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Es ist ein dringender Ruf nach mehr Forschung: Ein Team der Universität Bayreuth hat nachgewiesen, dass sich sogenannte wasserlösliche synthetische Polymere (WSSP) auf die Fortpflanzung von Wasserflöhen auswirken. Weil Wasserflöhe als Modellorganismen für den Einfluss von Chemikalien auf aquatische Ökosysteme gelten, könnte dieser Befund ein Hinweis auf ein unterschätztes ökologisches Risiko dieser weit verbreiteten Chemikalien sein.

WSSP sind in vielen Branchen weit verbreitet

Viele Branchen nutzen WSSP. Die Substanzen sind unter anderem in Textilien, Farben, Papier, Klebstoffen, Kosmetika und Arzneimitteln enthalten. Außerdem dienen WSSP der Abwasserreinigung. Kurzum: Es gibt viele Wege, wie die Substanzen in Gewässer gelangen können. Dass sie dies tatsächlich tun, haben inzwischen Studien für Flüsse, Seen und weitere Süßwasserdepots belegt. In welcher Konzentration sie dort vorkommen, ist jedoch unklar. Anders als Plastikmüll und Mikroplastik sind sie in der Umwelt nicht sichtbar.

Für fünf häufig genutzte WSSP haben die Bayreuther Forschenden daher zunächst untersucht, welche Folgen es hat, wenn Wasserflöhe der Art Daphnia magna diesen Substanzen ausgesetzt sind. Konkret handelte es sich um Polyvinylalkohol (PVOH), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyacrylsäure (PAA), Polyethylenglycol (PEG) und Polyethylenoxid (PEO). „Wasserflöhe haben in vielen Süßwasserseen eine ökologische Schlüsselfunktion“, erläutert Christian Laforsch, Leiter der Fallstudie. „Sie haben einen wesentlichen Einfluss auf die Menge des verfügbaren Phytoplanktons, das die Grundlage der Nahrungsketten in den Seen bildet.“ Wenn die Wasserflöhe durch wasserlösliche Polymere geschädigt würden, könnten sich die Folgen auch auf höhere Ebenen der Nahrungskette erstrecken und so das gesamte Nahrungsnetz eines Ökosystems beeinträchtigen.

Geringere Fortpflanzung, veränderte Körpergröße

Zwar fand die im Fachjournal „Science of The Total Environment" veröffentlichte Studie kein unmittelbares Gesundheitsrisiko für die Tiere, wohl aber Veränderungen in deren Fortpflanzung: Die Substanzen verlängerten die Abstände, in denen die Wasserflöhe sich fortpflanzen, und verringerten zugleich die Anzahl der Nachkommen. Außerdem veränderte sich die Körpergröße der Wasserflöhe.

Was das bedeutet, erklärt die Erstautorin der Studie, Simona Mondellini: „Die bisherigen Forschungsergebnisse liefern noch keinen genauen Aufschluss über die Ursache-Wirkung-Beziehungen, die zu den signifikanten Änderungen der Körpergröße und der Fortpflanzung der Wasserflöhe geführt haben.“ Eine Vermutung gebe es jedoch: „Messungen deuten darauf hin, dass ein höheres Molekulargewicht der WSSP mit einer erhöhten Toxizität einhergehen kann.“

Potenzielle Gefahr für ganze Ökosysteme

„Wenn sich Wasserflöhe in dieser Hinsicht unter dem Einfluss von handelsüblichen, in vielen Industriezweigen verwendeten WSSP verändern, sollte dies ein Anlass für weitere gezielte Untersuchungen sein“, warnt Laforsch und betont: „Die toxischen Wirkungen von Schadstoffen, die sich in der Umwelt verbreiten, betreffen in der Regel nicht allein individuelle Organismen, sondern auch größere Populationen und weitverzweigte Nahrungsnetze – und damit auch die Lebens- und Funktionsfähigkeit ganzer Ökosysteme.“

Laut der Studie erzeugt eine Verwertung vorbehandelten Laubs in einer Biogasanlage nicht nur Strom- und Wärme, sondern reduziert auch die Treibhausgasemissionen deutlich. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Resources, Conservation and Recycling veröffentlicht.

Herbstlaub ist ein jährlich anfallender Reststoff, der in der Regel kompostiert wird, aber auch als Rohstoff für die Biogaserzeugung verwendet werden kann. In der Studie wurden drei Szenarien vergleichend analysiert, um die Nutzung von Baumblättern aus der Stadt Berlin in Deutschland zu bewerten: a) Kompostierung (Business-as-usual-Szenario), b) Biogaserzeugung und c) die Vorbehandlung der Blätter vor der Biogaserzeugung. Für diese Szenarien wurden die Treibhausgasemissionen und das Energieerzeugungspotenzial mit Hilfe des BIORIM-Modells (Biological Resource Use Impacts) und unter Berücksichtigung des Standorts und der Kapazität der bestehenden landwirtschaftlichen Biogasanlagen berechnet. Ein besonderes Augenmerk richteten die WissenschaftlerInnen auf die Verrottung von Blättern vor dem Eintritt in die Biogasanlage.

Der Gesamtvergleich zeigte, dass die biogasbezogenen Szenarien hinsichtlich der Treibhausgasemissionen besser abschnitten (-140,1 kg CO2eq pro Tonne Laub für Biogas und -167,4 kg CO2eq für die Vorbehandlung vor Biogas) als das Business-as-usual-Szenario (49,0 kg CO2eq für die Kompostierung). Das vorbehandelte Laub führte zu den geringsten Nettoemissionen und der höchsten Energieproduktion pro Tonne Ausgangsmaterial. Maßnahmen zur Verringerung der Laubverrottung, wie z. B. die Erhöhung der Beladung der Biogasanlage oder die Silierung, führten zu geringeren Nettoemissionen und einem höheren Energieertrag.

