Aktuelle Veranstaltungen

Er ist eine Herausforderung, der sich junge Forschende seit Jahren mit Begeisterung stellen: der internationale studentische Wettbewerb für Synthetische Biologie iGEM. In diesem Jahr feiert die Bioingenieur-Weltmeisterschaft ihr 20-jähriges Jubiläum. 350 Teams aus aller Welt werden im Oktober wieder nach Boston reisen, um mit ihren Projekten gegeneinander anzutreten. Auch 14 Teams von Hochschulen und Universitäten aus Deutschland gehen mit ihren Ideen ins Rennen um die begehrten Siegerplätze, darunter junge Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU).

Mit einem biologischen Dünger aus verbesserten symbiotischen Pilzen will die Düsseldorfer Forschungsgruppe einen Platz auf dem Siegertreppchen des iGEM-Wettbewerbs erobern. Ihr Ziel ist es, Überdüngung in der Landwirtschaft zu vermeiden. Das Problem: Pflanzen können phosphathaltigen Dünger nur begrenzt aufnehmen. Meist wird aber zu viel Dünger ausgebracht, so dass der Rest weggeschwemmt wird und erneut gedüngt werden muss. Die vom Regen ausgewaschenen Phosphate gelangen dann in die Gewässer und gefährden die Ökosysteme.

Natürliche Speicherfunktion des Pilzes nutzen

Mit der Pilzspezies Serendipita indica wollen die Studierenden das Problem der Phosphataufnahme lösen – denn der Pilz unterstützt auf natürliche Weise Pflanzen dabei, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. „Der Pilz hat eine natürliche Speicherfunktion für Nährstoffe, die wir ausnutzen und ausbauen wollen, um ein Puffersystem für den angewendeten Phosphatdünger aufzubauen. Außerdem vergrößert er die Aufnahmeoberfläche und damit die Geschwindigkeit, mit der überlebenswichtige Stoffe für die Pflanze gespeichert werden“, sagt Antigoni Mouratidou, der gemeinsam mit zwei weiteren Forschenden das Team leitet.

Transportprozesse im Pilz modifizieren

Um die Phosphataufnahme zu verbessern, wollen die Projektmitglieder die Transportprozesse des Pilzes so verändern, dass er dynamisch auf unterschiedliche Phosphatkonzentrationen im Boden reagieren kann. Bei hohen Phosphatkonzentrationen im Boden bildet der Pilz dann mehr Transportkanäle für den Mineralstoff und kann ihn so besser zu den Wurzeln leiten, was wiederum eine schnellere Aufnahme und bessere Speicherung bedeutet. So kann der Pilz auch in nährstoffarmen Zeiten mehr Phosphat an die Nutzpflanze abgeben.

Notfall-Gen im Fungilyzer steuert Nährstoffabgabe

„Wir wollen schlussendlich einen auf Pilzen basierenden biologischen Dünger verfügbar machen – einen ‚Fungilyzer‘. Dieser würde verhindern, dass Düngemittel ausgewaschen werden, weil der Pilz die überschüssigen Phosphate bindet“, erklärt Teamleiter Niklas Küppers. Denn sobald der Nährstoffgehalt im Boden zu niedrig wird, wird im Fungilyzer ein Notfall-Gen aktiviert, das den Pilz kontrolliert absterben lässt und alle im Pilz gespeicherten Nährstoffe an den Boden abgibt. Alle Experimente werden zunächst am Modellorganismus Hefe durchgeführt. Die Ergebnisse können später aber auch auf andere Pilze übertragen werden.

Bis zum iGEM-Wettbewerb im Herbst hat das Düsseldorfer Team noch jede Menge zu tun. Denn nicht nur die Projektidee muss entwickelt werden. Auch die Laborplanung und die Beschaffung von Haushaltsmitteln sowie die Öffentlichkeitsarbeit sind Teil des Wettbewerbs. Die Gruppe aus 15 Studierenden aus den Fachbereichen Biologie und Biochemie – vom Einsteiger bis zum Masterstudierenden – werden dabei von drei Professoren der HHU unterstützt. In den vergangenen Jahren waren deutsche Teams beim iGEM-Wettbewerb sehr erfolgreich und belegten regelmäßig Spitzenplätze.

