Aktuelle Veranstaltungen

Auch in diesem Jahr lädt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zu einem Blick hinter die Kulissen ein. Beim Tag der offenen Tür der Bundesregierung am 19. und 20. August können sich Besucherinnen und Besucher jeweils von 10 bis 18 Uhr am Dienstsitz am Kapelle-Ufer 1 ein Bild von der Arbeit und den Themen des BMBF machen. Unter dem Motto „Neue Horizonte, neue Chancen – Wissen, das uns weiterbringt!“ werden neben Hausführungen, physikalischen Zaubereien und Mitmach-Experimenten für Groß und Klein zahlreiche Initiativen und Projekte vorgestellt, die das BMBF fördert.

Digitale Erlebnisreise in die Welt der Bioökonomie

Forschungsprojekte zu Künstlicher Intelligenz, sozialen Robotern, Mikrobläschen gegen Mikroplastik, Photonik oder Krebs – sie alle zeigen das breite Spektrum der geförderten Projekte. Dazu gehört auch die Informationsplattform bioökonomie.de, die am Tag der offenen Tür mit einem interaktiven Augmented-Reality-Exponat vertreten ist. Hier können die Besucherinnen und Besucher den Facettenreichtum der Bioökonomie auf ganz besondere Weise erleben.

Das Exponat lädt zu einer digitalen Erlebnisreise in fünf Themenwelten ein: eine Stadt mit biobasierten Innovationen, ein Forschungsinstitut für Boden- und Pflanzenforschung, ein Bioökonomie-Einkaufszentrum, eine Bioraffinerie und ein Informationszentrum. Auf Tablets können hier Besuchende eine mögliche nahe Zukunft auf einer weißen Modelllandschaft erscheinen lassen und mit ihr interagieren. Der Blick in die virtuelle Welt liefert zugleich Informationen zu BMBF-geförderten Forschungsprojekten in Form von Texten, Videos sowie kleinen Animationen.

Selbst in entlegenen Teilen der Welt wie in der Arktis finden Forschende mittlerweile Mikroplastikteilchen. Die winzigen Plastikpartikel treiben aber nicht nur im Wasser und werden Meerestieren und Ökosystemen zum Verhängnis. Wind und Wellen sorgen dafür, dass die Teilchen in die Atmosphäre gelangen, wie die Studie eines deutsch-norwegischen Forschungsteams beweist.

Luftproben auf Mikroplastik untersucht

Unter Leitung von Barbara Scholz-Böttcher von der Universität Oldenburg wurden im Jahr 2021 während einer Exkursion des Forschungsschiffes Heincke zur norwegischen Bäreninsel, die zwischen Nordkap und Spitzbergen liegt, Luftproben gesammelt. Mithilfe der Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie war es möglich, die verschiedenen Kunststoffsorten nachzuweisen und zu quantifizieren. Anhand von Modellrechnungen konnten die Forschenden rekonstruieren, woher die Plastikteilchen stammen und wie sie sich verbreitet haben. „Mit unserer Studie präsentieren wir erstmals Daten dazu, wie hoch die Masse verschiedener Plastiksorten in der Meeresluft ist“, so Isabel Goßmann, Doktorandin am Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg und Erstautorin der Studie.

Hohe Konzentration von Mikroplastik durch Reifenabrieb

Wie das Team im Fachjournal Nature Communications berichtet, stießen sie in allen Luftproben auf Mikroplastikteilchen aus Polyester und Polyethylenterephthalat (PET), die vermutlich als Textilfasern in die Atmosphäre gelangten. Darüber hinaus ließen sich weitere Kunststoffe wie Polypropylen (PP), Polycarbonat und Polystyrol nachweisen. Als eine wichtige Quelle für Mikroplastikpartikel benennt das Team den Reifenabrieb, weil sich beim Autofahren und Bremsen winzige Gummiteilchen ablösen. „Diese Schadstoffe sind omnipräsent. Wir finden sie selbst in abgelegenen polaren Regionen“, berichtet Goßmann. Insgesamt wurden Konzentrationen von bis zu 37,5 Nanogramm Mikroplastik pro Kubikmeter Luft gemessen.

Mikroplastik gelangt vom Meer in die Luft

„Unsere Modellrechnungen deuten darauf hin, dass das Mikroplastik in der Meeresluft sowohl direkt von Quellen an Land als auch aus dem Meer stammt“, sagt Goßmann. Plastikteilchen gelangen demnach nicht nur über Flüsse ins Meer. Das Team geht davon aus, dass Mikroplastikpartikel, die nahe der Meeresoberfläche schwimmen, zum Beispiel bei stürmischem Wetter über die Gischt oder durch platzende Luftbläschen in die Atmosphäre gelangen und bei Regen herausgewaschen werden. Ein andere mögliche Quelle für Mikroplastik in der Meerluft sind Schiffe. Inhaltsstoffe von Farbanstrichen wie Polyurethane oder Epoxidharze wurden in früheren Luftproben bereits gefunden.

An der Studie beteiligt waren neben dem ICBM auch das Alfred-Wegener-Institut (Helmholz-Zentrum für Polar und Meeresforschung, AWI) in Bremerhaven, die TU Berlin sowie das Norwegische Institut für Luftuntersuchungen (NILU) und das Norwegische Institut für Öffentliche Gesundheit (NIPH).

