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Beim Synbio World Café der German Association for Synthetic Biology – GASB e.V. in Zusammenarbeit mit der Bundesagentur für Sprunginnovationen (SPRIND) und der Technischen Universität Darmstadt ging es um die Herausforderungen und Chancen für Gründer und etablierte Unternehmer in der Synthetischen Biologie. In diesem Jahr standen die Themen Finanzen & Kapital, Künstliche Intelligenz & Maschinelles Lernen, Innovationstransfer, Nachhaltigkeit und Wissenschaftskommunikation im Mittelpunkt des Synbio World Cafés.

„Wir müssen einen Sprint hinlegen, um in der Synthetischen Biologie nicht abgehängt zu werden“, lautete beinahe unisono die Botschaft der Vertreter aus Industrie, Wissenschaft und Zivilgesellschaft, die sich in Darmstadt im historischen Ambiente des Georg-Christoph-Lichtenberg-Hauses trafen. In vielen kleinen Diskussionsrunden, die jeweils von Experten moderiert wurden, konnten die Akteure ihre Erfahrungen und Ideen einbringen und direktes fachliches Feedback erhalten. So wurden sowohl aktuelle Probleme diskutiert als auch zukünftige Chancen identifiziert.

Facettenreicher Blick auf und in die Synthetische Biologie

„Die Vielfalt der Teilnehmenden des Synbio World Cafés – von Doktoranden über Gründer bis hin zu CEOs – ermöglicht einen facettenreichen Blick auf und in die Synthetische Biologie“, freute sich Hendrik Cooper, der die Veranstaltung von Seiten der GASB mitorganisiert hatte. Während die medizinische Biotechnologie aus der Innovationslandschaft im Gesundheitsbereich nicht mehr wegzudenken ist, fristet der gleiche technologische Ansatz einer „synthetischen“ Nachahmung von Vorbildern aus der Natur in vielen anderen Bereichen ein Schattendasein. Dabei birgt dieses zukunftsträchtige Forschungsfeld ein großes, aber noch weitgehend ungenutztes Potential.
Mithilfe gentechnisch veränderter Organismen erarbeiten Forscher bereits heute Lösungsansätze für drängende Probleme unserer Zeit wie den Klimawandel oder die zunehmende Menge an Plastikmüll.

Biotechnologen können zwar noch kein Stroh zu Gold spinnen, aber beispielsweise Pflanzenreste aus der Maisstärkeproduktion in umweltfreundliche Kosmetika umwandeln, wie Patreek Malwahar, CEO der Firma Bioweg, eindrucksvoll demonstrierte. Mit bakterieller Cellulose kann das Unternehmen Mikroplastik ersetzen, das heute noch in vielen Kosmetikprodukten enthalten ist und ein großes Umweltproblem darstellt. Bis 2028 muss Mikroplastik laut EU aus vielen Produkten verschwunden sein – beste Voraussetzungen für einen Boom neuer, nachhaltiger Alternativen.

Ein anderes Beispiel ist das Berliner SynBio-Start-up Cambrium, das mithilfe der KI neue Proteinstrukturen identifiziert, diese in gentechnisch veränderte Mikroorganismen einbaut und so menschliches Kollagen herstellen kann, das tierisches Kollagen nicht nur ersetzt, sondern ihm funktionell sogar überlegen ist.

SPRIND ruft Innovationswettbewerb aus

Doch viele solcher Ideen haben es schwer, den Sprung in die großtechnische Umsetzung und auf den Markt zu schaffen, wo sie mit konventionellen Produkten konkurrieren müssen. „Wir erkennen das ungenutzte Potential und sehen die Notwendigkeit, mehr in risikoreiche Forschung zu investieren“, betont Patrick Rose, Innovationsmanager bei SPRIND, der deutschen Agentur für Sprunginnovationen. „Mit den uns zur Verfügung stehenden öffentlichen Mitteln unterstützen wir mutige und vielversprechende Innovatoren in der Frühphase.“

Als besonderes Highlight startete SPRIND am ersten Konferenzabend die neueste Challenge der Innovationsagentur mit dem Titel „Circular Biomanufacturing“. Dabei werden bis zu acht Teams gefördert, die innovative Bioverfahrenstechniken entwickeln. Mit einem Budget von 40 Mio. Euro sollen nachhaltige, umweltfreundliche Systeme etabliert werden, die weniger energie- und arbeitsintensiv sind, aber dennoch Abfallströme in wertvolle Produkte umwandeln können.

