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Bis zum Jahr 2020 will die Europäische Union (EU) die europäischen Meere wieder in einen guten ökologischen Zustand überführen. Um den Erfolg zu überprüfen, bedarf es mehrerer, aussagekräftiger Merkmale. Für die Ostsee wurden deshalb elf sogenannten Deskriptoren definiert, die gemeinsam den ökologischen Zustand des Meeres verlässlich beschreiben. Einer der Deskriptoren ist das „Nahrungsnetz“. Das Nahrungsnetz ist ein Modell, in dem verschiedene Arten über ihre Nahrungsaufnahme und die Räuber-Beute-Beziehung zueinander in Bezug gesetzt werden. Da es sich um ein sehr komplexes System handelt, ist es oft schwierig, aussagekräftige Messungen und Beschreibungen vorzunehmen. Das Team um den Meeresbiologen Norbert Wasmund vom Leibniz-Institut für Ostseeforschung in Warnemünde (IOW) hat nun in der Fachzeitschrift „Frontiers of Marine Science“ vorgestellt, wie Plankton zur Charakterisierung des Nahrungsnetzes genutzt werden kann. Die Veröffentlichung besteht aus einem ersten und zweiten Teil.

Massenvermehrung der Mikroalgen im Frühling

Im Frühling, wenn die Tage länger werden, kommt es in der Ostsee zur sogenannten Frühjahrsblüte. Mikroalgen nutzen das Licht und vermehren sich massenhaft. In der Ostsee sind dies vor allem Kieselalgen (Diatomeen) und Panzergeißler (Dinoflagellaten). Die Mikroalgen, auch Phytoplankton genannt, bilden die Basis der Ernährungspyramide, auf der fast alles weitere Leben im Meer aufbaut. An der Spitze der Pyramide stehen Säugetiere wie Kegelrobben beziehungsweise der Mensch und die Fischereiwirtschaft.

Plankton als Indikator nutzen

Sinkt das Plankton nach dem Absterben ab, so erreichen die schwereren Kieselalgen schneller den Boden als die Panzergeißler. Dadurch können sich sowohl schwimmende als auch am Boden lebende Organismen von den abgestorbenen Kieselalgen ernähren. Die langsam absinkenden Panzergeißler bieten vor allem Nahrung für schwimmende Organismen, da sie gefressen werden, bevor sie den Meeresgrund erreichen. Der sogenannte Diatomeen/Dinoflagellaten-Index oder kurz den Dia/Dino-Idex beschreibt, welche der beiden Gruppen bei der Frühjahrsblüte überwiegt. „Dominieren die Kieselalgen vor den Panzergeißlern, so ist das für viele Bereiche des Nahrungsnetzes besser. Wir haben also durch dieses einfache Verhältnis ein gutes Maß für seinen Zustand“, erläutert Wasmund.

Monitoring und Verwendung historischer Daten

Die notwendigen Messungen zur Erstellung des Indexes sind relativ einfach, was die Beobachtung, das sogenannte Monitoring, erleichtert. Um den ökologischen Zustand der Ostsee in der Vergangenheit zu rekonstruieren und mit dem heutigen zu vergleichen, hat Wasmund frühere Beobachtungsdaten herangezogen. Etwa seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Aufzeichnungen zum Phytoplankton gemacht, die der Meeresbiologe ausgewertet hat. Dabei zeigte sich, dass bis in die 1980er Jahre die Diatomeen gegenüber den Dinoflagellaten dominierten. Danach kehrte sich das Verhältnis um, was mit einer schlechten Phase für das Nahrungsnetz einherging. Seit der Jahrtausendwende verbessern sich die Werte des Dia/Dino-Indexes wieder. Aktuelle Daten werden jetzt beim Monitoring der Helsinki-Komission (HELCOM) systematisch erhoben und stehen für die Berechnung des Indexes kontinuierlich zur Verfügung. Für eine umfassende ökologische Beschreibung der Ostsee werden dann zusätzlich die übrigen Deskriptoren einbezogen.

bp

Er sorgt für Erholung, trägt zum Klimaschutz bei, wird bewirtschaftet und soll möglichst naturnah sein: Deutschlands Wälder sind wahre Multitalente. Aber wie kann sichergestellt werden, dass uns die Wälder noch lange erhalten bleiben? Heike Begehold befasste sich in ihrer Doktorarbeit an der Universität Dresden mit der Komplexität unserer Nutzwälder und hat Empfehlungen erarbeitet, wie ökonomische und ökologische Aspekte in Einklang gebracht werden können. Nun vermittelt sie ihr Wissen als Lehrerin an einer freien Schule.