Even in remote parts of the world, such as the Arctic, researchers now find microplastic particles. But the tiny plastic particles don't just float in the water and harm marine animals and ecosystems. The particles also enter the atmosphere via wind and waves, as a study by a German-Norwegian research team shows.

Air samples analyzed for microplastics

Under the direction of Barbara Scholz-Böttcher from the University of Oldenburg, air samples were collected in 2021 during an excursion by the research vessel Heincke to the Norwegian Bear Island, which lies between North Cape and Spitsbergen. With the help of pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry, it was possible to detect and quantify the different types of plastics. Using model calculations, the researchers were able to reconstruct where the plastic particles came from and how they spread. "With our study, for the first time we present data on how high the mass of different types of plastic is in the marine air," says Isabel Goßmann, a doctoral student at the Institute for Chemistry and Biology of the Sea (ICBM) at the University of Oldenburg and first author of the study.

High concentration of microplastics due to tire abrasion

As the team reports in the journal Nature Communications, they found microplastic particles made of polyester and polyethylene terephthalate (PET) in all air samples, which presumably entered the atmosphere as textile fibers. In addition, other plastics such as polypropylene (PP), polycarbonate and polystyrene were also detected. The team cites tire abrasion as an important source of microplastic particles, as tiny rubber particles come off during driving and braking. "These pollutants are ubiquitous. We even find them in remote polar regions," Goßmann reports. Overall, concentrations of up to 37.5 nanograms of microplastics per cubic meter of air were measured.

Microplastics enter the air from the sea

"Our model calculations show that the microplastics in the marine air originate both from direct sources on land and from the sea," says Goßmann. Accordingly, the plastic particles do not only enter the sea via rivers. The team assumes that microplastic particles floating near the surface of the sea enter the atmosphere, for example, during stormy weather via the sea spray or through bursting air bubbles, and are washed out when it rains. Another possible source of microplastics in marine air is ships. Components of paint coatings such as polyurethanes or epoxy resins have already been found in earlier air samples.

In addition to the ICBM, the Alfred Wegener Institute (Helmholz Centre for Polar and Marine Research, AWI) in Bremerhaven, the Technical University of Berlin, the Norwegian Institute for Air Research (NILU) and the Norwegian Institute of Public Health (NIPH) were also involved in the study.

Die Photosynthese ist der mit Abstand wichtigste Stoffwechselprozess auf der Erde. Ohne sie gäbe es kein Leben. Denn mithilfe des Sonnenlichts können Pflanzen, Algen, aber auch einigen Bakterien Wasser und Kohlendioxid (CO₂) in Zucker und Sauerstoff umwandeln. Das CO₂ benötigen Pflanzen, um für ihr Wachstum die nötige Energie und damit Biomasse zu erzeugen. Infolge der immer häufiger auftretenden Dürreperioden hat sich das Photosynthese-Verhalten von Pflanzen innerhalb des Tages allerdings verändert, wie eine internationale Studie von Forschenden aus Südkorea, den USA und Deutschland zeigt.

Pflanzen verschieben bei Hitze Photosynthese auf die Morgenstunden

Wie das Team im Fachjournal Science Advances berichtet, verschieben Pflanzen in ohnehin trockenen Gebieten ihre CO₂-Aufnahme während einer Hitzewelle zunehmend in die Morgenstunden und verringern die Photosynthese am Mittag und Nachmittag. „Obwohl diese Erkenntnis an sich nicht neu ist, beruhte sie bislang auf kleinräumigen Studien an einzelnen Pflanzenarten beziehungsweise Ökosystemen, etwa auf der Ebene eines Waldbestandes, und konnte bisher nicht großräumig mit Satelliten beobachtet werden. Die neue Studie ist die erste, die flächendeckend für den kontinentalen Teil der USA diese Verschiebung in Richtung der Morgenstunden auf der Basis von Satellitenmessungen quantifiziert“, sagt Benjamin Dechant vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) und der Universität Leipzig, der an der Studie beteiligt war.

Kühlender Effekt der Verdunstung nimmt ab

Doch welche Folgen hat die verschobene Photosynthese-Aktivität für einzelne Pflanzen und das Ökosystem? Damit Pflanzen Photosynthese betreiben können, müssen sie die Spaltöffnungen ihrer Blätter öffnen, wodurch Wasser verdunstet. In Dürreperioden müssten daher einzelne Arten den Wasserverlust so minimieren, dass sie dennoch Photosynthese betreiben könnten, erklärt Dechant. „Wenn solche Bedingungen allerdings länger anhalten und die Pflanzen nicht ausreichend Wasser über die Wurzeln aufnehmen können, kann dies zu verstärktem Absterben von Pflanzen führen, besonders bei Arten, die nicht an solche extremen Umweltbedingungen angepasst sind. Auf der Ebene von Ökosystemen kann die stark reduzierte Verdunstung von Wasser aus den Blättern zu späteren Tageszeiten auch einen Einfluss auf die Temperaturen haben, da der kühlende Effekt der Verdunstung viel geringer ist als unter Normalbedingungen“, so der Forscher.

Reduzierte Verdunstung könnte Dürren weiter verstärken

Wenn durch die Verschiebung der Photosynthese auf die Morgenstunden der kühlende Effekt der Verdunstung tagsüber reduziert wird, hat das auch negative Auswirkungen auf die Tierwelt sowie auf das Leben der Menschen in den Städten. Auch Dürren könnten sich durch die reduzierte Verdunstung noch weiter verstärken. „Die Ergebnisse können unter anderem verwendet werden, um Simulationsergebnisse von Vegetationsmodellen zu evaluieren und zu verbessern, was wichtig für Vorhersagen des globalen Kohlenstoffzyklus ist“, resümiert Dechant.