Ob Hitze, Trockenheit oder Starkregen: Der Klimawandel stellt die Landwirtschaft vor immer größere Herausforderungen. Auch im Alpenraum, wo es oft kühler ist und häufiger regnet, sind die Auswirkungen auf Wiesen, Weiden und Almen spürbar. Doch was bedeutet der Klimawandel für die sogenannte Grünlandproduktion? Und vor allem: Wie können Bäuerinnen und Bauern im Alpenraum auf diese Veränderungen reagieren? Mit diesen Fragen beschäftigten sich Forscherinnen und Forscher um Ralf Kiese vom Campus Alpin des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im BonaRes-Projekt SUSALPSII. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der 2. Förderphase von 2018 bis 2022 mit rund 2,8 Mio. Euro gefördert.

Temperaturanstieg in den Alpen über globalem Durchschnitt

„Die Alpen sind ein klimasensitiver Raum, in dem der Klimawandel vergleichsweise schnell voranschreitet und in dem wir in den letzten Jahrzehnten bereits deutlich höhere Temperaturanstiege als im globalen Durchschnitt haben“, erklärt Projektleiter Ralf Kiese. In Höhen von 900 bis 1.000 Metern beträgt der Temperaturanstieg bereits heute 2 Grad Celsius. „Das macht sich – wie überall – auch in der Zunahme von Trockenperioden bemerkbar“, so Kiese. Damit Landwirtinnen und Landwirte im Alpenraum ihr Grünlandmanagement an die veränderten Bedingungen anpassen können, untersuchte das Projektteam wichtige Faktoren des Ökosystems.

Auswirkungen auf Gründlandproduktion

Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen die Auswirkungen des Klimawandels auf verschiedene Funktionen von Grünlandökosystemen: die Produktivität und die Artenzusammensetzung, die mikrobielle Aktivität, die Effizienz der Stickstoffnutzung aus Gülle sowie die Wasser- und Kohlenstoffspeicherung im Boden. Da Grünland im Alpenraum relativ viel Kohlenstoff und Stickstoff im Boden speichert, interessierte das Team vor allem, ob steigende Temperaturen zu höherer Mineralisierung und damit zu einer Freisetzung von CO₂ in die Atmosphäre beziehungsweise Nitrat ins Grundwasser führen.

Whether heat, drought or heavy rain, climate change is presenting agriculture with ever greater challenges. Even in the Alpine region, where it is often cooler and rains more frequently, the effects on meadows, pastures and alpine pastures are noticeable. But what does climate change mean for so-called grassland production? And above all, how can farmers in the Alpine region react to these changes? Researchers led by Ralf Kiese from the Campus Alpin of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) dealt with these questions in the BonaRes project SUSALPSII. The project was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) in the 2nd funding phase from 2018 to 2022 with around 2.8 million euros.

Temperature increase in the Alps above global average

"The Alps are a climate-sensitive region where climate change is progressing comparatively quickly and where we have already had significantly higher temperature increases than the global average in recent decades," explains project manager Ralf Kiese. At altitudes of 900 to 1,000 metres, the temperature increase is already 2 degrees Celsius. "This is also noticeable - as it is everywhere - in the increase in dry periods," says Kiese. In order for farmers in the Alpine region to be able to adapt their grassland management to the changing conditions, the project team examined important factors of the ecosystem.

Impacts on grassland production

The investigations focused on the effects of climate change on various functions of grassland ecosystems: productivity and species composition, microbial activity, the efficiency of nitrogen use from manure, and water and carbon storage in the soil. Since grassland in the Alpine region stores relatively high amounts of carbon and nitrogen in the soil, the team was particularly interested in whether rising temperatures lead to higher mineralisation and thus to a release of CO₂ into the atmosphere or nitrate into the groundwater.

Nylonstrümpfe sind wohl das bekannteste Beispiel für die Verwendung von Nylonfasern im Alltag. Aber auch Regenschirme, Kochlöffel, Hemden und Autoreifen enthalten oftmals das Polymer. Bisher wird die begehrte Kunstfaser jedoch aus fossilen Rohstoffen hergestellt, deren Produktion wegen der Freisetzung von Lachgas umweltschädlich ist und viel Energie verbraucht. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Universität Leipzig hat nun ein Verfahren zur Herstellung von biobasiertem Nylon entwickelt.