„Laub als Rohstoff für die Biogaserzeugung könnte in gewissem Umfang zur Energieversorgung in städtischen Gebieten beitragen.“, so Dr. Ulrich Kreidenweis, Leiter der Arbeitsgruppe Bioökonomische Systemmodellierung am ATB und Mitautor der Studie. „Ob sich die Nutzung von Laubabfällen aus städtischen Gebieten für die Biogaserzeugung auch ökonomisch rechnet, wäre in weiteren Szenariobewertungen zu klären.

Auch die Umwelt beeinflusst, wie die Aktivität der DNA reguliert wird. Diese Erkenntnis ist keineswegs neu. Neu ist jedoch, dass Forschende der Universität Tübingen die Größe dieses Einflusses erstmals für das Acker-Hellerkraut (Thlaspi arvense) quantifiziert haben. Bislang wurde das nur für wenige Pflanzenarten untersucht. Das Acker-Hellerkraut könnte künftig als Winterdeckfrucht und als Rohstoff für Biokraftstoffe an Bedeutung gewinnen.

Europaweit 207 Populationen verglichen

Wie sich ein Organismus entwickelt, hängt wesentlich von seinen Genen ab. Darüber hinaus gibt es jedoch die sogenannte Epigenetik, chemische Veränderungen der DNA, die nicht deren Code verändern, wohl aber in die Regulation der Erbinformation eingreifen. Sie entscheiden darüber, ob, wie stark und unter welchen Bedingungen ein Gen aktiv wird. Für ihre Studie hat das Tübinger Forschungsteam europaweit 207 Populationen des Acker-Hellerkrauts untersucht. Dabei gingen die Fachleute der Frage nach, inwiefern die epigenetischen Markierungen, sogenannte Methylierungen, allein von der DNA-Sequenz selbst abhingen oder sich je nach Standort der Population unterschieden.

Im Fachjournal „PLoS Genetics“ berichten die Forschenden, dass es eine erheblich geografische Variation der epigenetischen Markierungen im Genom des Acker-Hellerkrauts gibt. Zwar hänge ein Großteil der Methylierungen von der DNA-Sequenz selbst ab. Dennoch stehe ein wichtiger Teil der epigenetischen Markierungen auch im starken Zusammenhang mit den klimatischen Standortbedingungen. Dies lege nahe, dass epigenetische Variationen beim Acker-Hellerkraut dazu beitragen, dass sich die Pflanze kurzfristig an das herrschende Klima anpassen kann.

Bedeutung der Epigenetik besser verstehen

„Man kann die Bedeutung der Epigenetik für die Evolution und Anpassungsfähigkeit von Pflanzen nur verstehen, wenn man umfangreiche und hochaufgelöste Daten sowohl zur Genetik als auch Epigenetik vieler Pflanzenherkünfte und zu deren Umweltbedingungen hat“, erklärt Oliver Bossdorf. Bisher gab es solche Daten ausschließlich für wenige Modellpflanzen der Pflanzenforschung wie die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana“, sagt Oliver Bossdorf vom Institut für Evolution und Ökologie der Universität Tübingen.

Weil das Acker-Hellerkraut derzeit gezüchtet wird, um daraus Biokraftstoffe herzustellen, hat die Tübinger Forschungsarbeit auch einen direkten praktischen Nutzen, wie Bossdorf herausstellt: „Unsere Ergebnisse könnten daher auch für die Landwirtschaft nutzbar sein, vor allem beim Anbau des Acker-Hellerkrauts unter sich verändernden Klimabedingungen.“

The environment influences how the activity of DNA is regulated - this has long been known. Now, however, researchers at the University of Tübingen have quantified the magnitude of this influence for the first time for the field penny-cress (Thlaspi arvense). Previously, this had only been studied for a few plant species. Field penny-cress could gain importance in the future as a winter cover crop and as a raw material for biofuels.

207 populations from across Europe compared

An organism's development depends to a large extent on its genes. However, there are so-called epigenetics, chemical changes to DNA that do not alter its code, but do intervene in the regulation of genetic information. They decide whether, how strongly and under what conditions a gene becomes active. For their study, the research team from Tübingen investigated 207 populations of the field penny-cress throughout Europe. The experts investigated the extent to which the epigenetic marks, known as methylations, depended solely on the DNA sequence itself or differed depending on the location of the population.

In PLoS Genetics, the researchers report that there is considerable geographic variation in epigenetic marks in the genome of the field penny-cress. It is true that methylation largely depends on the DNA sequence itself. Nevertheless, a significant portion of epigenetic marks is also strongly associated with climatic site conditions. This suggests that epigenetic variation in field penny-cress contributes to the plant's ability to adapt to the prevailing climate in the short term.

Understanding the importance of epigenetics

"You can only understand the importance of epigenetics for the evolution and adaptability of plants if you have comprehensive and high-resolution data on both the genetics and epigenetics of many plant origins and their environmental conditions," explains Oliver Bossdorf. Until now, such data have only existed for a few model plants used in plant research, such as the thale cress Arabidopsis thaliana," says Oliver Bossdorf from the Institute of Evolution and Ecology at the University of Tübingen.

Because the field penny-cress is currently being bred to produce biofuels from it, the Tübingen research work also has a direct practical benefit, as Bossdorf points out: "Our results could therefore also be useful for agriculture, especially in the cultivation of field penny-cress under changing climatic conditions."

Auf die Zusammenarbeit folgt die Übernahme: Der deutsche Pharma- und Chemiekonzern Bayer hat das Start-up Targenomix gekauft. Bereits seit dessen Ausgründung aus dem Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie im Jahr 2014 besteht eine Kooperation zwischen beiden Firmen. Targenomix nutzt Methoden der Systembiologie und der Bioinformatik, um neue molekulare Ziele für Pflanzenschutzmittel zu identifizieren. Von der Übernahme erhofft sich der DAX-Konzern, diese Entwicklung zu beschleunigen, um die landwirtschaftliche Produktion besser auf dynamische Herausforderungen wie den Klimawandel und zunehmende Resistenzen von Unkraut, Krankheiten und Insekten einzustellen und gleichzeitig nachhaltiger zu gestalten. Trotz der Übernahme soll Targenomix weiter unabhängig im Stile eines Start-ups agieren. Den Kaufpreis teilten die Firmen nicht mit.