Basis der Untersuchung waren Daten von neuartigen geostationären Satelliten, die unter anderem während einer Hitzewelle in den USA im Jahr 2020 aufgenommen wurden. Diese geostationären Satelliten verfügen im Vergleich zu konventionellen Satelliten über Sensoren, die durch eine sehr hohe zeitliche Auflösung eine kontinuierliche Messung über den Tag ermöglichen.

Photosynthesis is by far the most important metabolic process on earth. Without it, there would be no life. With the help of sunlight, plants, algae and also some bacteria can convert water and carbon dioxide (CO2) into sugar and oxygen. Plants need CO2 to generate the necessary energy and thus biomass for their growth. As a result of increasingly frequent droughts, however, the photosynthetic behavior of plants has changed within the day, as an international study by researchers from South Korea, the USA and Germany shows.

Plants postpone photosynthesis to the morning hours in hot weather

As the team reports in the journal Science Advances, plants in already dry areas increasingly shift their CO2 uptake to the morning hours during a heat wave and reduce photosynthesis at midday and in the afternoon. "Although this finding is not new in itself, it was previously based on small-scale studies of individual plant species or ecosystems, such as at the level of a forest stand, and could not previously be observed on a large scale using satellites. The new study is the first to quantify this shift toward morning hours on an area-wide basis for the continental U.S. based on satellite measurements," says Benjamin Dechant of the German Center for Integrative Biodiversity Research (iDiv) and the University of Leipzig, who was involved in the study.

Cooling effect of evaporation decreases

What are the consequences of altered photosynthetic activity for individual plants and the ecosystem? In order for plants to perform photosynthesis, they have to open the stomata of their leaves, which causes water to evaporate. During periods of drought, individual species would therefore need to minimize water loss in order to continue photosynthesizing, Dechant explains. "However, if such conditions persist for an extended period of time and plants cannot take up enough water through their roots, this can lead to increased plant death, especially in species that are not adapted to such extreme environmental conditions. At the ecosystem level, the greatly reduced evaporation of water from leaves at later times of the day can also affect temperatures, as the cooling effect of evaporation is much less than under normal conditions," he said.

Reduced evaporation could further exacerbate droughts

If shifting photosynthesis to the morning hours reduces the cooling effect of evaporation during the day, this will also have negative impacts on wildlife and human life in cities. Droughts could also be exacerbated by reduced evaporation. "The results can be used, among other things, to evaluate and improve simulation results of vegetation models, which is important for predictions of the global carbon cycle," Dechant concluded.

The study is based on data from new types of geostationary satellites that were recorded during a heat wave in the USA in 2020, for example. Compared to conventional satellites, these geostationary satellites have sensors that enable continuous measurements throughout the day thanks to a very high temporal resolution.

Luftproben wurden während einer Expedition des Forschungsschiffs Heincke im Jahr 2021 gesammelt. Die Daten enthüllen die Menge an verschiedenen Plastiksorten in der Meeresluft. Analysen ergaben, dass Mikroplastikteilchen aus Polyester und anderen Kunststoffen wie Polyethylenterephthalate (PET), Polypropylen (PP), Polycarbonat und Polystyrol in allen Proben vorhanden waren. Zu den häufigsten Quellen für diese Partikel gehören Textilfasern und der Reifenabrieb von Autos. Die Konzentration von Mikroplastik in der Luft erreichte bis zu 37,5 Nanogramm pro Kubikmeter.

Ins Meerwasser gelangt das Mikroplastik auf verschiedenen Wegen: über Flüsse, aber auch aus der Atmosphäre, aus der die Partikel etwa durch Regen herausgewaschen werden. Schiffe stellen ebenso eine potenzielle Quelle dar: In einer früheren Studie wurde gezeigt, dass Schiffsanstriche in der offenen Nordsee die größte Quelle für Mikroplastik darstellen. In der aktuellen Studie fanden sich Inhaltsstoffe von Farben wie Polyurethane oder Epoxidharze auch in den Luftproben.

Neben Forschenden des ICBM waren an der Studie auch Forscherinnen und Forscher des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholz-Zentrum für Polar und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven, der TU Berlin, des Norwegischen Instituts für Luftuntersuchungen (NILU) und des Norwegischen Instituts für Öffentliche Gesundheit (NIPH) beteiligt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Air samples were collected during an expedition of the research vessel Heincke in 2021. The data reveals the amount of different types of plastic in the ocean air. Analyses showed that microplastic particles from polyester and other plastics such as polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polycarbonate and polystyrene were present in all samples. The most common sources of these particles include textile fibres and tyre wear from cars. The concentration of microplastics in the air reached up to 37.5 nanograms per cubic metre.

Microplastics enter seawater in various ways: via rivers, but also from the atmosphere, from which the particles are washed out by rain, for example. Ships are also a potential source: An earlier study showed that ship paints in the open North Sea are the largest source of microplastics. In the current study, ingredients of paints such as polyurethanes or epoxy resins were also found in the air samples.

In addition to researchers from the ICBM, the study also involved researchers from the Alfred Wegener Institute, Helmholz Centre for Polar and Marine Research (AWI) in Bremerhaven, the Technical University of Berlin, the Norwegian Institute for Air Research (NILU) and the Norwegian Institute of Public Health (NIPH). The results were published in the journal Nature Communications.

