is accomplished by trees. CO₂ emissions are one of the major driving forces behind global warming. Thus, it is paramount that as many trees as possible stay healthy and alive in order to function as CO₂ emission sponges and slow down further climate changes. However, the occurrence of droughts increases globally, which directly endangers the survival of trees. Therefore, scientists aim to identify the physiological mechanisms that lead to drought-induced tree die-offs. An international consortium including scientists at the Max Planck Institute for Biogeochemistry in Jena published their findings in the journal "Nature Ecology & Evolution", where they conclude that hydraulic failure is a universal factor when water deficiency kills trees.

Carbon starvation vs. hydraulic failure

“Droughts are simultaneously happening over large regions of the globe, affecting forests with very different trees,” says Liz Blood, director of the US-based National Science Foundation’s Macrosystems Biology programme. “The discovery of how droughts cause mortality in trees, regardless of the type of tree, allows us to make better regional-scale predictions of droughts’ effects on forests.” One idea for improving these models is to base forest responses on how trees die in response to heat, drought, and other climate stresses. But progress on this has been limited by disagreement over whether carbon starvation or hydraulic failure, the inability of a plant to move water from roots to leaves, is the true cause of death in trees.
Plants transpire large amounts of water in order to transport nutrients and to be able to carry out photosynthesis. Transpiration is facilitated by stomata, small pores in the leaves that also let in CO₂. Trees respond to the stress of drought by closing those pores, which reduces both water loss and photosynthesis activity. Once closed, the trees need to rely on their stored sugars and starches to stay alive, and could die from carbon starvation if they run out before the drought is over.
Additionally, as the soil dries out, trees have to suck harder to get water out of the soil, thereby increasing the risk of gas bubbles forming in their vessels. The bubbles, or embolisms, interrupt the transport of water from the roots upwards to the leaves, a process called hydraulic failure that may become lethal as the whole tree dries out.

A link between both theories

A consortium of 62 scientists from across the globe found that hydraulic failure was universal when trees died, whereas carbon starvation was a contributing factor roughly half of the time. "This makes sense, because stored sugars and starches are also important for preventing hydraulic failure by acting as “osmoprotectants,” increasing the tree’s ability to hold on to its water", says Henrik Hartmann, scientist at the Max Planck Institute in Jena. The study’s results help link together the theories of carbon starvation and hydraulic failure, and provide a strong suggestion for how to go about improving vegetation models and overall predictions of climate change.

jmr

Bäume und Wälder sind enorm wichtig für ein gesundes Ökosystem und ein stabiles Klima. Pflanzen nehmen etwa die Hälfte der Kohlendioxidemissionen aus der Atmosphäre auf, ein besonders großer Anteil wird dabei von Bäumen bewältigt. Hohe CO₂-Emissionen führen zu globaler Erwärmung. Darum ist es um so wichtiger, dass möglichst viele Bäume lange gesund erhalten bleiben, um als Kohlenstoffspeicher zu fungieren. Allerdings kommt es weltweit vermehrt zu Dürren, wodurch das Überleben vieler Bäume stark beeinträchtigt wird. Für die Erstellung belastbarer Klima- und Vegetationsmodelle bedarf es dem Verständnis der Mechanismen, die dem Baumsterben bei Trockenheit zu Grunde liegen. Diese Mechanismen hat ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena untersucht und die Ergebnisse im Fachjournal "Nature Ecology & Evolution" veröffentlicht. Die Forschenden fanden heraus, dass eine Fehlfunktion beim Wassertransport der ausschlagebene Faktor für dürrebedingtes Baumsterben ist.

Verdursten oder verhungern die Bäume?

Wissenschaftler untersuchen schon seit Langem die physiologischen Mechanismen des Baumsterbens bei Dürre. Die zentrale Frage: Verdursten die Bäume, weil der Wassertransport zusammenbricht oder verhungern sie aus Mangel an Kohlenhydraten? Bäume verdunsten große Mengen Wasser für den Transport von Nährstoffen, zur Kühlung und für die Photosynthese.