It is a challenge that young researchers have been taking up with enthusiasm for years: the international student competition for synthetic biology iGEM. This year, the world championship in bioengineering celebrates its 20th anniversary. 350 teams from around the world will again travel to Boston in October to compete with their projects. Fourteen teams from colleges and universities in Germany are also entering the race for the coveted places, including young researchers from Heinrich Heine University Düsseldorf (HHU).

With a biological fertilizer made from improved symbiotic fungi, the Düsseldorf research group is aiming for a place on the winners' podium of the iGEM competition. Their goal is to prevent overfertilization in agriculture. The problem is that plants can only absorb phosphate fertilizers to a limited extent. In most cases, however, too much fertilizer is applied, so that the rest is washed away and has to be fertilized again. The phosphates washed out by the rain then enter waterways and endanger ecosystems.

Use natural storage function of the fungus

The students want to use the fungus species Serendipita indica to solve the problem of phosphate uptake - because the fungus naturally helps plants absorb nutrients from the soil. "The fungus has a natural storage function for nutrients, which we want to exploit and expand to build a buffer system for the applied phosphate fertilizer. It also increases the uptake area and thus the rate at which substances important for plant survival are stored," says Antigoni Mouratidou, who leads the team along with two other researchers.

Modify transport processes in the fungus

To improve phosphate uptake, the project members want to modify the transport processes of the fungus so that it can respond dynamically to different phosphate concentrations in the soil. When phosphate concentrations in the soil are high, the fungus forms more transport channels for the mineral and can thus conduct it better to the roots, which in turn means faster uptake and better storage. In this way, the fungus can release more phosphate to the crop even in times of nutrient deficiency.

Emergency gene in the fungilyzer controls nutrient release

"We ultimately want to make a fungus-based biological fertilizer available - a 'fungilyzer'. This would prevent fertilizers from being washed out because the fungus binds the excess phosphates," explains team leader Niklas Küppers. This is because as soon as the nutrient content in the soil becomes too low, an emergency gene is activated in the fungilyzer, which causes the fungus to die in a controlled manner and releases all the nutrients stored in the fungus into the soil. All experiments are initially carried out on the model organism yeast. However, the results can later be transferred to other fungi.

The Düsseldorf team still has plenty to do before the iGEM competition in the fall. After all, it's not just the project idea that has to be developed. Laboratory planning and the procurement of budget funds as well as public relations are also part of the competition. The group of 15 students from the departments of biology and biochemistry - from beginners to master's students - will be supported by three professors from HHU. In previous years, German teams have been very successful in the iGEM competition, regularly taking top places.

Menschen,Tiere, Pflanzen und Einzeller – alle nutzen kleine Biomoleküle als Signalstoffe, um Botschaften auszusenden oder Reaktionen auszulösen. „Mikroorganismen produzieren eine Vielzahl solcher Stoffe und wir beginnen gerade erst, diese Sprache zu verstehen“, schildert Axel Brakhage, Direktor des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Als besonders kommunikationsfähig sind ihm und seiner Arbeitsgruppe Vertreter der Bakteriengattung Streptomyces aufgefallen.

Auslöser von Symbiosen, Gestaltwandel und Biofilmbildung

Das weit verbreitete Bodenbakterium produziert eine Vielzahl unterschiedlicher Arginoketide. Diese Naturstoffe sind zum einen oftmals potenzielle Antibiotika oder wirksam gegen Krebszellen. Zum anderen hat sich gezeigt, dass diese von vielen Organismen gebildeten Stoffe häufig in anderen Organismen Reaktionen auslösen, die dort sonst nicht zu beobachten sind: Ein Pilz geht plötzlich mit einer Grünalge eine Symbiose ein, ein anderer Pilz ändert seine Gestalt oder ein Bakterium bildet auf einmal einen Biofilm.