Große Freude am Standort Wedding der Technischen Universität Berlin: Für seine wegweisenden Arbeiten in der automatisierten Bioprozessentwicklung wird Professor Peter Neubauer, Leiter des Fachgebiets Bioverfahrenstechnik, vom US-Labortechnologie-Konzern Agilent mit einem renommierten Preis ausgezeichnet – dem Agilent Thought Leader Award. Der mit 1,9 Mio. US-Dollar dotierte Forschungspreis wird an einflussreiche Vordenker in den Bereichen Biowissenschaften, Diagnostik und chemischer Analyse vergeben. Zu den bisherigen Preisträgern zählen unter anderem Biotech-Pioniere wie George Church, Carl June und David R. Liu.

Neben der Bereitstellung hochmoderner Bioanalytik-Instrumente ermöglicht der Preis dem Berliner Biotechnologen, zwei wissenschaftliche Mitarbeitende einzustellen. „Wir sind sehr dankbar und freuen uns, dass der Award von Agilent uns die Möglichkeit gibt, in unserem neuen Bioprozesslabor mit zweidimensionaler Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie zu arbeiten. Der Einsatz solch hochmoderner Instrumente ist ein wesentlicher Bestandteil auf unserem Weg hin zu einem höheren Grad an automatisierter Bioprozessentwicklung“, sagt Peter Neubauer.

Mikroorganismen in leistungsfähige Zellfabriken verwandeln

Die industrielle Biotechnologie nutzt Mikroorganismen oder einzelne Biomoleküle wie Enzyme in Bioprozessen als Basis für die industrielle Produktion von Chemikalien, Biopharmazeutika oder Lebensmittelzusatzstoffen. Die Leistungsträger sind insbesondere mikrobielle Zellen als lebende Fabriken, die in geschlossenen Bioreaktoren ein gewünschtes Produkt in großen Mengen herstellen können. Bioprozesse so zu entwickeln, dass eine optimale biotechnologische Herstellung eines Produkts gelingt, ist sehr aufwendig und komplex. Doch Trends wie Automatisierung, Miniaturisierung und Digitalisierung inklusive KI lassen auch in den Biotech-Laboren auf einen enormen Innovationsschub hoffen.

Vorreiter für automatisierte Bioprozesse und Analysetechnik

Peter Neubauer und sein rund 80-köpfiges Team zählen zu den weltweiten Vorreitern auf dem Gebiet der Bioprozessentwicklung. „Während meiner gesamten wissenschaftlichen Laufbahn hat sich unsere Forschung darauf konzentriert, die Entwicklung von Bioprozessen mit analytischen Methoden zu kombinieren, um umfassende Einblicke in die Dynamik der untersuchten biologischen Systeme zu gewinnen“, erzählt Neubauer in einem TUB-Interview. Dieses Wissen sei eine wichtige Basis für die Etablierung robuster funktionierender Prozesse im Pharmabereich, aber auch im Rahmen der Etablierung einer Bioökonomie. Sein Team erforscht zum Beispiel die mikrobielle Herstellung von Biokunststoffen im industriellen Maßstab.

Phosphor ist ein wertvoller Rohstoff, vor allem für die Landwirtschaft, die ihn als Dünger nutzt. Zugleich besteht die Gefahr, Gewässer zu schädigen, wenn zu viel davon über das Grundwasser dorthin gelangt. Deshalb müssen Kläranlagen künftig Phosphor aus ihren Klärschlämmen zurückgewinnen, bevor der Klärschlamm beispielsweise energetisch weitergenutzt oder deponiert werden darf. Der direkte Einsatz von Klärschlamm als Dünger ist ab 2029 weitgehend verboten. Die Hochschule Nordhausen hat nun mit weiteren Partnern im Forschungsprojekt #CarboMass ein Verfahren entwickelt, das es ermöglichen soll, Klärschlämme zur Rekultivierung von Halden und anderen durch Bergbau zerstörte Flächen zu nutzen. Die Idee dazu stammt von der Industrieabbrüche und Metallrecycling Menteroda GmbH.

Pyrolyseanlage im Wert von 1 Mio. Euro errichtet

Die Projektbeteiligten haben dazu am 1. August 2023 eine neu entwickelte Pyrolyseanlage auf dem Gelände der Kläranlage Bleicherode in Betrieb genommen. Die rund 1 Mio. Euro teure Anlage ermöglicht es, dass der Phosphor erhalten bleibt, wenn der Klärschlamm auf diese Weise bei 500 bis 700 Grad aufbereitet und in Carbonisat umgewandelt wird – anders als bei der direkten Verbrennung des Schlamms. Der mittels Pyrolyse aufbereitete Schlamm soll künftig auf die Kalihalde in Sollstedt aufgebracht werden, um diese zu rekultivieren.

Bislang gibt es lediglich Voruntersuchungen aus dem Labor, die nahelegen, dass der Phosphor im aufbereiteten Klärschlamm für Pflanzen als Nährstoff gut zugänglich ist. Ob und wie sehr sich das in der Praxis bestätigt, untersuchen die Forschenden nun auf der Kalihalde. Dabei analysiert das Team ebenfalls, wie sich die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften des Phosphors verändern, wenn dieser der Witterung ausgesetzt ist.