Neuartiges Herbizid bis Ende des Jahrzehnts geplant

„Der Ansatz von Targenomix hat sich als sehr erfolgreich erwiesen“, erklärte Bob Reiter, Leiter Forschung und Entwicklung des Bereichs Crop Science bei Bayer, dazu anlässlich der öffentlichen Mitteilung der Übernahme am Donnerstag, 10. November 2022. „Durch die Verwendung eines einzigartigen und ganzheitlichen systembiologischen Ansatzes und die Nutzung führender Expertise, die auf einer starken wissenschaftlichen Grundlage aus dem Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie aufbaut, hat Targenomix zahlreiche neuartige Targets und Wirkmechanismen für kleine Moleküle in der Unkrautbekämpfung geliefert“, begründet Reiter die Akquise.

Ein Ergebnis der bisherigen Kooperation ist ein wesentlicher Beitrag zum branchenweit seit 30 Jahren ersten neuen Herbizid-Wirkungsverfahren, mittels dessen großflächig Unkraut nach Pflanzenaufgang bekämpft werden kann. Die Entwicklung dauert noch an, doch das identifizierte Molekül hat sich gegen wichtige resistente Gräser bewährt und soll bis Ende dieses Jahrzehnts kommerzialisiert werden.

Neue Wirkmechanismen entwickeln

Targenomix-Geschäftsführer Sebastian Klie betont die Vorteile der neuen Form der Zusammenarbeit: „Durch die Kombination der führenden Expertise und der bewährten Pflanzenschutzpipeline von Bayer mit der flexiblen Start-up-Mentalität, der umfassenden Multi-Omics-Technologie und dem systembiologischen Wissen von Targenomix können wir gemeinsam weiterhin neuartige Wirkmechanismen entwickeln.“ Diese neue Phase der komplementären Beziehung werde die Entdeckung der nächsten Generation nachhaltiger und sicherer Moleküle beschleunigen, zeigt sich Klie zuversichtlich.

„Die Entscheidung des multinationalen Konzerns Bayer, Targenomix zu erwerben, ist ein weiteres Beispiel für die hohe internationale Anerkennung, die Max-Planck-Institute für ihre Wissenschaft genießen“, freut sich Lothar Willmitzer, emeritierter Direktor des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie und Mitgründer von Targenomix. Willmitzer hatte bereits vor rund 25 Jahren das Start-up Metanomics aus dem Max-Planck-Institut ausgegründet. Metanomics wurde einige Jahre später vom Chemiekonzern BASF übernommen und wuchs zur Sparte BASF Plant Science heran.

Collaboration is followed by acquisition: German pharmaceutical and chemical company Bayer has bought the start-up Targenomix. The two companies have already been working together since the spin-off from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in 2014. Targenomix uses systems biology and bioinformatics methods to identify new molecular targets for crop protection products. The DAX-listed company hopes the acquisition will accelerate this development to better adapt agricultural production to dynamic challenges such as climate change and increasing resistance from weeds, diseases and insects, while making it more sustainable. Despite the acquisition, Targenomix is expected to continue operating independently in a start-up style. The companies did not disclose the purchase price.

Novel herbicide planned by end of decade

"Targenomix's approach has proven to be very successful," said Bob Reiter, Head of Research and Development for Crop Science at Bayer, in this regard at the public announcement of the acquisition on Thursday, November 10, 2022. "By using a unique and holistic systems biology approach and leveraging leading expertise built on a strong scientific foundation from the Max Planck Institute for Molecular Plant Physiology, Targenomix has delivered numerous novel targets and mechanisms of action for small molecules in weed control," Reiter said, explaining the acquisition.

One result of the collaboration to date is a major contribution to the industry's first new herbicide mode of action in 30 years that can be used to control post-emergence weeds in large areas. Development is ongoing, but the identified molecule has been shown to be effective against key resistant grasses and is expected to reach the market by the end of this decade.

Developing new mechanisms of action

Targenomix CEO Sebastian Klie emphasizes the benefits of the new form of collaboration: "By combining Bayer's leading expertise and proven crop protection pipeline with Targenomix's flexible start-up mentality, comprehensive multi-omics technology and systems biology knowledge, we can continue to jointly develop novel mechanisms of action." Klie is confident that this new phase of the complementary relationship will accelerate the discovery of the next generation of sustainable and safe molecules.

"The decision of the multinational Bayer to acquire Targenomix is another example of the high international recognition that Max Planck Institutes enjoy for their science," says a delighted Lothar Willmitzer, Director Emeritus of the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology and co-founder of Targenomix. Willmitzer had already established the start-up Metanomics out of the Max Planck Institute about 25 years ago. Metanomics was acquired by the chemical company BASF a few years later and grew into the BASF Plant Science division.

Gelangt biologisch abbaubares Mikroplastik in den Boden, reichern sich dort Mikroorganismen an und beginnen mit dem Abbau. Zu diesem wenig überraschenden Ergebnis kommt eine Studie der Universität Bayreuth. Doch die Untersuchung hat einige wichtige Details aufgeklärt: So gibt es einige Parameter, von denen die Aktivität der Mikroorganismen abhängt.

Mikroben ernähren sich von Zerfallsprodukten

So berichtet die im Journal „Applied Soil Ecology“ veröffentlichte Studie, wieso es zur Ansammlung der Mikroorganismen kommt: „Das Anwachsen der Biomasse wird wesentlich dadurch verursacht, dass Mikroorganismen im Boden die Mikroplastik-Partikel allmählich zersetzen und sich von dabei entstehenden Zerfallsprodukten ernähren“, erklärt Nele Meyer, Bodenökologin an der Universität Bayreuth. Die CO₂-Emissionen stünden mit diesen Prozessen in einem engen Zusammenhang: „Ein Beleg dafür sind die Unterschiede zwischen reinen Lehmböden und sandigen Lehmböden. In sandigen Lehmböden sind die Mikroplastik-Partikel für Mikroorganismen viel leichter zugänglich und werden daher schneller abgebaut“, erläutert die Forscherin. Umso mehr CO₂ werde dabei freigesetzt.