Das Phytohormon Auxin ist an nahezu allen Entwicklungsprozessen einer Pflanze beteiligt. Der Signalstoff, der in den Blättern gebildet wird, sorgt unter anderem dafür, dass die Pflanze zum Licht wächst und Seitenwurzeln bildet. Darüber hinaus ist er auf den verschiedensten Signalwegen innerhalb der Pflanze anzutreffen und steuert entsprechende Prozesse. Dass ein einziger Signalstoff diese Breitenwirkung hat, gilt als Phänomen und ist für Pflanzenforscher weltweit seit Langem von Interesse. Bekannt ist, dass die Wirkung des Hormons von Proteinen hervorgerufen wird, die im Zellkern das Hormon erkennen und binden, so andere Proteine aktivieren und das Signal zur Bindung weitergeben. Am Ende der Signalübertragungskette sind all jene Gene aktiv, die in der Pflanze beispielsweise die Teilung, Streckung und Differenzierung der Zellen anregen. Über die Bindung des Hormons an sein Rezeptorprotein war bisher wenig bekannt.

Wissenschaftlern des Leibniz-Institutes für Pflanzenbiochemie in Halle haben nun gemeinsam mit Partnern der Martin-Luther-Universität klären können, wie die Signalübertragung des Hormons innerhalb der Pflanze angeschoben wird, und welche Faktoren die Vielseitigkeit prägen. Wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet, konnten sie anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand eine wichtige Regulationsebene ausmachen, die den Signalstoff an die jeweiligen Erfordernisse anfasst und Auxin somit zum Alleskönner macht.

Pflanzenhormon als molekularer Klebstoff

Demnach bindet Auxin nicht nur an ein Rezeptorprotein. Vielmehr wirkt es als molekularer Klebstoff, der zwei Hauptakteure eines ganzen Rezeptorkomplexes verbindet. Dabei handelt es sich um den TIR1-Rezeptor und den sogenannten AUX/IAA-Repressor, ein Protein, das die entsprechenden Wachstums- und Entwicklungsgene blockiert. Durch den Abbau des Repressors werden die zuvor durch ihn blockierten Wachstumsgene frei und können nun abgelesen werden.

Pflanzenhormon wirkt über Rezeptorkomplex

Bei der Modelpflanze Arabidopsis thaliana sind bisher sechs verschiedene TIR1-ähnliche Rezeptorproteine und 29 verschiedene AUX/IAA-Repressorproteine bekannt, die das Hormon theoretisch aneinander koppeln kann. Der Studie zufolge könnte das Pflanzenhormon über die Vielzahl möglicher Rezeptorkomplexe bewirken, dass die Pflanze daraufhin die entsprechenden Wachstums- oder Entwicklungsgene aktiviert.

Zum Nachweis dieses Prozesses verglichen die Wissenschaftler zwei konkrete Repressorproteine, die AUX/IAA-Proteine IAA6 und IAA19, in ihrem Bindungsverhalten zu Auxin und zum TIR1-Rezeptor. Dabei zeigte sich, dass der Rezeptorkomplex TIR1-IAA19, das Phytohormon stärker bindet und auch alle nachfolgenden Schritte der Signalübertragung stärker als der Rezeptorkomplex TIR1-IAA6 beeinflusst. Die Folge: Unterschiedliche Gene können in unterschiedlichen Geweben und zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiviert werden. 