Wirbellose Tiere wie Fluginsekten spielen eine Schlüsselrolle im Ökosystem Süßwasser: Sie filtern Wasser, transportieren Nährstoffe und zersetzen organisches Material. Diese Fähigkeiten machen sie seit langem zu einem Indikator für die Wasserqualität. In einer Langzeitstudie hat ein internationales Forscherteam untersucht, wie sich die Artenvielfalt in europäischen Flüssen entwickelt hat. Unter der Leitung des Senckenberg Forschungsinstituts und Naturmuseums Frankfurt analysierte das Team Flüsse in 22 europäischen Ländern über einen Zeitraum von 1968 bis 2020 und verfolgte die Entwicklung von 2.648 Arten wirbelloser Süßwassertiere.

Regeneration der Flüsse stagniert seit 2010

Die Forschenden kommen zu dem Ergebnis, dass die biologische Vielfalt in den Flüssen im Untersuchungszeitraum zwar zugenommen hat. Seit 2010 sind jedoch keine Fortschritte mehr zu verzeichnen. Im Gegenteil: Der positive Trend stagniere und viele Flusssysteme hätten sich nicht vollständig regenerieren können, berichten die Forschenden im Fachmagazin Nature.

Die Zunahme der biologischen Vielfalt in den 1990er und 2000er Jahren ist demnach auf die Verbesserung der Wasserqualität und auf Renaturierungsprojekte zurückzuführen. „Als Reaktion auf den schlechten Zustand der Gewässer in den 1950er und 1960er Jahren wurden zur Wiederherstellung von Süßwasserlebensräumen beispielsweise mit dem ‚US Clean Water Act‘ von 1972 und der EU-Wasserrahmenrichtlinie von 2000 wichtige Gegenmaßnahmen ergriffen“, erklärt Senior-Autorin Ellen A.R. Welti, vormals Senckenberg-Wissenschaftlerin und nun Forschungsökologin in den USA am Smithsonian’s Conservation Ecology Center. „Diese Maßnahmen führten zu einem deutlichen Rückgang der organischen Verschmutzung und der Versauerung ab etwa 1980.“

Bisherige Maßnahmen sind unzureichend

Der Studie zufolge erholten sich Süßwassergemeinschaften flussabwärts von Staudämmen, städtischen Gebieten und Ackerland weniger schnell. Zudem verzeichnete die Fauna an Standorten mit schnellerer Erwärmung geringere Zuwächse in der Artenvielfalt, der Häufigkeit der Individuen und der funktionellen Diversität. In 70 % aller untersuchten Flussabschnitte wurden zudem nicht-heimische Arten gefunden. „Es ist außerdem zu beobachten, dass sich die eingewanderten Tiere in städtischen Gebieten und stärker belasteten Lokalitäten besser zurechtfinden als die heimische Fauna. Dies könnte zu einem Verlust seltener und empfindlicher einheimischer Arten führen“, so Welti.

Erhebliche Investitionen zum Schutz der Artenvielfalt gefordert

Die Forschenden mahnen daher, dass erhebliche Investitionen erforderlich seien, um die Artenvielfalt in den Flüssen wieder zu verbessern. So sollten Abwassernetze ausgebaut und Kläranlagen verbessert werden, um ein Überlaufen bei Starkregen und damit den Schadstoffeintrag in die Flüsse zu verhindern. Darüber hinaus plädiert das Forschungsteam dafür, vor allem Einträge von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln aus der Landwirtschaft zu reduzieren und die Flusssysteme an künftige klimatische und hydrologische Bedingungen anzupassen.

„Künftig sollte zudem die Überwachung der biologischen Vielfalt in Verbindung mit der parallelen Erhebung von Umweltdaten erfolgen. Nur so können wir die zeitlichen Veränderungen innerhalb der Artenvielfalt wirksam beschreiben, umweltbedingte Faktoren und stark gefährdete Gebiete ermitteln und den Schutz der biologischen Vielfalt maximieren“, so Erstautor der Studie Peter Haase vom Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt.

Invertebrates such as flying insects play a key role in the freshwater ecosystem: they filter water, transport nutrients and break down organic material. These abilities have long made them an indicator of water quality. In a long-term study, an international team of researchers has investigated how species diversity has developed in European rivers. Led by the Senckenberg Research Institute and Natural History Museum in Frankfurt, the team analyzed rivers in 22 European countries over a period from 1968 to 2020 and tracked the development of 2,648 species of freshwater invertebrates.

Regeneration of rivers stagnates since 2010

The researchers conclude that river biodiversity did increase during the study period. However, there has been no progress since 2010. Rather, the positive trend has stagnated and many river systems have not been able to fully regenerate, the researchers report in the journal Nature.

According to the report, the increase in biodiversity in the 1990s and 2000s can be attributed to improvements in water quality and restoration projects. "In response to the poor condition of water bodies in the 1950s and 1960s, important countermeasures were taken to restore freshwater habitats, for example, with the 'U.S. Clean Water Act' of 1972 and the EU Water Framework Directive of 2000," explains senior author Ellen A.R. Welti, formerly a Senckenberg scientist and now a research ecologist in the United States at the Smithsonian's Conservation Ecology Center. "These actions led to a significant decrease in organic pollution and acidification starting around 1980."