Erstautorin Adina Rauscher beschreibt die Einflussfaktoren im Detail: „Je kleiner die biologisch abbaubaren Mikroplastik-Partikel sind und je höher ihre Konzentration im Boden ist, desto mehr CO₂ entweicht aus dem Boden in die Erdatmosphäre. Wir konnten – abhängig von der Größe der Partikel, ihrer Konzentration im Boden und der Bodenbeschaffenheit – Anstiege der CO₂-Emissionen um 13 bis 57 Prozent beobachten.“ Dabei zeigte sich auch, dass sandige Lehmböden mehr CO₂ freisetzen als reine Lehmböden. Die stärkste Anreicherung betraf Bakterien der Familien Caulobacteraceae und Comamonadaceae.

Nicht biologisch abbaubare Kunststoffe zeigten keinen Effekt

Für die Studie verglichen die Forschenden den biologisch abbaubaren Kunststoff PBAT (Polybutylenadipat-terephthalat) mit dem nicht biologisch abbaubaren Kunststoff LDPE (Polyethylen niedriger Dichte). PBAT wird beispielsweise in Lebensmittelverpackungen, Bioabfallbeuteln und Mulchfolien verwendet. LDPE ist seit Jahrzehnten in der chemischen Industrie im Einsatz. Wie zu erwarten, fand die Studie für LDPE keinen Zusammenhang zwischen dessen Größe und Konzentration im Boden mit der Masse der Mikroben oder den CO₂-Emissionen. Auch die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft veränderte sich durch LDPE nicht.

„Der weltweite Eintrag von Kunststoffen in die Böden ist besorgniserregend“, resümiert Ev Lehndorf von der Universität Bayreuth. Noch immer wisse man zu wenig darüber, welche Folgen sich daraus für Mikroorganismen und terrestrische Ökosysteme ergeben. „Unsere Forschungsergebnisse zu den Emissionen des Treibhausgases CO₂ zeigen, dass sich hohe Konzentrationen von Mikroplastik-Partikeln in den Böden langfristig sogar auf das KIima auswirken könnten.“

Im menschlichen Darm leben unzählige Mikroorganismen, die unser Wohlergehen nachhaltig beeinflussen: Darmbakterien. Sie helfen, wichtige Nährstoffe unserer Nahrung zu verwerten, verdrängen Krankheitserreger im Darm und sorgen für ein intaktes Immunsystem. Eine ausgeglichene Darmflora ist für die Gesundheit daher ausgesprochen wichtig – und die richtige Ernährung kann dazu beitragen, dieses Gleichgewicht zu erhalten. Zu den bekanntesten Gesundheitshelfern gehören Milchsäurebakterien, die in probiotischen Lebensmitteln wie Jogurt enthalten sind. Doch auch die weniger bekannten präbiotischen Lebensmittel haben nachweislich einen positiven Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Dazu zählen etwa Getreide, Hülsenfrüchte oder Wurzelgemüse.

Zucker aus nachwachsenden Rohstoffen

Im Rahmen des Verbundprojektes IMPRES wollten Forschende nun mikrobiologische Verfahren entwickeln, um Präbiotika und kalorienarme Süßstoffe nachhaltig und effizient herzustellen. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung von 2017 bis 2021 mit rund einer Million Euro gefördert. Forschende der Universität Bonn waren im Projekt für die Anpassung und Optimierung bakterieller Produktionsplattformen verantwortlich. Mitarbeiter der RWTH Aachen sowie des Kölner Zuckerherstellers Pfeifer & Langen fokussierten sich auf die Optimierung und ein Upscaling bakterieller Kultivierungsbedingungen. Das Forschungszentrum Jülich war hingegen auf die Entwicklung kalorienarmer Zucker fokussiert – denn gerade synthetische Süßstoffe werden noch immer auf Basis von Erdöl hergestellt. „Unser Ansatz war, dass wir vielversprechende Zucker möglichst aus nachwachsenden und verfügbaren Rohstoffen produzieren. Deshalb haben wir uns auf Saccharose und Stärke konzentriert“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter Marcel Hövels aus der Arbeitsgruppe des Projektkoordinators Uwe Deppenmeier von der Universität Bonn.

Moleküle im Haushaltszucker neu verknüpft

Anders als Probiotika enthalten Präbiotika unverdauliche Kohlenhydrate, die erst von den Bakterien im Darm aufgeschlossen werden müssen, um dort gezielt das Wachstum gesundheitsfördernder Bakterien zu unterstützen. Die Bonner Forschenden nutzten zur mikrobiellen Herstellung spezieller Präbiotika – so genannter Fructooligosaccharide – reine kristalline Saccharose – also gewöhnlichen Haushaltszucker. Haushaltszucker besteht zu je einem Teil aus Glukose und Fruktose. Mithilfe spezieller Biokatalysatoren gelang dem Bonner Team, den kristallinen Zucker in diese beiden Untereinheiten aufzuspalten und die Zuckermoleküle neu zu verknüpfen. „Unsere Biokatalysatoren spielen ein bisschen Lego mit dem Haushaltszucker“, beschreibt Hövels. „Auf diese Weise entstanden Zuckerketten, die aufgrund ihrer einzigartigen Verknüpfungen bevorzugt von gesundheitsfördernden Bakterien im menschlichen Darm abgebaut werden.“

Countless microorganisms live in the human intestine and have a lasting influence on our well-being: Intestinal bacteria. They help to utilize important nutrients in our food, suppress pathogens and ensure an intact immune system. A balanced intestinal flora is therefore extremely important for health - and the right diet can help to maintain this balance. Among the best-known health aids are lactic acid bacteria, which are contained in probiotic foods such as yogurt. But lesser-known prebiotic foods have also been shown to have a positive impact on human health. These include cereals, legumes and root vegetables.