Nylon-Herstellung mittels elektrochemischer Synthese

Nylon besteht zu 50% aus Adipinsäure, die bisher aus Erdöl gewonnen wird. In einem ersten Schritt wird Phenol in einem energieintensiven und umweltbelastenden Verfahren zu Cyclohexanol und anschließend zu Adipinsäure umgesetzt. Falk Harnisch vom UFZ und Rohan Karande von der Universität Leipzig ist es nun gelungen, diesen Syntheseprozess nachhaltig zu gestalten und dabei biobasierte Abfälle als Ausgangsstoff zu nutzen. Möglich wurde dies durch einen elektrochemischen Prozess.

„Die dahinterstehende chemische Umwandlung ist dieselbe wie bei den etablierten Verfahren. Die elektrochemische Synthese ersetzt jedoch das Wasserstoffgas durch elektrische Energie, findet in wässriger Lösung statt und braucht dafür lediglich Umgebungsdruck und Raumtemperatur“, erläutert Falk Harnisch, Leiter der Arbeitsgruppe Elektrobiotechnologie am UFZ.

Potenzial für kombinierte Produktion von Adipinsäure

Das Team fand hierfür einen Katalysator, der die Reaktionen schnell und effizient ablaufen lässt. Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift Green Chemistry berichten, wurden die besten Ausbeuten mit einem auf Kohlenstoff basierenden Rhodium-Katalysator mit fast 70% an Elektronen und mehr als 70% Cyclohexanol erreicht. „Die relativ kurze Reaktionszeit, die effiziente Ausbeute und die effektive Energienutzung sowie Synergien mit dem biologischen System machen dieses Verfahren für eine kombinierte Produktion von Adipinsäure attraktiv“, urteilt Micjel Chávez Morejón, Erstautor der Studie und Chemiker am UFZ .

Elektrochemische und mikrobielle Reaktionsschritte verbunden

Auch den zweiten Schritt, die Umwandlung von Cyclohexanol durch das Bakterium Pseudomonas taiwanensis in Adipinsäure, konnten die Forschenden nachhaltiger machen. „Bislang war es nicht gelungen, die Reaktion von Phenol zu Cyclohexanol mikrobiell ablaufen zu lassen. Diese Lücke haben wir durch die elektrochemische Reaktion geschlossen“, bilanziert Rohan Karande. Dabei wurden die für die Phenolherstellung benötigten Monomere Syringol, Catechol und Guaiacol aus Lignin gewonnen, einem Abfallprodukt der Holzindustrie. „Wir haben für diese Modellsubstanzen zeigen können, dass wir gemeinsam den Weg bis zur Adipinsäure gehen können“, resümiert Harnisch.

Der Prozess von der Herstellung der Monomere aus Ligninresten mittels elektrochemischer und mikrobieller Reaktionsschritte bis zur Adipinsäure dauerte im Labor 22 Stunden. Die Ausbeute an ligninbasiertem Nylon lag bei 57%. Auch wenn der Ertrag vielversprechend ist: Bis zur Marktreife ist es noch ein weiter Weg, denn noch basieren die Ergebnisse auf Laborversuchen. In den nächsten beiden Jahren wollen die Forschenden nun die Voraussetzungen schaffen, um das Verfahren zur Herstellung des biobasierten Polymers in den Litermaßstab zu bringen. Rohan Karande ist jedoch überzeugt: „Weltweit werden rund 4,5 Millionen Tonnen Adipinsäure hergestellt. Wenn wir dafür Holzreststoffe erschließen, hätte das einen entscheidenden Einfluss auf den Weltmarkt.“

Eine der größten Herausforderungen ist die Sicherung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung unter sich ändernden Klimabedingungen. Damit verbunden ist die Forderung, gesunde, nährstoffreiche und nachhaltige Lebensmittel zu produzieren. Eine vielversprechende Methode ist das Vertical Farming. Hier können Kräuter und Salate unter kontrollierten Bedingungen in Mini-Gewächshäusern auf verschiedenen Ebenen wachsen und jederzeit frisch geerntet direkt vor Ort verkauft werden. Mit der Klimakammer des Hennickendorfer Unternehmens Bioenergieland strebt Geschäftsführer Frank Riesbeck nun den vertikalen Pflanzenanbau im industriellen Maßstab an.