Current measures are insufficient

According to the study, freshwater communities downstream of dams, urban areas and farmland recovered less rapidly. In addition, fauna at sites with faster warming increased less in terms of species diversity, abundance of individuals, and functional diversity. Non-native species were also found in 70% of all river sections studied. "It is also observed that the immigrated animals are better adapted to urban areas and more polluted places than the native fauna. This could lead to a loss of rare and sensitive native species," Welti said.

Significant investment needed to protect biodiversity

The researchers therefore warn that considerable investment is needed to restore biodiversity in rivers. For example, wastewater networks should be expanded and sewage treatment plants improved to prevent overflowing during heavy rainfall and thus the entry of pollutants into rivers. In addition, the research team advocates reducing the input of fertilizers and pesticides, especially from agriculture, and adapting river systems to future climatic and hydrological conditions.

"In the future, biodiversity monitoring should also be done in conjunction with environmental data collection. Only in this way can we effectively describe temporal changes within biodiversity, identify environmental factors and risk areas, and maximize the protection of biodiversity," says the study's lead author Peter Haase of the Senckenberg Research Institute and Natural History Museum Frankfurt.

Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze sind Meister der Stoffumwandlung und seit jeher wichtige Werkzeuge der Biotechnologie. Mit ihrer Hilfe lassen sich Materialien produzieren, die von Natur aus biobasiert und biologisch abbaubar sind – beispielsweise Biokunststoffe. Das Problem: Nicht alle Bakterien, die für die Biotechnologie interessant sind, bringen die gewünschte Leistung, denn sie lassen sich nur schwer bändigen. Forschende am Institut für Mikrobiologie und Molekularbiologie der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) haben nun einen Weg gefunden, Bakterien zu „zähmen“, indem sie ihre Genexpression kontrollieren.

Kontrollierte Genexpression

Bei der Genexpression wird die Neusynthese jener Proteine gesteuert, die bestimmte Aufgaben in der Zelle wahrnehmen. „Einige der bekannten Systeme zur Kontrolle der Genexpression lassen sich in Modellorganismen wie E.coli nach jahrelanger Feinabstimmung einsetzen, funktionieren aber in vielen Wildtypen von biotechnologischem Interesse nicht gut. Typische Probleme sind eine schwache oder eine unkontrollierte Expression“, erläutert Matthew McIntosh von der JLU.

Mehr Speicherplatz für nützliche Polymere

Das von McIntosh entwickelte System könnte diese Probleme lösen. Den Forschenden zufolge ist das neue System namens ACIT (Alphaproteobacteria chromosomally integrating transcription-control cassette) in der Lage, die Genkontrollmechanismen schnell an die spezifischen Bakterien und die Wachstumsbedingungen anzupassen. Wie das Team in der Fachzeitschrift „ACS Synthetic Biology“ schreibt, kann damit eine Bakterienzelle um das Hundertfache verlängert und so mehr Speicherplatz für nützliche Polymere geschaffen werden, die sich in der Zelle ansammeln.

PHB kostengünstig herstellen

Auf diese Weise könnte etwa das biologisch abbaubare Biopolymer Polyhydroxybutyrat (PHB) kostengünstig produziert werden, das zur Herstellung biologisch abbaubaren Kunststoffs benötigt wird. Darüberhinaus könnte es auch zur Kontrolle der Genexpression in weniger erforschten Bakterien eingesetzt werden. Doch nicht nur die Kunststoffproduktion würde von dem neuen ACIT-System profitieren. Eine kontrollierte Genexpression wäre den Forschenden zufolge für zahlreiche biotechnologische Anwendungen, aber auch für die Untersuchung der Genregulation und -funktion in Bakterien geeignet. Das ACIT-Systen wurde mittlerweile zum Patent angemeldet.

Microorganisms such as bacteria, yeasts or molds are masters of material conversion and have always been an important tool in biotechnology. With their help, materials can be produced that are naturally biobased and biodegradable - bioplastics, for example. But not all bacteria of interest to biotechnology work as desired, because they are difficult to "tame." Researchers at the Institute of Microbiology and Molecular Biology at Justus Liebig University Giessen (JLU) have now found a way to achieve this by controlling their gene expression.

Controlled gene expression

Gene expression involves controlling the re-synthesis of those proteins that perform specific tasks in the cell. "Some of the known systems for controlling gene expression can be used in model organisms such as E. coli after years of fine-tuning, but do not work well in many wild-type organisms of biotechnological interest. Typical problems include weak or uncontrolled expression," explains Matthew McIntosh of JLU.

More storage for useful polymers

The system developed by McIntosh may solve these problems. According to the researchers, the new system, called ACIT (Alphaproteobacteria chromosomally integrating transcription-control cassette), is able to rapidly adapt gene control mechanisms to specific bacteria and growth conditions. As the team writes in the journal ACS Synthetic Biology, this can extend a bacterial cell hundreds of times, creating more storage space for useful polymers that accumulate in the cell.

Produce PHB at low cost

In this way, for example, the biodegradable biopolymer polyhydroxybutyrate (PHB), which is needed for the production of biodegradable plastics, could be produced at low cost. In addition, it could also be used to control gene expression in less studied bacteria. But it's not just plastics production that would benefit from the new ACIT system. According to the researchers, controlled gene expression is suitable for numerous biotechnological applications as well as for studying gene regulation and function in bacteria. A patent application for the ACIT system has now been filed.