Sugar from renewable resources

As part of the IMPRES joint project, the researchers wanted to develop microbiological processes to produce prebiotics and low-calorie sweeteners sustainably and efficiently. The project was funded by the German Federal Ministry of Education and Research with around one million euros from 2017 to 2021. Researchers from the University of Bonn were responsible for adapting and optimizing the bacterial production platforms. Collaborators from the Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) and the Cologne-based sugar manufacturer Pfeifer & Langen focused on optimizing and upscaling the bacterial cultivation conditions. Forschungszentrum Jülich focused on the development of low-calorie sugars - because synthetic sweeteners in particular are still produced on a petroleum basis. "Our approach was to produce promising sugars from renewable and available raw materials wherever possible. That's why we focused on sucrose and starch," explains research associate Marcel Hövels from the working group of project coordinator Uwe Deppenmeier at the University of Bonn.

Molecules in household sugar newly linked

Unlike probiotics, prebiotics contain indigestible carbohydrates that first have to be broken down by the bacteria in the intestine in order to specifically support the growth of health-promoting bacteria there. The researchers in Bonn used pure crystalline sucrose - i.e., ordinary household sugar - for the microbial production of special prebiotics known as fructooligosaccharides. Household sugar consists of one part glucose and one part fructose. With the help of special biocatalysts, the Bonn team succeeded in splitting the crystalline sugar into these two subunits and linking the sugar molecules in a new way. "Our biocatalysts play Lego with household sugar," Hövels describes. "In this way, sugar chains were created that, because of their unique linkages, are preferentially degraded by health-promoting bacteria in the human gut."

Eine der größten Herausforderungen der Zukunft ist die Sicherung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung. Damit verbunden ist aber auch der Anspruch, gesunde, nährstoffreiche und nachhaltige Lebensmittel zu produzieren. Eine vielversprechende Methode ist Vertical Farming. Das Indoor-Anbausystem kann die Lebensmittelsproduktion in die Städte holen. So können lange Transportwege vermieden und das Klima geschont werden. Agrarwissenschaftler Senthold Asseng forscht seit Jahren zu diesem Thema. Der Direktor des Hans Eisenmann-Forums für Agrarwissenschaften der Technischen Universität München ist überzeugt, dass Vertical Farming bei der zukünftigen Ernährung eine große Rollen spielen und Landwirten eine Chance bieten kann, sich künftig breiter aufzustellen.

Baden-Württemberg zählte 2013 zu den ersten Bundesländern, die eine eigene Bioökonomie-Forschungsstrategie sowie ein landeseigenes Forschungsprogramm „Bioökonomie Baden-Württemberg“ aufstellten. Seit 2019 steht das Thema Bioökonomie auch auf der politischen Agenda der Landesregierung. Für die Umsetzung der Landesstrategie „Nachhaltige Bioökonomie Baden-Württemberg“ stellt das Bundesland bis 2024 50 Mio. Euro zur Verfügung. Mit einem neuen Förderprogramm will Baden-Württemberg nun Bioökonomie-Strategien auch in urbanen Ballungsräumen oder großen Kommunen etablieren.

Baden-Württemberg zählt zu den drei bevölkerungsreichsten Bundesländern Deutschlands. Mehr als die Hälfte der rund 11 Millionen Einwohner lebt in Ballungsräumen wie Stuttgart. Entsprechend fallen hier auch die meisten Rest- und Abfallstoffe an. Diese wertvollen Rohstoffe will die Landesregierung mithilfe der zirkulären nachhaltigen Bioökonomie nun erschließen und hat daher das Förderprogramm „Kommunale Bioökonomie – Bioökonomiestrategien für urbane Räume“ aufgesetzt.

Mehr als 1 Mio. Euro für bioökonomische Transformation

Für die Entwicklung und Umsetzung der kommunalen Bioökonomie-Strategien stellt das Land in den kommenden zwei Jahren rund eine Million Euro zur Verfügung. „Unsere Ballungsräume im Land sind Dreh- und Angelpunkt der Kreisläufe sekundärer Wertstoffe, die sich zu großen Mengen in unseren Abfällen und Abwässern befinden. Um sie in der Zukunft für mehr Klimaschutz und Rohstoffsicherheit besser zu erschließen, haben wir unser Förderprogramm ‚Kommunale Bioökonomie‘ ganz speziell auf die bevölkerungsreichen Räume in unserem Land ausgerichtet und unterstützen sie mit 1,1 Millionen Euro auf ihrem Weg der bioökonomischen Transformation“, so Stuttgarts Umweltministerin Thekla Walker.

Ob Kreuzung, Hybridzüchtung oder klassische Mutagenese: Die Pflanzenzüchtung hat verschiedene Möglichkeiten, um zu neuen Sorten zu gelangen. Doch die Züchtung neuer Nutzpflanzen ist ein langwieriger Prozess. Zugleich erfordert der Klimawandel neue Sorten, die gegen Hitze, Dürre oder Schädlinge gewappnet sein müssen, um auch zukünftig die Ernährung zu sichern. Wie also können Nutzpflanzen an die sich verändernden Umweltbedingungen angepasst werden? Wie lässt sich der Zuchtfortschritt beschleunigen, und welche Methoden sind dafür am besten geeignet?

DFG fördert elf neue Graduiertenkollegs

Diese und ähnliche Fragen wollen Forschende der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) gemeinsam mit der australischen University of Queensland (UQ) im Rahmen des neuen internationalen Graduiertenkollegs „Accelerating Crop Genetic Gain“ („Beschleunigung des Zuchtfortschritts“) beantworten. Das internationale Graduiertenkolleg zählt zu den insgesamt elf ausgewählten Vorhaben, deren Arbeiten in den kommenden fünf Jahren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit insgesamt 69 Mio. Euro gefördert werden.