Weizen gehört zu den wichtigsten Nahrungsmitteln in Deutschland. Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes wurden im vergangenen Jahr hierzulande 22 Millionen Tonnen Winterweizen geerntet – rund fünf Prozent mehr als im Vorjahr. Doch Getreide reagiert empfindlich auf Umwelteinflüsse, wie die vergangenen Hitzejahre gezeigt haben. Allein in Hessen ging 2018 ein Drittel der Ernte durch Hitze und Trockenheit verloren. Selbst Technik, Dünger und künstliche Bewässerung stießen an ihre Grenzen. Im Projekt Trio wollen Forschende unter der Leitung der Universität Kassel den Weizenanbau nun mit Hilfe von tiefwurzelnden Kräutern fit für den Klimawandel machen.

Mischanbau von tief und flach wurzelnde Pflanzen

„Der Anbau tiefwurzelnder Kulturen ist in der mitteleuropäischen Landwirtschaft gering verbreitet. Ob sie, besonders in Mischkulturen, besser mit dem Klimawandel zurechtkommen und welchen Beitrag sie zum Erhalt der Artenvielfalt leisten, ist noch nicht erforscht. Das wollen wir ändern“, erklärt Miriam Athmann, Leiterin des Fachgebiets Ökologischer Land- und Pflanzenbau an der Universität Kassel.

Konkret sollen Kümmel, Fenchel und Koriander in die Fruchtfolge integriert und auf denselben Feldern wie Weizen angebaut werden. Der Grund: Gewürzpflanzen können mit ihren Pfahlwurzeln Wasser und Nährstoffe in tieferen Bodenschichten anreichern. In Kombination mit den flachwurzelnden Weizenpflanzen wäre so die Wasser- und Nährstoffversorgung in Dürreperioden sicherer. Die Forschenden hoffen hier auf den Effekt des sogenannten Hydraulic-Lift, der auch bei einzelnen Baumarten funktioniert. Dabei wird Wasser aus tieferen Bodenschichten über die Wurzeln in die oberen Bodenschichten transportiert und verbessert so auch die Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit für flachwurzelnde Pflanzen.

Mit mehrjährigem Weizen Artenvielfalt fördern

Durch den Mischanbau wollen die Forschenden Wasser und Nährstoffe im Boden besser nutzen, die Bodenqualität verbessern und so die Nahrungsmittelproduktion und das Einkommen der Landwirte sichern. Zudem erhoffen sich die Forschenden durch den Mischanbau von mehrjährigen Pflanzen – konkret Fenchel und Weizen – einen Gewinn für die Artenvielfalt durch die Blüte. Entsprechende Feldversuche sollen an vier Standorten in Hessen durchgeführt werden, unter anderem auf dem Versuchsgut der Universität Kassel, der Domäne Frankenhausen.

Millionenförderung durch das Land Hessen

Das Projekt Trio wird vom Land Hessen im Rahmen der Landesoffensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz (LOEWE) in den kommenden vier Jahren mit 4,8 Mio. Euro gefördert. Beteiligt sind neben der Universität Kassel die Justus-Liebig-Universität Gießen, die Hochschule Geisenheim, das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, das Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung, der Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen sowie die Vereine Forschungsring und Ökoplant.

Wheat is one of the most important foods in Germany. According to the Federal Statistical Office, 22 million tons of winter wheat were harvested in Germany last year - around five percent more than the year before. But the grain is sensitive to environmental influences, as the past heat years have shown. In Hesse alone, a third of the harvest was lost to heat and drought in 2018. Technology, fertilizers and artificial irrigation also reached their limits. In the Trio project, researchers led by the University of Kassel now want to make wheat cultivation fit for climate change with the help of deep-rooted herbs.

Mixed cultivation of deep and shallow rooted plants

"The cultivation of deep-rooted plants is not very common in Central European agriculture. Whether they cope better with climate change, especially in mixed crops, and what contribution they make to maintaining biodiversity has not yet been researched. We want to change that," explains Miriam Athmann, head of the Department of Organic Agriculture and Crop Production at the University of Kassel.