Hitze, Trockenheit oder Starkregen stellen den Weinbau auch hierzulande zunehmend vor große Herausforderungen. Hinzu kommt, dass der Klimawandel verschiedene Pilzkrankheiten begünstigt. Dazu gehört der Falsche Mehltau, der immer wieder zu Ertragsausfällen führt. Die einzige Möglichkeit, die Pilzkrankheit einzudämmen, ist neben einer aufwändigen visuellen Kontrolle der frühzeitige Einsatz von Fungiziden. Dazu nutzen Winzerinnen und Winzer zunehmend Prognosesysteme wie VitiMeteo, die auf Klimadaten lokaler Wetterstationen zugreifen und den Verlauf von Pilzkrankheiten vorhersagen.

Mikroklima im Rebstock beeinflusst Pilzinfektion

Doch das von der App angezeigte Risiko einer Pilzinfektion ist in Wirklichkeit viel geringer, weil sich das Mikroklima im Weinlaub deutlich von der angezeigten Umgebungstemperatur unterscheidet. Zu diesem Ergebnis kamen Forschende des Verbundprojekts FungiSens unter der Leitung der Universität Hohenheim. Die Messungen zeigten, dass die Verteilung und die Dichte der Blätter eine wichtige Rolle für das Mikroklima spielen. So wurden im Inneren der Laubwand tagsüber höhere Temperaturen und eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit gemessen als an der Wetterstation. Solche Bedingungen können die Lebensdauer der Ausbreitungsformen des Pilzes deutlich verkürzen, so die Forschenden.

„Entscheidend für eine Infektion sind die klimatischen Bedingungen im Weinberg bzw. rund um den einzelnen Rebstock und innerhalb der Laubwand“, erklärt Christian Zörb, Leiter des Fachgebiets Qualität pflanzlicher Erzeugnisse an der Universität Hohenheim. Denn für die Vermehrung und Ausbreitung des Erregers sei Wasser auf der Blattunterseite erforderlich. Prognosemodelle greifen jedoch auf meteorologische Daten zurück, die nur in relativ großen räumlichen Abständen erfasst werden. „Zwischen den einzelnen Wetterstationen können schon mal 30 oder 40 Kilometer liegen“, erläutert der Leiter des Verbundprojektes Joachim Müller. Das Mikroklima kann daher von den Wetterstationen nicht erfasst werden. Doch gerade in steilen Weinbergen in der Nähe von Gewässern könne die Temperatur von oben nach unten extrem schwanken, ergänzt Verbundprojekt-Koordinator Steffen Schock.

Drahtlose Mikrosensoren liefern Echtzeitdaten

Abhilfe soll das im Projekt entwickelte Sensorsystem schaffen, das eine feinmaschige Messung des Mikroklimas im Rebstock ermöglicht. Dazu werden drahtlose Mikrosensoren direkt in den Rebstöcken installiert. Sie erfassen das Mikroklima und leiten die Daten in Echtzeit an das Prognosesystem VitiMeteo weiter. „So können besonders in Lagen mit extremen Geländeunterschieden, wie beispielsweise an der Neckarschleife bei Besigheim, auch kleinräumige Unterschiede präziser erfasst und abgebildet werden“, erklärt Schock.

Bessere Vorhersage durch bildgebende Verfahren

Mithilfe bildgebender Verfahren kann den Forschenden zufolge auch die Vorhersage von Pilzerkrankungen verbessert werden. Krankheitsbedingte Veränderungen im Stoffwechsel des Pflanzengewebes wurde anhand der Infrarot-Aufnahmen einer Drohne durch die Temperaturunterschiede auf der Blattoberfläche sichtbar. „Tatsächlich konnten wir einen deutlichen Temperaturanstieg im Blätterdach feststellen, lange bevor sichtbare Symptome auftraten“, so Shamaila Zia-Khan, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachgebiet Agrartechnik in den Tropen und Subtropen.

Durch kleinräumige Messungen Fungizide einsparen

Noch ist die Entwicklung des Sensorsystems nicht abgeschlossen. Doch die Forschenden sind überzeugt, dass sich in Kombination mit bildgebenden Verfahren nicht nur die Prognose von Pilzkrankheiten im Weinbau verbessern, sondern auch der Einsatz von Fungiziden reduzieren lässt. „Sobald die kleinräumige Vorhersage von Krankheiten standardmäßig möglich ist, könnten Pflanzenschutzmittel, Maschinen und Arbeitszeit deutlich reduziert werden – ohne die Wirksamkeit zu beeinträchtigen“, sagt Joachim Müller, Leiter des Verbundprojekts.

Das Weltall als Reiseziel boomt – nicht nur die großen Raumfahrtorganisationen der Welt planen Missionen zu Mond, Mars und Co., sondern auch die Privatwirtschaft erschließt sich den Weltraum immer mehr als Wirtschaftszone der Zukunft. Gleichzeitig ist der Weltraum eine extreme und lebensfeindliche Umgebung, in der riesige Entfernungen zurückgelegt werden müssen. Wie können biologisches Wissen und biobasierte Innovationen helfen, den Weltraum zu erkunden und zu erschließen? Wo und wie können Bioökonomie und Weltraumforschung voneinander lernen? Und wie helfen Satelliten und andere Innovationen der Weltraumforschung, die Bioökonomie auf der Erde weiterzuentwickeln?