„Die Bewilligung dieses internationalen Graduiertenkollegs unter JLU-Federführung ist ein herausragender Erfolg, der ohne die bisherige institutionenübergreifende Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Pflanzenzüchtung nicht denkbar wäre. Ich freue mich, dass in diesem strukturellen Rahmen begabte Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler die Chance erhalten, sich mittels eines zukunftsorientierten, kooperativen Ausbildungsprogramms für künftige Karrierewege an der Schnittstelle von akademischer Grundlagenforschung und Pflanzenzüchtungsindustrie zu qualifizieren“, so JLU-Präsident Joybrato Mukherjee.

Mit modernsten Trechnologien Züchtung beschleunigen

Im Rahmen des neuen Graduiertenkollegs wollen die Forschenden erkunden, wie Nutzpflanzen an die veränderten Umweltbedingungen angepasst werden können. Mithilfe moderner Technologien wie Genomsequenzierung, hochauflösende digitale Phänotypisierung, Künstliche Intelligenz oder Gen-Editierung sowie deren Kombination wollen die Fachleute nützliche pflanzengenetische Ressourcen verfügbar machen und in die künftige Pflanzenzüchtung integrieren. „Wir gehen davon aus, dass die Selektion auf wesentliche Umweltanpassungsmerkmale in der Pflanzenzüchtung durch die Anwendung modernster genetischer, genomischer, phänomischer und biotechnologischer Methoden erheblich beschleunigt werden kann“, so der Sprecher des neuen internationalen Graduiertenkollegs, Rod Snowdon.

Züchtung von Ackerbohne und Sorghumhirse im Fokus

Mit Ackerbohne und Sorghumhirse nehmen die Forschenden zwei bisher wenig berücksichtigte Nutzpflanzenarten in den Fokus. Für diese werden in den kommenden Jahren neuartige Ansätze entwickelt, die zu einer Verbesserung des Züchtungsfortschritts führen. Die Ergebnisse sollen wiederum anderen Nutzpflanzen als Blaupause für die Verbesserung der Produktivität und Nachhaltigkeit unter suboptimalen Anbaubedingungen dienen.

In Deutschland wird immer mehr Kaffee getrunken. Mit durchschnittlich 3,8 Tassen pro Tag hat der Konsum im zweiten Quartal dieses Jahres nach Angaben des Deutschen Kaffeeverbandes bereits einen neuen Rekordwert erreicht. Das Potenzial der Kaffeepflanze geht jedoch weit über das beliebte Heißgetränk hinaus. Auch die Rest- und Abfallstoffe, die bei der Kaffeeernte sowie -produktion anfallen, haben längst das Interesse der Forschenden geweckt. Im Fokus eines neuen Projektes steht nunmehr die sogenannte Kaffeepulpe – das Fruchtfleisch der Kaffeekirsche, das in großen Mengen bei der Ernte anfällt. Gemeinsam mit dem niederländischen Unternehmen PectCof B.V. wollen Forschende vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT ein Verfahren entwickeln, um die Reststoffverwertung der Kaffeeproduktion weiter voranzutreiben.

Vom Reststoff zum Rohstoff

Bislang landet das Fruchtfleisch der Kaffeekirsche – vor oder nach dem Rösten der Bohne – im Abfall. Riesige Berge dieses Reststoffes stapeln sich auf den Plantagen und belasten Boden und Grundwasser – denn die Kaffeepulpe enthält unter anderem Säuren und Polyphenole. Auch die Lagerung des Reststoffes ist ein Problem: Das Fruchtfleisch lockt nicht nur Ungeziefer an und entwickelt unangenehme Gerüche. Auch das klimaschädliche Treibhausgas Methan wird hierbei freigesetzt.

Lebensmittelinhaltsstoffe aus der Kaffeepulpe gewinnen

Das Fruchtfleisch der Kaffeekirsche will PectCof B.V. verarbeiten und daraus funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe herstellen. Im Fokus stehen dabei Pektine, die durch Extraktion gewonnen werden. Diese Pektin-Proteinmatrix könnte beispielsweise in Softdrinks als Emulgator und Stabilisator für eine stabile Wasser-in-Öl-Emulsion sorgen. Die Optimierung des Extraktionsprozesses wird das Fraunhofer-Team übernehmen. „Wir haben das Ziel, eine höhere Ausbeute und verbesserte Produktqualität der Pektine zu generieren“, erklärt Pamina Mainz vom Fraunhofer UMSICHT.

Ultraschallgestützte Pektinextraktion

Mit Ultraschall wollen die Oberhausener Forschenden Ausbeute, Qualität und die relevanten Prozessparameter untersuchen. „Bei der Pektinextraktion aus Fruchtabfällen der Saftproduktion zum Beispiel werden ultraschallgestützte Extraktionen bereits erfolgreich angewendet“, so Pamina Mainz. „Die durch Ultraschall erzeugten Kavitationskräfte verbessern und beschleunigen die Extraktion hier nachweislich.“

Die Arbeit des deutsch-niederländischen Teams wird vom Cluster Industrielle Biotechnologie e. V. – CLIB im Rahmen des CIRCULAR-BIO-Netzwerks, einem Projekt des Förderprogramms Interreg Deutschland-Nederland, gefördert.

In der Textilindustrie wächst das Interesse an nachhaltigen Materialien. Dabei geht es vor allem um Alternativen zum klassischen Rohstoff Baumwolle, aber auch darum, erdölbasierte synthetische Stoffe zu ersetzen. Die Rohstoffbasis für Textilfasern zu erweitern, ist das Ziel eines neuen Forschungsprojektes. Im Rahmen des Vorhabens CRF-Sraw wollen Forschende der Universität Hamburg gemeinsam mit dem Faserexperten J. Rettenmaier & Söhne nunmehr Agrarreststoffe für die Faserproduktion nutzbar machen.