Specifically, caraway, fennel and coriander are to be integrated into the crop rotation and cultivated on the same fields as wheat. The reason: spice plants can accumulate water and nutrients in deeper soil layers with their tap roots. In combination with shallow-rooted wheat plants, this would ensure a reliable supply of water and nutrients during periods of drought. The researchers are hoping here for the effect of the so-called hydraulic lift, which also works with individual tree species. In this process, water is transported from deeper soil layers via the roots into the upper soil layers, thus also improving water and nutrient availability for shallow-rooted plants.

Promoting biodiversity with perennial wheat

Through mixed cropping, the researchers hope to make better use of water and nutrients in the soil, improve soil quality and thus secure food production and farmers' incomes. In addition, the researchers hope that mixed cultivation of perennial crops - specifically fennel and wheat - will benefit biodiversity through flowering. Corresponding field trials are to be carried out at four locations in Hesse, including the University of Kassel's experimental farm, Domäne Frankenhausen.

Millions in funding from the state of Hesse

The Trio project is being funded by the state of Hesse as part of the state offensive for the development of scientific and economic excellence (LOEWE) with 4.8 million euros over the next four years. In addition to the University of Kassel, the Justus Liebig University of Giessen, the Geisenheim University of Applied Sciences, the Potsdam Institute for Climate Impact Research, the Leibniz Center for Agricultural Landscape Research, the Hessian State Office for Agriculture, and the Forschungsring and Ökoplant associations are involved.

Ob Pkw, Bus oder Lkw, das Gros der Fahrzeuge auf Deutschlands Straßen fährt mit Benzin oder Diesel. Doch die fossilen Treibstoffe sind für einen Großteil der klimaschädlichen Emissionen verantwortlich. Der Anteil des Verkehrs an den Gesamtemissionen ist nach Angaben des Umweltbundesamtes seit 1990 von etwa 13 % auf 19,4 % im Jahr 2021 gestiegen. Vor allem in städtischen Ballungsgebieten sind die verkehrsbedingten Emissionen von Kohlendioxid (CO₂), Stickoxid und Feinstaub sehr hoch, da noch immer wenige Fahrzeuge elektrisch fahren. Eine Studie der Universität Hohenheim zeigt, dass Treibstoffe aus landwirtschaftlichen Reststoffen – vor allem Biomethan – eine vielversprechende und kostengünstige Alternative sein können.

Biomethan als Kraftstoff sorgt für positive CO₂-Bilanz

„Dies gilt vor allem für Bereiche, in denen die fortschreitende Elektromobilität nur schwer Einzug halten wird, wie im Schwerlastverkehr oder bei Bau- und Landmaschinen. Hier kann die verstärkte Verwendung von Biomethan – sei es als Bio-CNG (komprimiertes Biomethan) oder Bio-LNG (verflüssigtes Biomethan) – zu einer deutlichen Reduzierung des CO₂-Ausstoßes führen“, sagt Andreas Lemmer von der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie an der Universität Hohenheim.

Im Rahmen des Verbundprojektes probioLNG (Innovative Prozesskette zur ressourceneffizienten Erzeugung von Bio-LNG) hatten Forschende um Lemmer sich mit der Erzeugung von Bio-LNG befasst. Die Untersuchungen ergaben, dass mit regenerativ erzeugtem Bio-LNG als Lkw- und Landmaschinen-Treibstoff der CO₂-Ausstoß im Schnitt um mehr als 65 % verringert werden kann. „Verwenden wir ausschließlich Gülle als Ausgangsmaterial, dann ist die CO₂-Bilanz sogar negativ“, ergänzt Lemmer. Aber nicht nur die Treibhausgasemissionen, sondern auch der Ausstoß der Schadstoffe wird mithilfe des flüssigen Biomethan-Kraftstoffes reduziert. Den Forschenden zufolge nimmt der Stickstoff-Ausstoß durch verflüssigtes Methan im Vergleich zu einem Euro-VI-Dieselbus um 60 % ab, während die Feinstaubbelastung im Vergleich zu konventionellen Dieselbussen um 90 % sinkt.

Pilotanlage zur Erzeugung von Bio-LNG

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Vorhaben probioLNG entstand gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie eine Pilotanlage zur Erzeugung von Bio-LNG auf der Forschungsstation „Unterer Lindenhof“ der Universität Hohenheim. Hier können erstmals neue Verfahren der Biogasherstellung und Aufbereitung zu einer vollständigen Prozesskette kombiniert werden. Das Besondere dabei ist die zweistufige Druckfermentation.