Um diese Fragen ging es beim Dialog an Deck auf der MS Wissenschaft, die am Stresemannufer des Rheins in Mainz festgemacht hatte. Die Veranstaltung „Bioökonomie im All und auf der Erde“ hatte 50 Interessierte auf das Deck des Ausstellungsschiffes angelockt. Das Abend-Event am 15. August war eine Kooperation der vom BMBF initiierten Informationsplattform bioökonomie.de und Wissenschaft im Dialog. Moderiert wurde der Abend von Katharina Linnepe.

Lebensspuren auf Venus, Mars und Titan?

In Impulsvorträgen beleuchteten drei Fachleute unterschiedliche Facetten von Bioökonomie im All und auf der Erde. Dirk Schulze-Makuch vom Zentrum für Astronomie und Astrophysik an der Technischen Universität Berlin sprach über die Suche nach Leben und nahm das Publikum mit auf eine astrobiologische Reise durch das Universum. Auf der Venus sei heute kein Leben möglich – aber vor vier Milliarden Jahren könnte das anders ausgesehen haben. Indizien weisen darauf hin, dass zu dieser Zeit ein warmer Ozean auf der Venus existiert haben könnte. In der Atmosphäre unseres unwirtlichen Nachbarplaneten könnte tatsächlich auch heute noch mikrobielles Leben existieren. Missionen, die Aufklärung bringen sollen, sind bereits in Vorbereitung.

Schulze-Makuch sprach auch über Wasser und Leben auf dem Mars. Der Fund von Methan-Gas in der Marsatmosphäre deute darauf hin, dass das Gas von Mikroben produziert wurde. Der Forscher sprach auch über den Saturnmond Titan und über das Leben auf Exoplaneten. Er vertritt die Ansicht, dass sich auf vielen Planeten im Universum Leben entwickelt haben könnte. Dennoch mahnt er an, dass keiner davon so gute Bedingungen für uns bieten kann wie die Erde.

„Im Jahr 1923 wurde in Leuna die erste kommerzielle Methanol-Anlage der Welt errichtet. Wir schreiben diese Erfolgsgeschichte nun fort, indem wir genau 100 Jahre später am gleichen Ort den Herstellungsprozess von Methanol komplett neu erfinden.“ So beschreibt Christoph Zehe vom Climate-Tech-Start-up C1 das jetzt gestartete Projekt Leuna100. In ihm wollen die Beteiligten einen industrietauglichen Prozess entwickeln, um grünes Methanol herzustellen. Das Bundesverkehrsministerium fördert das Vorhaben mit 10,4 Mio. Euro über drei Jahre.

Grünes Methanol für die Schifffahrt

Als grün gilt Methanol, wenn es aus biogenen Rohstoffen oder CO₂ erzeugt wird. Für die Verkehrswende dürfte es besonders in der Schifffahrt relevant werden: Anders als im Straßenverkehr gehen Fachleute davon aus, dass kraftstoffgetriebene Verbrennermotoren hier oftmals schwierig zu ersetzen sind. Und der Blick auf die Entwicklungen im Schiffbau zeigt, dass bislang Methanol als nachhaltiger Energieträger favorisiert wird. Die ersten Schiffe dieser Bauweisen haben bereits die Werften verlassen.

Allerdings wird Methanol bislang vor allem aus den fossilen Rohstoffen Erdgas oder Kohle erzeugt. Die rund 1,1 Mrd. Tonnen CO₂, die die Schifffahrt jährlich verursacht, wären so nicht zu ersetzen. Anders sähe es aus, wenn grünes Methanol zum Einsatz käme. Die Forschung hat dazu bereits zahlreiche Einzeltechnologien entwickelt.

Weltweit einmaliges Katalyseverfahren

Im Projekt Leuna100 sollen diese Einzelschritte nun zu einen effizienten und abgestimmten Prozess weiterentwickelt werden, und das in industriellem Maßstab. Beteiligt sind an diesem Vorhaben das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, die DBI-Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg, die Technische Universität Berlin und das projektleitende Start-up C1. C1 hat ein spezielles Katalyseverfahren mit einem hocheffizienten Katalysator entwickelt, mit dem sich grünes Methanol besonders wirtschaftlich herstellen lässt. Es ist das weltweit erste Verfahren dafür, dass dreidimensional in flüssiger Phase abläuft.

„Es gibt gerade ein sehr großes Momentum im Bereich der regenerativen Kraftstoffe, mit vielen einzelnen Innovationen“, berichtet Michael Seirig vom IWES. Was aber fehle, sei deren Verknüpfung, um wirklich einen großtechnischen Markthochlauf zu ermöglichen. „Viele verschiedene Schritte in der Erzeugung von regenerativen Kraftstoffen lassen sich elektrifizieren und so auf erneuerbare Energien umstellen. Praktisch erfordert die Defossilisierung der Produktion jedoch nicht nur die Befähigung einzelner Teilschritte, sondern die Kopplung und den lastdienlichen Betrieb als Ganzes.“ Das soll nun im Chemiepark Leuna gelingen.

Alternativen noch nicht bereit für die Großproduktion

Und wie steht es um andere biogene Kraftstoffe? „Regenerative Kraftstoffe auf Basis von grünem Wasserstoff und CO₂ bieten eine Alternative, sind aber noch nicht bereit für den Markthochlauf“, ordnet Kai Puring vom UMSICHT ein. „Genau hier setzen wir mit dem Projekt ‚Leuna100‘ an, indem wir von CO₂ bis Methanol die komplette Prozesskette innovieren und so das günstigste Verfahren zur Herstellung von grünem Methanol etablieren.”