Zellstoffe aus Weizenstroh gewinnen

Im Fokus steht die Gewinnung hochreiner Zellstoffe aus Weizenstroh. Cellulosehaltige Textilfasern wie Viskose oder Lyocell bestehen bisher fast ausschließlich aus Zellstoff, der aus Holz gewonnen wird. Doch je mehr Menschen auf der Erde leben, desto größer wird die Nachfrage nach Textilfasern und damit nach Cellulosefasern. Holz als Cellulosequelle reicht da nicht aus, zumal Bäume sehr langsam wachsen und Holz auch für andere Industriezweige eine wichtige Rohstoffquelle ist. Weizenstroh ist hingegen in großen Mengen verfügbar. Nach Angaben des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) bleiben hierzulande jährlich zwischen 4 und 9 Mio. Tonnen Stroh ungenutzt. Die Zellstoffausbeute aus einem Kilogramm Stroh liegt bei rund 40 %.

CRF-Produktion für die Industrie nutzbar machen

In Vorarbeiten konnte bereits bewiesen werden, dass mit dem Lyocellverfahren hochreine Zellstoffe aus Weizenstroh gewonnen werden können. Nun will das Team dieses Verfahren so weit optimieren, dass die Produktion sogenannter cellulosischer Regeneratfasern (CRF) auch im industriellen Maßstab funktioniert.

Geringer Energie- und Chemikalienverbrauch

Agrarreststoffe wie Getreidestroh zur Faserproduktion zu nutzen, hätte gleich mehrere Vorteile: Sie bieten die Möglichkeit, die Zellstoffproduktion aufgrund des schnelleren Wachstums der Pflanzen und des geringeren Energie- und Chemikalienverbrauchs für den Faseraufschluss schnell und mit geringerem Aufwand zu erhöhen. Das Team ist überzeugt, dass damit Landwirten zusätzliche Wertschöpfungsoptionen offeriert werden können, dass die Rohstoffversorgung der Textilindustrie verbessert und die Textilproduktion umweltfreundlicher werden kann.

Doch nicht nur Weizenstroh kann als neuartige Cellulosequelle dienen. Auch andere Agrarreststoffe wie Gras, Heu, Hanf oder Flachs könnten die Palette der nachhaltigen Textilfasern künftig erweitern. Das Projekt CRF-Sraw läuft bis Ende 2024 und wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert.

The textile industry's interest in sustainable materials is growing. In particular, this revolves around alternatives to cotton, but also around replacing petroleum-based synthetic fabrics. Expanding the raw material base for textile fibers is the goal of a new research project. As part of the CRF-Sraw project, researchers at the University of Hamburg, together with fiber expert J. Rettenmaier & Söhne, now want to make agricultural residues usable for fiber production.

Obtaining pulp from wheat straw

The focus is on obtaining high-purity pulp from wheat straw. Until now, cellulose-containing textile fibers such as viscose or lyocell have consisted almost exclusively of pulp obtained from wood. But the more people live on earth, the greater the demand for textile fibers and thus for cellulose fibers. Wood is no longer sufficient as a source of cellulose, especially since trees only grow back very slowly and wood is also an important source of raw materials for other industries. Wheat straw, on the other hand, is available in large quantities. According to the German Biomass Research Center (DBFZ), between 4 and 9 million tons of straw remain unused in this country every year. The pulp yield from one kilogram of straw is about 40%.

Making CRF production useful for industry

Preliminary studies have already shown that the lyocell process can be used to obtain high-purity cellulose from wheat straw. Now the team wants to optimize this process to such an extent that the production of so-called cellulosic regenerated fibers (CRF) also works on an industrial scale.

Low energy and chemical consumption

The use of agricultural residues such as cereal straw for fiber production would have several advantages at once: Faster plant growth and lower energy and chemical consumption for fiber digestion can increase pulp production quickly and with less effort. The team believes this creates added value for farmers, improves the supply of raw materials to the textile industry and makes textile production more environmentally friendly.

It is not only wheat straw, however, that can serve as a novel source of cellulose. Other agricultural residues such as grass, hay, hemp or flax could also expand the range of sustainable textile fibers in the future. The CRF-Sraw project runs until the end of 2024 and is funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture.

Die biologische Vielfalt ist Grundlage unserer Existenz. Doch sie ist bedroht. Weltweit stehen 26.500 Tier- und Pflanzenarten vor dem Aussterben. In Deutschland ist fast jede dritte Wildpflanze betroffen, darunter die bekannte Heilpflanze Arnika. Die Bundesregierung hat den Schutz der Artenvielfalt daher auf die politische Agenda gesetzt. Zum Erhalt und Schutz der Pflanzenvielfalt gibt es nun erstmals ein Werkzeug, das detaillierte Angaben dazu liefert, wie viele Pflanzenarten es in den verschieden Regionen der Erde gibt. Die Weltkarte der Pflanzenvielfalt wurden von einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen erstellt.

Hotspots der Pflanzenvielfalt identifiziert

Über zehn Jahre haben die Forschenden Daten zur globalen Pflanzenwelt und deren Verteilung zusammengetragen. So entstand ein Datensatz, der insgesamt 830 regionale Floren und 300.000 Pflanzenarten enthält. Basierend auf diesem Datenschatz konnte das Team mithilfe Maschinellen Lernens sowie neuer Daten zur Pflanzenverbreitung die Beziehung zwischen Pflanzenvielfalt und Umweltbedingungen modellieren. Mithilfe der Modelle entstand eine Weltkarte, die vorhersagt, wie sich die Pflanzenvielfalt entlang von Umweltgradienten verändert. Zugleich können darüber globale Hotspots der Pflanzenvielfalt identifiziert werden.