Höhere Methanproduktion durch zweistufige Druckfermentation

„Im Vergleich zur üblichen Biogasproduktion trennen wir zwei Schritte räumlich, zeitlich und prozesstechnisch voneinander“, beschreibt Elena Holl, Doktorandin in der Arbeitsgruppe. Dabei wird die feuchte Biomasse – etwa aus Gülle, organischen Reststoffen oder Energiepflanzen – zunächst von Mikroorganismen in der sogenannten Hydrolyse in kleinere Moleküle zerlegt und diese im zweiten Schritt von speziellen Mikroorganismen in Methan umgewandelt. „Durch die Trennung der beiden Vorgänge können wir die Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur und pH-Wert, ideal an die Bedürfnisse der verschiedenen Mikroorganismen anpassen und so die Methanproduktion deutlich erhöhen.“ Holl zufolge konnte durch die zusätzliche Einleitung von Wasserstoff Biogas mit einem Methangehalt von über 90 Volumenprozent erzeugt werden.

Erste Linienbusse testen Biomethan als Kraftstoff

Wie Biomethan im öffentlichen Nahverkehr genutzt werden kann, wird gegenwärtig im Verbundprojekt „NEOBus“ untersucht. So testet ein Busunternehmen auf der Strecke Münsingen-Reutlingen das verflüssigte Methan als Kraftstoff in einen Bio-LNG-Hybridbus. Gasförmiges Biomethan wird parallel dazu als Bio-CNG in einem Bus in der Region Ravensburg eingesetzt.

„Biomethan ist einer der wenigen erneuerbaren Energieträger, der bereits derzeit in großer Menge zur Verfügung steht, der auf eine vorhandene Infrastruktur zurückgreifen kann und der bei intelligenter Herstellung die beste Treibhausgasbilanz aller erneuerbaren Treibstoffe aufweist“, sagt Lemmer. Er ist überzeugt, dass die Biomethanproduktion auch eine gute zusätzliche Einnahmequelle für landwirtschaftliche Betriebe sein kann. „Der Zusammenschluss von Verkehrsunternehmen mit einem oder mehreren lokalen Biogasanlagenbetreibern eröffnet im ländlichen Raum ein vielversprechendes Geschäftsmodell für beide Seiten.“

Stickstoffmonoxid – kurz NO – ist ein Gas, das wichtig und tödlich zugleich für Lebewesen ist. Forschende spekulieren, dass es als Vorläufer des Sauerstoffs zu Urzeiten an der Entstehung von Leben beteiligt gewesen sein könnte. Allerdings schädigt es die Ozonschicht und kann zu Lachgas reagieren, einem starken Treibhausgas. Das reaktionsfreudige Stickstoffmonoxid ist auch ein Signalmolekül, das für viele Organismen giftig ist. Manche Mikroorganismen können sich jedoch von dem energiereichen Gas ernähren. Wie das gelingt, konnte jetzt erstmals ein Team des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen genauer untersuchen.

Spezielle Ausrüstung für die Forschung

Die Forschenden um Paloma Garrido Amador und Boran Kartal berichten in der Fachzeitschrift „Nature Microbiology“ von zwei zuvor unbekannten Arten von Mikroorganismen, die sie auf NO wachsen lassen und kultivieren konnten. Gefunden hatte das Team die Organismen in der Bremer Kläranlage: „Wir sammelten Schlamm aus dem Denitrifikationsbecken“, berichtet Garrido Amador. „Den brachten wir in unser Labor, füllten ihn in einen unserer Bioreaktoren und begannen die Inkubation, indem wir ihn mit NO fütterten.“ Das war vor vier Jahren. „Da NO giftig ist, benötigten wir spezielle Ausrüstung und mussten sehr vorsichtig mit den Kulturen umgehen, um uns selbst nicht zu gefährden“, so Garrido Amador weiter. Doch noch heute seien die Kulturen weiterhin wohlauf.