Den Transpirationsprozess ermöglichen kleine Poren an der Unterseite der Blätter, die sogenannten Spaltöffnungen oder Stomata. Bei Hitze und Trockenheit werden sie geschlossen, dadurch drosselt der Baum zwar den Wasserverlust, aber auch seine Photosyntheseaktivität sinkt. Hält der Trockenstress an, kann der Eigenbedarf an Kohlenhydraten für den Stoffwechsel nicht mehr gedeckt werden und der Baum wird anfälliger für Krankheiten und Schädlinge. Bei gleichzeitig weiter austrocknendem Boden nimmt die Saugstärke in den Wurzeln und im Leitgewebe zu, wodurch das Risiko für Luftblasen (Embolien) im Gewebe steigt. Diese können den Wassertransport teilweise oder vollständig unterbrechen, und das Gewebe trocknet aus. Bislang waren sich die Forscher uneinig, ob der Ausfall des Wassertransports oder der Kohlenhydratmangel vorrangig für das Absterben der Bäume verantwortlich ist.

Die Unterbrechung des Wassertransports maßgeblich

In der Nature Ecology-Publikation haben 62 internationale Forscher Daten von 19 verschiedenen Trockenstressexperimenten zusammengetragen und ausgewertet. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass für alle 26 untersuchten Baumarten die Unterbrechung des Wassertransports ausschlaggebend ist für ihren Dürretod. In etwa der Hälfte der Fälle spielt „Kohlenstoffhunger“ eine begleitende Rolle. Die Untersuchung zeigt zudem, dass beide Phänomene, sowohl Kohlenhydratmangel als auch Wassertransportschäden bei Trockenstress auftreten. „Dies macht Sinn, denn die gespeicherten Zucker und Stärke spielen eine unterstützende Rolle im hydraulischen System des Baums, zum Beispiel, indem sie den osmotischen Druck in den Zellen regulieren“, erklärt Max-Planck-Forscher Henrik Hartmann, der selbst zwei Trockenstressexperimente für die Studie beigesteuert hat.

jmr

Im Sommer sind kühle Erfrischungsgetränke sehr willkommen. Doch viele Konsumenten scheuen zu hohe Zuckeranteile oder chemisch hergestellte Inhaltsstoffe. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising haben auf Basis von Süßlupinen ein erfrischendes, proteinreiches Getränk entwickelt. Die Herstellung des Lupinen-Getränks sei in jeder Brauerei möglich. Als Kooperationspartner war außerdem der Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie an der Technischen Universität München am Projekt beteiligt, und als Industriepartner haben die Unternehmen Wild und Döhler die Entwicklung unterstützt. Während die Firma Döhler das Projekt durch fachliche Beratung sowie Analyse der Zwischen- und Endprodukte unterstützt hat, hat das Heidelberger Unternehmen Wild, ein Spezialist für Getränkegrundstoffe, auf Basis des Lupinen-Extrakts bereits ein Fruchtgetränk mit Mango- und Apfelgeschmack produziert.

Problematische Lupinensamen

Die nahrhaften Proteine stecken in den Samen der Lupine. Doch um diese für die Ernährung des Menschen nutzbar zu machen, musste das Fraunhofer-Forscherteam ein spezielles Verfahren entwickeln. Denn vor allem der hohe Proteingehalt in Verbindung mit dem erwünschten frischen Geschmacksprofil stellte eine echte Herausforderung dar.
Meistens sind Proteine im sauren pH-Bereich gar nicht löslich, doch aufgrund einer löslichen Proteinnebenfraktion bildet die Lupine hier eine Ausnahme. Aber es gab noch ein weiteres Problem zu lösen: Lupine gehören zu der Familie der Hülsenfrüchtler, zu der auch Bohnen, Erbsen oder Erdnüsse gehören. Das bedeutet, sie enthalten wie alle Hülsenfrüchte Phytinsäure. Diese bindet wertvolle Mineralien und hemmt Enzyme – sie gilt daher als wenig bekömmlich.