Geschwistergene identifiziert

Interessant dabei war, dass sich die beiden codierten Repressorgene wie Geschwister ähneln. Sie sind sozusagen doppelgänger, die ein Paar bilden, sich aber jeweils ganz unterschiedlich verhalten. Die Hallenser Wissenschaftler vermuten hier eine sogenannte Subfunktionalisierung der Proteine, die sich im Laufe der Evolution bei den „Geschwistern“ herausgebildet hat. Diese Art der Subfunktionalisierung könnte den Forschern zufolge auch bei den IAA-Proteinen und bei weiteren Genkopien des Repressors erfolgt sein.

bb

Mit Blick auf ein nachhaltiges Rohstoffmanagement gewinnt der Klärschlamm aus der Abwasserreinigung zunehmend an Bedeutung. Denn im Klärschlamm lagern kostbare Mineralstoffe, die Pflanzen als Nährstoff dienen und in der Landwirtschaft als Dünger genutzt werden können. Eine der Kostbarkeiten im Abwasser ist Phosphor. „In deutschen Abwässern steckt ein jährliches Potenzial von rund 70.000 Tonnen Phosphor zur Rückgewinnung, während etwa 120.000 Tonnen pro Jahr allein in Deutschland verbraucht werden“, erklärt Diana Hehenberger-Risse vom Technologiezentrum Energie der Hochschule Landshut.

Phosphorrecycling für kleine Kläranlagen

Die Bundesregierung hat das Phosphorrecycling für Kläranlagen ab 50.000 Einwohner indes zur Pflicht gemacht. Doch die technische Umrüstung der Kläranlagen ist kostspielig und könnte die Abwassergebühren in die Höhe treiben. Ob sich das Phosphor-Recycling auch für kleinere Kläranlagen rechnet und wie der Prozess optimiert werden kann, wollen Forscher der Hochschule Landshut um Diana Hehenberger-Risse ab sofort gemeinsam mit deutschen und tschechischen Industriepartnern im Rahmen des EU-Projektes „Green Infrastructure Maßnahmen aus Klärschlamm-Kaskadennutzung (greenIKK)“ ausloten.

Klärschlamm besser verwerten

Ziel des Projektes ist die Ermittlung einer optimalen Verfahrenskette, um Klärschlamm stofflichen und energetische noch besser verwerten zu können. Das Projekt läuft bis Ende 2019 und wird vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung unterstützt. „Wir prüfen unter anderem, wie sich Phosphor, Stickstoff und Spurenelemente wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll aus Abwasser und Klärschlamm zurückgewinnen lassen“, erklärt der Landshuter Chemiker Josef Hofmann Darüber hinaus wird getestet, ob und welche Kläranlagen Solarenergie zur Trocknung des Klärschlamms einsetzen könnten und ob es für die Anlagenbetreiber Sinn macht, Schlamm aus verschiedenen Kommunen in zentralen Anlagen gemeinsam zu trocknen. „In diesem Projekt sollen Entsorgungswege und -varianten betrachtet werden, die einen integrierten, ganzheitlichen Ansatz verfolgen“, fasst Hehenberger-Risse zusammen.

Empfehlungen für optimale Klärschlammnutzung

Wichtig dabei: Auf der Suche nach Lösungen wollen die Forscher mit den jeweiligen Gemeinden zusammenarbeiten, damit die Kosten für die regionale Abwasseraufbereitung am Ende nicht ausufern. Die tschechischen Partner werden hierfür nicht nur den Phosphorgehalt im Klarschlamm messen, sondern auch seine Qualität als Pflanzendünger analysieren. Im Ergebnis des Projektes sollen Handlungsempfehlungen vorliegen, die den beteiligten Gemeinden in Deutschland und Tschechien aufzeigen, wie sie grenzübergreifend gemeinsam Klärschlamm ökologisch und ökonomisch sinnvoll nutzen können. In einer Pilotanlage in Karlsruhe wird seit Kurzem getestet, ob sich aus Klärschlamm recyceltes Phosphat als Pflanzendünger effizient und kostengünstig herstellen lässt.

bb

Mussels have mastered the art of sticking to wet surfaces and cause a lot of damage because of it. They stick to boats, pipes, piers, and many more underwater surfaces. In fact, mussels are one of the worst perpetrators of biofouling, meaning the unwanted accumulation of organisms on underwater structures. These biofouling organisms can injure swimmers, and they produce significant economic and environmental costs: the US Navy alone spends about $1 billion per year on antifouling efforts, and many species are invasive pests that hitch rides to new environments on ships’ hulls.