Anderes Verhalten als von Modellorganismen bekannt

„Es zeigte sich, dass zwei bisher unbekannte Arten die Kultur dominierten“, sagt Kartal. „Wir nannten sie Nitricoxidivorans perserverans und Nitricoxidireducens bremensis.“ Anhand dieser Arten versuchte das Team zu verstehen, wie der Stoffwechsel von Mikroorganismen funktioniert, die sich von NO ernähren. „Einige unserer Beobachtungen machen deutlich, dass diese Mikroben sich anders verhalten als Modellorganismen – Organismen, die leicht zu kultivieren und daher umfassend erforscht sind“, berichtet Kartal. „Wir zeigen auch, dass Aussagen über den mikrobiellen Stoffwechsel allein anhand von Genomanalysen nur eingeschränkt möglich sind.“

Welche Rolle Mikroorganismen, die auf NO wachsen, in den globalen Stoffkreisläufen spielen, ist nach wie vor unklar. „Die angereicherten Mikroorganismen waren sehr effizient darin, NO in molekularen Stickstoff umzuwandeln“, sagt Kartal. „Es gab praktisch keine Freisetzung des Treibhausgases Lachgas.“ Das sei bemerkenswert, denn viele andere Mikroorganismen wandelten NO in Lachgas um. Molekularer Stickstoff hingegen ist für das Klima harmlos.

Stickstoffkreislauf besser verstehen

In den vergangenen vier Jahren ist es jedoch nicht bei diesen beiden Arten geblieben. Das Forschungsteam suchte und fand weitere Organismen, die sich von NO ernähren. „Durch die Kultivierung und Anreicherung weiterer NO-atmender Mikroorganismen werden wir die Evolution der Stickoxidreduktion und der beteiligten Enzyme besser verstehen. So werden wir auch die Rolle von NO in bekannten und noch unbekannten Prozessen des Stickstoffkreislaufs und seine Bedeutung in natürlichen und künstlichen Umgebungen, in denen diese Prozesse ablaufen, entschlüsseln können“, hofft Garrido Amador.

Nitric oxide - NO for short - is a gas that is both important and deadly to living things. Researchers speculate that it may have been involved in the origin of life as a precursor to oxygen in prehistoric times. However, it damages the ozone layer and can react to form nitrous oxide, a potent greenhouse gas. Reactive nitric oxide is also a signaling molecule that is toxic to many organisms. However, some microorganisms can feed on the energy-rich gas. A team from the Max Planck Institute for Marine Microbiology in Bremen has now studied how this works in more detail for the first time.

Special equipment for research

Researchers led by Paloma Garrido Amador and Boran Kartal report in the journal Nature Microbiology on two previously unknown species of microorganisms that they were able to grow and cultivate on NO. The team found the organisms at the Bremen wastewater treatment plant. "We collected sludge from the denitrification tank," Garrido Amador reports. "We brought it to our lab, put it in one of our bioreactors and started incubation by feeding it with NO." That was four years ago. "Since NO is toxic, we needed special equipment and had to be very careful with the cultures so as not to put ourselves at risk," Garrido Amador continues. But even today, he says, the plants are thriving.

Different behavior than known from model organisms

"It turned out that two previously unknown species dominated the culture," Kartal says. "We named them Nitricoxidivorans perserverans and Nitricoxidireducens bremensis." Using these species, the team sought to understand how the metabolism of microorganisms that feed on NO works. "Some of our observations make it clear that these microbes behave differently than model organisms - organisms that are easy to culture and therefore have been extensively studied," Kartal reports. "We also show that conclusions about microbial metabolism based on genomic analyses alone are limited."

What role microorganisms growing on NO play in global matter cycles is still unclear. "The enriched microorganisms were very efficient at converting NO to molecular nitrogen," Kartal says. "There was virtually no release of the greenhouse gas nitrous oxide." That's remarkable, he says, because many other microorganisms convert NO to nitrous oxide. Molecular nitrogen, on the other hand, is harmless to the climate.

Better understanding of the nitrogen cycle

In the last four years, however, these two species have not been the only ones found. The research team searched for and found more organisms that feed on NO. "By culturing and enriching more NO-breathing microorganisms, we will better understand the evolution of nitric oxide reduction and the enzymes involved. This will also allow us to decipher the role of NO in known and yet unknown processes of the nitrogen cycle and its importance in natural and artificial environments where these processes take place," Garrido Amador hopes.