„In vorherigen Studien haben wir bereits gesehen, dass der Pilz Aspergillus nidulans manche Stoffe nur in Anwesenheit von Streptomyzeten produziert“, berichtet Maria Stroe, Erstautorin einer Studie zu diesem Thema im Fachjournal „Nature Micobiology“. Dahinter steckte das Arginoketid Azalomycin F. In weiteren Experimenten führten auch andere Arginoketide des Bakteriums zu ungewöhnlichen Reaktionen des Pilzes. „Wir haben deswegen vermutet, dass wir möglicherweise einen generellen Mechanismus der mikrobiellen Kommunikation gefunden haben“, folgert Lukas Zehner, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Ansatz für den biologischen Pflanzenschutz

Der beobachtete Effekt ist dabei nicht auf A. nigulans begrenzt. Eine Vielzahl von Pilzen bildet in Gegenwart von Streptomyces iranensis Biomoleküle, die sie sonst nicht produzieren. Hinderten die Forschenden das Bakterium gentechnisch daran, Arginoketide zu bilden, blieben die Reaktionen der Pilze aus.

„Wir versuchen nun zu verstehen, welche Auswirkungen die Produktion von Arginoketiden selbst und auch die dann in einer zweiten Welle produzierten Substanzen aus Pilzen auf die Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften, den Mikrobiomen, haben“, erläutert Studienleiter Brakhage. Neben theoretischem Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaften und der Evolution könnte das auch praktischen Nutzen haben: Unter anderem hemmt A. nigulans einen Pilz, der Erreger einer Pflanzenkrankheit ist. Vielleicht liegt hier ein Ansatz für den biologischen Pflanzenschutz.

Humans, animals, plants and single-celled organisms use small biomolecules as signaling substances to send messages or trigger reactions. "Microorganisms produce a variety of such substances, and we are just beginning to understand this language," says Axel Brakhage, director of the Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology and professor at Friedrich Schiller University Jena. He and his research group have found that representatives of the bacterial genus Streptomyces are particularly capable of communication.

Triggers of symbiosis, shape change and biofilm formation

The widespread soil bacterium produces a variety of different arginoketides. On the one hand, these natural substances are often potential antibiotics or effective against cancer cells. On the other hand, it has been shown that these substances produced by many organisms often trigger reactions in other organisms that are not otherwise observed there: A fungus suddenly enters into a symbiosis with a green alga, another fungus changes its shape, or a bacterium suddenly forms a biofilm.

"In previous studies, we have already seen that the fungus Aspergillus nidulans produces some substances only in the presence of streptomycetes," reports Maria Stroe, first author of a study on this topic in the journal Nature Micobiology. Behind this was the arginoketide azalomycin F. In further experiments, other arginoketides of the bacterium also led to unusual reactions of the fungus. "We therefore suspected that we may have found a general mechanism of microbial communication," concludes Lukas Zehner, who was also involved in the study.

Approach to biological plant protection

The observed effect is not limited to A. nigulans. In the presence of Streptomyces iranensis, a variety of fungi form biomolecules that they do not otherwise produce. When the researchers genetically prevented the bacterium from producing arginoketides, the fungal responses failed to materialize.

"We are now trying to understand what effects the production of arginoketides itself and also the substances then produced in a second wave by fungi have on the composition of microbial communities, the microbiomes," explains study leader Brakhage. In addition to theoretical understanding of microbial communities and evolution, this could also have practical benefits: Among other things, A. nigulans inhibits a fungus that is the causative agent of a plant disease. Perhaps this is an approach for biological plant protection.

Biotechnologische Verfahren können eine Schlüsselrolle in der Verwertung lokaler Abfall- und Reststoffströme spielen und damit helfen, die industrielle Produktion in Richtung Kreislaufwirtschaft umzustellen. Trotz enormer wissenschaftlicher und technologischer Fortschritte in den vergangenen Jahren stellt die Skalierung dieser neuen biotechnologischen Verfahren und ihre Integration in bestehende oder neue Produktionsprozesse jedoch häufig eine Herausforderung dar. Vor allem die hohen Prozesskosten setzen solchen Innovationen noch Grenzen.