Globale Vorhersagen zur Pflanzenvielfalt

Die höchste Pflanzenvielfalt wird demnach in ökologisch heterogenen tropischen Gebieten wie Mittelamerika, den Anden und Amazonien, Südostbrasilien, Teilen des tropischen Afrikas, Madagaskar, Südchina, Indochina und dem Malaiischen Archipel sowie in einigen mediterranen Regionen wie dem Kap von Afrika und Gebieten rund um das Mittelmeer vorhergesagt.

„Die globalen Vorhersagen zeigen in beispielloser Detailtreue und Genauigkeit, wie die Pflanzenvielfalt über unseren Planeten verteilt ist“, sagt Holger Kreft von der Arbeitsgruppe Biodiversität, Makroökologie und Biogeographie der Universität Göttingen. Und Dr. Patrick Weigelt von der Universität Göttingen ergänzt: „Zu wissen, wo eine bestimmte Anzahl von Arten unter den gegenwärtigen Bedingungen zu erwarten ist, ermöglicht uns, zukünftige Entwicklungen aufgrund von Veränderungen des Klimas und der Landnutzung abzuschätzen sowie die Auswirkungen von Übernutzung und eingeschleppten invasiven Arten zu erkennen.“

Solide Basis für Biodiversitätsmonitoring

Mit der Weltkarte haben die Forschenden eine solide Grundlage für ein groß angelegtes Biodiversitätsmonitoring und zur Erforschung des Ursprungs der Pflanzenvielfalt geschaffen. Sie liefern damit ein Werkzeug, um die weltweite Biodiversität zu bewerten und geeignete Schutzmaßnahmen zum Erhalt der Pflanzenvielfalt treffen zu können.

Biodiversity is the basis of our existence - but it is under threat. Worldwide, 26,500 animal and plant species face extinction. In Germany, almost one in three wild plants is affected, including the well-known medicinal plant arnica. The German government has therefore put the protection of biodiversity on the political agenda. Now, for the first time, there is a tool that provides detailed information on how many plant species there are in different regions of the world. The World Map of Plant Diversity was created by an international research team led by the University of Göttingen.

Plant diversity hotspots identified

The researchers spent ten years compiling data on the global plant world and its distribution. This resulted in a dataset containing a total of 830 regional floras and 300,000 plant species. Based on this data, the team was able to model the relationship between plant diversity and environmental conditions using machine learning and new insights into plant distribution. The models produced a map of the world that predicts how plant diversity changes along environmental gradients. At the same time, global hotspots of plant diversity can be identified.

Global plant diversity predictions

The highest plant diversity is predicted in ecologically heterogeneous tropical areas such as Central America, the Andes and Amazon, southeastern Brazil, parts of tropical Africa, Madagascar, southern China, Indochina, and the Malay Archipelago, as well as in some Mediterranean regions such as the Cape of Africa and areas around the Mediterranean Sea.

"The global predictions show in unprecedented detail and accuracy how plant diversity is distributed across our planet," says Holger Kreft of the Biodiversity, Macroecology and Biogeography Group at Göttingen University. Dr. Patrick Weigelt from the University of Göttingen adds, "Knowing where to expect a certain number of species under current conditions allows us to estimate future developments due to changes in climate and land use, as well as to identify the effects of overexploitation and introduced invasive species."

Solid base for biodiversity monitoring

With the world map, the researchers have created a solid base for large-scale biodiversity monitoring and for research into the origins of plant diversity. They created a tool to assess global biodiversity and to be able to take appropriate conservation measures to preserve plant diversity.

Es ist ein Dilemma der Mikrobiologie: Die interessantesten Bakterien leben oftmals in sehr speziellen Habitaten mit Bedingungen, die sich im Labor nicht nachbilden lassen. Deshalb können diese Mikroorganismen auch nicht im Labor kultiviert und erforscht werden. Unzählige Proteine, die vielleicht großes Potenzial für Medizin oder biotechnologische Anwendungen hätten, entziehen sich so der Entdeckung durch den Menschen. Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) will daran etwas ändern.

Bakterien besiedeln medizinisches Silikon

Wenn die Mikroorganismen nicht im Labor überleben, müssen sie eben in ihrem natürlichen Habitat wachsen: Die Forschenden haben einen speziellen Chip entwickelt, der in das Habitat der Bakterien gegeben werden kann. Dort besiedeln ihn die Mikroorganismen. Nun kann der Chip entfernt und die DNA der Bakterien analysiert werden. Der Clou besteht darin, in den homogenen Silikonchip eine poröse Silikonstruktur zu integrieren. Die Löcher nehmen dann die Mikroorganismen aus der Umgebung auf, gewissermaßen wie ein Schwamm.

„Es ist erstaunlich, dass noch niemand daran gedacht hat, medizinisches Silikon für die bakterielle Ansiedlung zu nutzen“, meint Christof Niemeyer, Professor für chemische Biologie am KIT. Das Material ist leicht zu modifizieren, langlebig, günstig und interagiert nicht mit seiner Umwelt. Dass der Chip grundsätzlich funktioniert, hat das Team zunächst im Labor mit dem etablierten Bakterium Escherichia coli getestet. In unterschiedlichen Habitaten musste der Chip dann beweisen, dass er jeweils innerhalb weniger Tage auch dort lebende Bakterien aufnimmt – mit Erfolg.

Erfolgreiche Tests in unterschiedlichen Habitaten

So konnten die Forschenden aus der Luft einer Hühnerfarm Bakterien der Familie der Actinobacterota identifizieren, Organismen, für die sich die Forschung im Bereich Antibiotika und Krebstherapeutika interessiert. In einem Zuchtbecken für Zander fing der Chip Bakterien einer großen Gruppe von Mikroorganismen ein, die sich bislang hartnäckig der Kultivierung entzogen haben, der sogenannten Candidate Phyla Radiation. „Diese Mikroorganismen machen etwa 70 Prozent der mikrobiellen dunklen Materie aus, da sie bislang nicht kultivierbar sind“, erläutert KIT-Forscherin Anne-Kristin Kaster.