Insekten wie Mehlwürmer sind reich an Proteinen und lassen sich einfach und ressourcenschonend züchten. Fachleute sind überzeugt, dass Grillen und Co. eine Alternative zur konventionellen Fleischproduktion darstellen und zur Ernährungssicherung beitragen können. Mit der Einführung der neuen Novel-Food-Verordnung sind Insekten ab 2018 auch in der EU als Lebensmittel zugelassen. Gemahlen oder im Ganzen werden die Tierchen zu Produkten wie Nudeln oder Riegeln verarbeitet. Um Mehlwürmer effizient und wirtschaftlich in großen Mengen zu züchten, fehlt es bislang jedoch an geeigneten Produktionsanlagen.

Mit KI Mehlwürmer aussortieren

Das Start-up Lower Impact aus Hannover will das ändern und die Mehlwurm-Produktion mit Hilfe Künstlicher Intelligenz effizienter und nachhaltiger machen. Gemeinsam mit Experten des Mittelstand-Digital Zentrums Hannover der Leibniz Universität Hannover hat das junge Unternehmen eine automatische Sortieranlage für Mehlwürmer entwickelt und einen Demonstrator aufgebaut.

Bisher seien für die Sortierung Siebe mit unterschiedlichen Maschenweiten eingesetzt worden. Dabei seien häufig Mehlwürmer im Sieb stecken geblieben und mussten per Hand entfernt werden, berichtet Zentrumsmitarbeiterin Anne Rathje, die gemeinsam mit Lower Impact den Demonstrator für die Sortieranlage entwickelt hat. Mit Hilfe der neuen Anlage können demnach besonders große Käferlarven, die für die weitere Zucht benötigt werden und bisher von Hand aussortiert wurden, schnell und effizient ausgewählt werden. „Diese optische Sortierung ist die einzige wirtschaftliche Lösung“, ist Rathje überzeugt.

Optische Sortierung nach Größe

Das Aussortieren der Mehlkäfer erfolgt dabei mittels Künstlicher Intelligenz. Dafür werden die Insekten auf dem Förderband durch die Anlage transportiert und von einer Kamera erfasst. Eine KI-basierte Bildauswertung klassifiziert die Mehlwürmer in Echtzeit nach ihrer Größe und bestimmt ihre Position auf dem Förderband. Diese Daten werden dann an die Ventilsteuerung weitergegeben, die zum richtigen Zeitpunkt eines der insgesamt 16 Ventile öffnet und per Druckluft den Mehlwurm vom Band bläst. Das Sortieren der Mehlwürmer sei zwar nur einer von vielen Arbeitsschritten bei der Aufzucht, so Rathje, aber der Schritt, der am schwierigsten zu automatisieren sei.

Haltungsbedingungen können optimiert werden

Mit Hilfe von KI-Bildauswertung und Druckluftsortierung wird die mühsame und teure Handverlesung der großen Mehlkäfer überflüssig. Aber nicht nur das: Die Größe der Insekten gibt auch Aufschluss über ihren Gesundheitszustand. Zusammen mit weiteren Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Art und Menge des Futters könne die Haltung der Mehlkäfer optimiert werden, so die Forschenden.

Mit dem Bundesstaat Queensland im Nordosten Australiens hat die deutsche Bundesregierung Forschungsallianzen geschmiedet zu Zukunftsthemen wie Grüner Wasserstoff und Bioökonomie (zum Beispiel Bioökonomie International). Ian O'Hara ist Professor an der Queensland University of Technology in Brisbane. Als Experte für industrielle Biotechnologie koordinierte er den Aufbau einer großen Demonstrationsanlage (Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant - MRBPP). Zudem vertritt O'Hara die Regierung von Queensland als Beauftragter und Botschafter für die Biofutures-Industrie. Damit ist der industrielle Biotechnologie-Sektor gemeint, der Biochemikalien, Biokraftstoffe und Biokunststoffe erzeugt.

The German government has formed research alliances with the state of Queensland in northeastern Australia on future topics such as green hydrogen and the bioeconomy (e.g. Bioeconomy International). Ian O'Hara is a professor at the Faculty of Engineering at Queensland University of Technology. He led the development of the Mackay Renewable Biocommodities Pilot Plant (MRBPP) – a unique publicly accessible biomanufacturing pilot scale research facility. He represents the Queensland Government as the Biofutures Industry Envoy and acts as an ambassador for Queensland’s Biofutures industry. This refers to the industrial biotechnology sector, which produces biochemicals, biofuels and bioplastics.