Hier setzt die Bundesagentur für Sprunginnovationen SPRIND an und hat einen neuen Innovationswettbewerb ausgerufen – die SPRIND Challenge „Circular Biomanufacturing“. Im Rahmen der dreijährigen Challenge werden bis zu acht Teams finanziert, die neue biotechnologische Verfahren zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall- und Reststoffen und deren integrierte Weiterverarbeitung entwickeln. SPRIND stellt dafür insgesamt 40 Mio. Euro bereit. Damit bietet sich aktuell eine einzigartige Fördermöglichkeit für Innovatoren in der industriellen Bioökonomie und Biotechnologie.

Neue Wertschöpfungsketten für eine robuste Kreislaufwirtschaft

„Im Rahmen der SPRIND Challenge Circular Biomanufacturing soll ein End-to- End-Prototyp entwickelt werden, der kontinuierlich verschiedene kohlenstoffhaltige Abfallströme verarbeitet, Mikroben als Nahrung zuführt und die entstehenden Syntheseprodukte unmittelbar zu einem Zwischen- bzw. Endprodukt weiterverarbeitet“, sagt Jano Costard, Challenge Officer bei SPRIND. „Ziel ist es, neue Wertschöpfungsketten basierend auf lokal verfügbaren Sekundär-Rohstoffen zu etablieren. So soll eine komplett geschlossene, nachhaltige, umweltfreundliche und gegenüber Marktschwankungen robuste Kreislaufwirtschaft entstehen.“

Für die Teilnahme an der SPRIND Challenge, die am 1. November 2023 startet, können sich interessierte Teams bis 17. September 2023 bewerben. Die Auswahl wird von einer Expertenjury getroffen. Die Förderung erstreckt sich über drei Jahre. Jeweils nach dem ersten und zweiten Jahr bewertet eine Jury den Entwicklungsfortschritt und entscheidet, welche Teams weiter gefördert werden.

Das Ende fossiler Kraftstoffe wie Benzin und Diesel ist eingeläutet. Viele Staaten haben bereits Zeitpunkte beschlossen, ab denen entsprechend angetriebene Fahrzeuge nicht mehr vermarktet oder zugelassen werden dürfen. In der Schifffahrt, in der Luftfahrt und bei bestimmten Nutzfahrzeugen könnten flüssige Kraftstoffe mit hoher Energiedichte dennoch weiterhin eine Rolle spielen. Für sie müssen CO₂-neutrale Alternativen her.

11,9 Mio. Euro über einen Zeitraum von vier Jahren – so viel Geld stellt der Freistaat Bayern bereit, um klimaneutrale Kraftstoffe der Praxis näherzubringen. Die Fraunhofer-Institute IGB in Straubing und UMSICHT in Sulzbach wollen damit ein Zentrum für nachhaltige Kraftstoffe (ZENK) errichten.

Integriertes Raffineriekonzept

Beide Fraunhofer-Institute wollen mit ZENK ihre Expertise zusammenführen und eine gekoppelte Technikums- und Entwicklungsinfrastruktur aufbauen. Forschungsergebnisse sollen mit einem integrierten Raffineriekonzept schnell zur industriellen Anwendung gebracht werden. „Das Zentrum für nachhaltige Kraftstoffe in Straubing und Sulzbach-Rosenberg ist für mich ein zentrales Zukunftsprojekt, das wesentlich zur Energiewende und zur Sicherung der Energieversorgung in Bayern beitragen kann“, sagte Hubert Aiwanger, bayerischer Staatsminister für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie, als er Ende Juni 2023 den Zuwendungsbescheid übergab.