Neues Verfahren erhält Proteine und senkt Phytinsäure

Schon seit vielen Jahren beschäftigen sich die Freisinger Fraunhofer-Forscher damit, wie sich die Lupinenproteine gewinnen lassen. Dafür gab es 2014 sogar den Deutschen Zukunftspreis. Auch mit dem neuen Fraunhofer-Verfahren bleiben bei der Verarbeitung der Süßlupinen die wertvollen Proteine erhalten und gleichzeitig wird die unerwünschte Phytinsäure reduziert.

Dabei setzen die Experten auf eine Kombination aus Getreidemalzen und speziellen Mikroorganismen. Letztere bauen die Phytinsäure hydrolytisch, also mithilfe von Wasser, ab. Dabei kommt ein zweistufiger Maische- und Fermentationsprozess zum Einsatz. Dieser eigentlich unkomplizierte, aber dennoch empfindliche Prozess wurde von den Forschern an mehreren Stellen optimiert und angepasst. Das Endprodukt ist ein Lupinen-Extrakt in Form von Paste oder Pulver. Dieses dient dann als Ausgangspunkt für ein bekömmliches und zugleich nahrhaftes Getränk. Durch den Einsatz des Extrakts als Getränkegrundstoff lässt sich der Proteingehalt gezielt einstellen. Da das Lupinen-Extrakt selbst relativ neutral schmeckt, sind viele unterschiedliche Geschmacksrichtungen möglich.

Verfahren ähnlich dem Bierbrauen

Das Lupinen-Getränk sei ein gutes Beispiel für die Arbeitsweise des Fraunhofer IVV: „Wir entwickeln und optimieren Herstellungsverfahren, bei denen traditionelle Methoden mit neuen Inhaltsstoffen kombiniert werden. Auf diese Weise entstehen neue, gesunde und nachhaltige Nahrungsmittel“, erklärt Raffael Osen, Projektleiter am Fraunhofer IVV.
In diesem Fall wurde der Herstellungsprozess vom Bierbrauen abgeleitet, und nutzt Apparate wie Maischpfanne, Läuterbottich oder Gärtank, über die jede Brauerei verfügt. Große Zusatzinvestitionen wären für eine Produkterweiterung also nicht erforderlich.

Und die Süßlupine ist nicht die einzige interessante Pflanze für die Herstellung gesunder und proteinhaltiger Getränke – auch andere Hülsenfrüchte wie Bohnen oder Erbsen könnten schon bald als Grundlage für gesunde und proteinhaltige Getränke dienen. Die Herstellungsverfahren müssten dazu nur leicht angepasst werden. „Der Prozess ist jetzt gut etabliert. Wir versuchen im nächsten Schritt die Verfahren auf andere Rohstoffe anzuwenden, um eine größere Produktvielfalt zu erreichen“, sagt Osen. „Gerade regionale proteinreiche Pflanzen wie Erbsen oder Bohnen haben großes Potenzial.“

jmr

Cool, refreshing drinks are always welcome during the summer time. But many customers shy away from high sugar contents and too many chemical ingredients in commercially available sports drinks. Therefore, researchers at the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV in Freising developed a novel, protein-rich summer drink made from sweet lupins. The production of this new drink should be feasible for any brewery. The technique was developed in cooperation with the Technical University Munich as well as partners from industry. The company Döhler provided technical support for the project and the Heidelberg-based company Wild already produced fruit drinks based on lupin extracts.

Lupins are nutritious but tricky

The nutritious proteins are hidden in the seeds of the lupins. However, combining a high protein content with the envisioned fresh taste is no easy task. Especially since usually proteins are not soluble under acidic conditions. Luckily, lupins contain a globulin fraction that is highly soluble in this pH range and also possesses excellent functional and nutritive properties. Unfortunately, lupins contain phytic acid, a typical component for legumes such as beans, peanuts – or lupins. Phytic acid has been know to cause indigestion and has been linked to diverse other adverse effects. Until now, it has been very complex and costly to separate phytic acid from proteins. Therefore the researchers needed to develop a new process that minimises the phytic acid content, while leaving the protein content largely intact.