Nicholas Vogel, now a researcher at the University of Erlangen-Nurenberg and formerly a postdoctoral fellow at Harvard, where he was working on Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces (SLIPS) coatings, and Ali Miserez, an Associate Professor of Materials Science and Engineering at Nanyang Technological University (Singapore), who specialises in biological materials, demonstrated that a certain form of SLIPS is indeed essentially mussel-proof. Furthermore, they shed light on how they minimise the extraordinary attachment mechanisms of mussels. Their findings are published in the journal “Science”.

Previous coatings are toxic and ineffective

Thus far mostly paints and coatings containing toxic chemicals have been used to keep mussels and other such organisms from clinging to surfaces. However, these materials poison species indiscriminately, accumulate in waterways, likely have ecological impacts, need to be replaced regularly, and are often not as effective as desired. So-called “low surface energy” coatings based on silicone or siloxane polymers, have been introduced as non-toxic alternatives. But although these materials do allow for easier removal of biofouling species, they are less effective at preventing organisms from attaching in the first place, and are susceptible to damage and decay.

New coating inspired by a plant

The novel technology developed at the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University – called the Wyss’ SLIPS technology, was inspired by the slick lip of a carnivorous pitcher plant that sends insects sliding down to their doom; by doing so the plant is taking advantage of the fact that it is usually very difficult for an organism to attach to a liquid surface. SLIPS consists of a solid surface infused with a liquid lubricant overlayer that is retained in place so that anything that comes into contact with the liquid layer will simply slide right off. SLIPS have previously been shown to be effective against bacteria and algae, but mussels represent an even more difficult enemy: Their muscular feet produce adhesive filaments called byssal threads whose tips, called adhesive plaques, contain special adhesive proteins that remove water molecules from the target surface to enable the plaques to bind to it. “Mussels have mastered the skill of sticking in an underwater environment, despite water being the biggest enemy of adhesion”, says Miserez. This system allows them to bind to surfaces extremely well: large accumulations of mussels can weigh as much as 1,700 pounds per square foot.

Mussels are confused by new material

In order to investigate whether SLIPS indeed protect against these expert biofoulers, the NTU team led by Miserez placed Asian green mussels on panels with a “checkerboard” pattern of different types of non-biocidal antifouling surfaces underwater, and let the mussels choose where to attach. Two different types of slippery surfaces infused with silicone oil as a lubricant were evaluated: a very thin, silica-based and nanostructured 2D coating applied layer-by-layer (i-LBL) and a thicker, matrix-like 3D coating made of the common polymer polydimethylsiloxane (i-PDMS).

The researchers found that hardly any mussels stuck to i-PDMS panels. Moreover, they measured that it takes significantly less force to remove mussels from i-PDMS-coated surfaces than from i-LBL or non-coated surfaces. “This is likely because the liquid overlayer of the lubricant-infused surfaces resists displacement by the mussels’ adhesive proteins, keeping the surface lubricated and therefore preventing the byssal threads from binding”, says co-first author Shahrouz Amini, who was a Research Fellow at NTU during the study. Lastly, the researchers were also able to demonstrate that the i-PDMS panels caused the mussels to alter their behaviour when setting out to attach to a surface: “In addition to disrupting the byssal threads themselves, the lubricant-infused surfaces were confusing the mussels, making them decide they weren’t valid places to attach”, says Amini. In fact, the SLIPS’ lubricant layer was physically interfering with the mussels’ ability to detect the solid surface beneath it – the feet of mussels contain proteins that are known to sense pressure.

New coating prevents attachments across species

Finally, the Wyss team partnered with the NOAA Stellwagen Bank National Marine Sanctuary in Scituate, Massachusetts. In order to assess the lab-findings under real-world conditions, they submerged panels of all the lab-tested materials into Scituate Harbor for sixteen weeks to see whether organisms would grow on them.

Not only did the i-PDMS show four times less mussel settlement than the previously used Intersleek 900 and 30 times less than non-infused PDMS, it also outperformed the other materials in resisting other biofouling species such as tunicates, hydroids, and slime. “Many of the organisms in the field use different strategies and adhesives to attach themselves to underwater surfaces, but we have a solution that can work across most species”, says Onye Ahanotu, a Senior Research Scientist at the Wyss Institute and co-author of the paper.

 jmr

Verpackungen und Einweggeschirr aus Kunststoff gehören zu den größten Müllquellen auf der Welt. Besonders akut ist das Problem in Indien – hier will die Politik ein Umdenken bewirken, um die Müllflut einzudämmen. In manchen Bundesstaaten wurde dazu ein Plastik-Verbot erlassen.