Power-to-X mit Biomasse-Ansatz gekoppelt

Konkret wollen die Forschenden zwei Ansätze kombinieren: In einem Power-to-X-Verfahren soll Strom aus erneuerbaren Energiequellen genutzt werden, um klimaneutral Wasserstoff herzustellen. Der wird dann mit Kohlendioxid chemisch weiterverarbeitet zu Methanol. Das wiederum soll als Ausgangsstoff für höhere Olefine dienen, die dann Grundlage für verschiedene Kraftstoffarten sein können.

Parallel dazu soll aus regional verfügbarer Biomasse ein wasserstoffreiches Synthesegas erzeugt werden, außerdem als Nebenstoffe ein Rohöl-Äquivalent sowie Biokohle. Das Synthesegas soll bei der Methanolsynthese des Power-to-X-Verfahrens zugeführt werden. Das biogene Öl könnte ebenfalls zu Kraftstoffen aufbereitet werden.

Formal CO₂-negative Kraftstoffproduktion

„Um die begrenzten Ressourcen möglichst hochwertig einzusetzen, wollen wir im Rahmen dieses Vorhabens die Synergien zwischen der Biomasseverwertung und den Power-to-X-Anwendungen – also der strombasierten Kraftstofferzeugung – identifizieren und heben“, erläutert Robert Daschner, der das Projekt auf UMSICHT-Seite leitet. „Dazu entwickeln wir technische Lösungen, beispielsweise zur Bereitstellung von Wasserstoff oder Kohlendioxid aus Biomassereststoff.“

Weil ein Teil des Kohlenstoffs in der Biokohle gebunden bleibt, erachten die Forschenden den Gesamtprozess als CO₂-negative Kraftstoffproduktion. Diese Betrachtung ergibt allerdings nur Sinn, wenn die Biokohle nicht genutzt wird oder nur in einer Weise, bei der das Treibhausgas nicht in die Atmosphäre gelangt.

The end of fossil fuels such as gasoline and diesel has been heralded. Many countries have already decided when vehicles running on these fuels may no longer be marketed or registered. However, liquid fuels with high energy density could continue to play a role in shipping, aviation and certain commercial vehicles. CO2-neutral alternatives must be found for them.

11.9 million euros over a period of four years - this is how much money the Free State of Bavaria is providing to bring climate-neutral fuels closer to practice. The Fraunhofer Institutes IGB in Straubing and UMSICHT in Sulzbach want to use the money to establish a Center for Sustainable Fuels (ZENK).

Integrated refinery concept

With ZENK, the two Fraunhofer institutes intend to pool their expertise and establish a coupled pilot plant and development infrastructure. With an integrated refinery concept, the research results are to be quickly transferred to industrial application. "For me, the Center for Sustainable Fuels in Straubing and Sulzbach-Rosenberg is a key project for the future that can make a significant contribution to the energy transition and to securing the energy supply in Bavaria," said Hubert Aiwanger, Bavarian State Minister for Economic Affairs, Regional Development and Energy, when the funding decision was handed over at the end of June 2023.

Power-to-X coupled with biomass approach

Specifically, the researchers want to combine two approaches: In a power-to-X process, electricity from renewable energy sources is to be used to produce hydrogen in a climate-neutral way, which is then chemically processed with carbon dioxide to produce methanol. This, in turn, will serve as a starting material for higher olefins, providing the basis for various types of fuel.

In parallel, a hydrogen-rich synthesis gas is to be produced from regionally available biomass, as well as a crude oil equivalent and biochar as by-products. The synthesis gas is to be fed to the methanol synthesis of the power-to-X process. The biogenic oil could also be processed into fuels.

Formal CO2-negative fuel production

"In order to make the best possible use of the limited resources, we want to identify and leverage the synergies between biomass utilization and power-to-X applications - i.e., electricity-based fuel generation - as part of this project," explains Robert Daschner, who heads the project on the UMSICHT side. "To this end, we are developing technical solutions, for example, for the provision of hydrogen or carbon dioxide from biomass residues."

Since some of the carbon remains sequestered in the biochar, the researchers consider the overall process to be CO2-negative fuel production. However, this consideration only makes sense if the biochar is not used or only used in a way that does not release the greenhouse gas into the atmosphere.

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.