New technique reduces phytic acid

For the new process the researchers employ a combination of malt and specific microorganisms, which use hydrolysis to remove the phytic acid. This all happens in the context of a two-step mash- and fermentation process. The researchers optimised this straightforward but delicate process at several instances. The final product is a lupin extract in the form of powder or paste. This then marks the starting point for a nutritious and easily digestible drink. Since it is only the base for the drink, the exact protein content is adjustable. Moreover, since the extract itself is neutral in taste, there are many different flavours possible.

The new lupin drink is a good example for how the Fraunhofer IVV team works, explains Raffael Osen who is leading this project. Because of their specific expertise they are able to combine conventional methods with novel approaches. In the case of the lupin drink they based their approach on conventional beer brewing. They used many of the same instruments and facilities, which should make it easy for breweries to adopt the new drink into their product portfolio at little to no additional cost.

Peas and beans could be next

The sweet lupin, however, is not the only plant the researchers are interested in for their new healthy and protein-rich drinks. Other legumes such as beans or peas could be the next base for drinks like that – the process would only have to be altered very slightly. “The process is well established now. Our next step will be to use the technique for other raw materials in order to broaden our product portfolio”, says Osen. “Especially regional protein-rich plants such as peas or beans have great potential for us.”

jmr

Wälder sind für das globale Klima bekannterweise von enormer Bedeutung. Die Fähigkeit der Bäume, Kohlenstoff zu speichern, wurde bisher aber vor allem jüngeren Gehölzen zugeschrieben. Dass auch uralte Bestände noch effektive Kohlenstoffspeicher sind, zeigt erstmals eine Studie Hamburger Forscher. Ein Team um Michael Köhl vom Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) der Universität Hamburg hat dafür in einem unberührten aber von Abholzung bedrohten Teil des Regenwaldes von Surinam 61 Bäume dreier Arten im Alter zwischen 83 und 255 Jahren untersucht.

Hoher Kohlenstoffanteil in altem Gehölz

Wie die Wissenschaftler im Fachjournal "PLoS One" berichten, sind Bäume durchaus auch im hohen Alter noch in der Lage, Kohlenstoff zu binden und damit für den Klimaschutz maßgeblich. Der Studie zufolge nahmen die alten Tropenhölzer allein im letzten Viertel ihres Lebens zwischen 39% und 50% ihres gesamten Kohlenstoff-Anteils auf. Die Forscher hatten dafür jeweils das Alter der Bäume bestimmt. Die Dicke der Wachstumsringe gab Auskunft über den jährlichen Zuwachs. Aus Höhe und Durchmesser berechnete das Team das Reingewicht eines jeden Baumes. Hierbei zeigte sich, dass die Hälfte der Biomasse aus Kohlenstoff besteht. In Kombination mit den Jahresringen konnten die Forscher ermitteln, in welchem Alter der Baum wieviel Kohlenstoff aufgenommen hat. Wachstum und Größe der Bäume waren danach aber weniger vom Alter abhängig, sondern vielmehr von Zufällen und günstigen Bedingungen, heißt es in der Studie. Ein kleines Pflänzchen kann sich danach lange im Schatten eines großen Nachbarn halten und in die Höhe schießen, sobald der Weg zum Licht frei ist, wenn der Baum fällt.

Potenzial für Europas Wälder

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass nicht nur Tropengehölze bis ins hohe Alter als Kohlenstoffspeicher produktiv sind. „Die Ergebnisse lassen sich auf europäische Bäume übertragen, auch wenn die Wälder ganz unterschiedlich sind“, betont Michael Köhl. In den bewirtschaftetetn Wäldern Europas, meist Monokulturen, haben die Baume etwa die gleiche Größe und stellen nach dem Ringen um Nahrung und Licht die Kohlenstoffspeicherung tatsächlich fast gleichzeitig ein. Das Team um Köhl ist aber überzeugt, dass mehr naturbelassene Mischwälder nicht nur die Artenvielfalt fördern, sondern dann auch hierzulande Bäume bis ins hohe Alter CO₂ aus der Atmosphäre abbauen können.