Nun sind dort nachhaltige Alternativen für Verpackungen gefragt. Für Eduardo Gordillo und sein Start-up Bio-lutions International AG ist es ein Glücksfall. Die Hamburger bauen derzeit mit Unterstützung der Deutschen Investitions- und Entwicklungsgesellschaft (DEG) in Bangalore eine Produktionsanlage für biobasierte Verpackungen und Einweggeschirr auf: „Mit unserem Prozess können wir dort bald bis zu 2.000 Tonnen davon im Jahr produzieren“, freut sich Eduardo Gordillo.

Ökologisch wertvoll und dezentral produzierbar

Gordillo stammt aus Kolumbien, wo er Architektur studiert hat. Bereits vor zwanzig Jahren kam er nach Deutschland. An der Kunstakademie in Stuttgart absolvierte er einen Masterstudiengang in Industriedesign. 2005 gründete er in Hamburg die Designagentur upgrading GmbH, deren Geschäftsführer er heute noch ist. Gleichzeitig begann er, sich auch für die Herstellung von ökologischen Produkten zu interessieren. Vor fünf Jahren kam ihm die Idee für das Spin-Off namens Bio-lutions. „Ich wollte ein ökologisch wertvolles Produkt kreieren, das sich dezentral und klimaschonend herstellen lässt. Deshalb haben wir uns auf pflanzliche Agrarabfälle als Rohstoff konzentriert“, sagt Gordillo.

Nach jahrelangem Tüfteln mit dem Technologiepartner Zelfo aus dem brandenburgischen Joachimsthal ist ein sogenanntes Up-Cycling-Verfahren entstanden, das überall auf der Welt zum Einsatz kommen könnte: bisher ungenutzte Pflanzenreste aus der Landwirtschaft werden in innovative und wertige Produkte verwandelt. Ob Reisstroh, Bananenstämme oder Ananassträucher – für die Hamburger sind die Agrarabfälle die Ressource für Verpackungsmaterial und Einweggeschirr.  „Wir haben auch schon Tomaten in Verpackungen gepackt, die aus Tomatenpflanzen hergestellt wurden“, sagt Gordillo. Ein Konzept, das die Hamburger Re-Packaging nennen.

Around the globe, plastic packaging and disposable tableware makes up a significant portion of discarded waste. This problem is particularly acute in India, where policy makers are now pushing for change as part of broader efforts to curb the flood of rubbish. Some Indian states have even instituted a ban on plastic.

In these areas, there is now a high demand for sustainable packaging alternatives – a stroke of luck for Eduardo Gordillo and his start-up, Bio-lutions International AG. With the support of the German Investment and Development Corporation (DEG), the entrepreneurs from Hamburg are currently establishing a production facility in Bangalore for bio-based packaging and disposable tableware: “With our process, we will soon be producing up to 2,000 tonnes a year at the plant,” says Eduardo Gordillo.

Ecologically valuable and locally manufactured

Gordillo was born in Colombia, and originally studied architecture. He emigrated to Germany twenty years ago, where he completed a masters degree in Industrial Design at the State Academy of Fine Arts in Stuttgart. In 2005, he founded the design agency upgrading GmbH in Hamburg, where he is still the managing director. Around this time, he began to take an interest in the production of ecological products, and five years ago came up with the idea for his spin-off business, Bio-lutions. “I wanted to create an ecologically valuable product that can be manufactured on a decentralised and ecologically sound basis. With this in mind, we opted for agricultural waste as a raw material,” says Gordillo.

After several years of experimenting and tinkering alongside technology partner, Zelfo, from Joachimsthal in Brandenburg, the spin-off developed an ‘up-cycling’ procedure that can be applied anywhere in the world. The process transforms previously unused agriculture plant waste into innovative and valuable products. From rice straw to banana trunks or pineapple shrubs –for the Hamburg-based spin-off, all of these represent a precious resource for packaging materials and disposable tableware. “We’ve already packed tomatoes in packaging made from tomato plants,” says Gordillo. He calls this concept ‘re-packaging’.