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Microorganisms have been used for centuries to produce foods such as beer or cheese. In bioeconomy, bacteria are important protein factories that can replace animal protein and thus also contribute to sustainable nutrition. The food tech startup MicroHarvest relies on the power of microbial helpers to produce new healthy and sustainable protein ingredients. To do so, the team led by co-founder Jonathan Roberz has developed a technology that builds on biomass fermentation and can produce high-quality proteins for food, pet food and animal feed much faster than current processes.

Pilzkrankheiten führen jedes Jahr weltweit zu großen Ertragsverlusten bei Getreide. Auf molekularbiologischer Ebene findet dabei ein stetiges Wettrüsten zwischen den Pflanzen und ihren Krankheitserregern statt. So nutzen Pilze bestimmte Moleküle, sogenannte Effektoren, um das Immunsystem der Pflanze auszutricksen. Die Pflanze wiederum hat gelernt, auch diese Effektoren als Teil des Angriffs zu erkennen und trotzdem ihre Abwehr zu aktivieren. In der Folge verändern die Pilze ihre Effektoren, bis die Pflanze erneut Immunrezeptoren entwickelt hat, die auch diesen Trick durchschauen. Und so geht das Spiel immer weiter.

Effektoren teilen sich ein gemeinsames Gerüst

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und Jijie Chai, der in China an der Westlake Universität Hangzhou und der Tsinghua Universität tätig ist, hat nun für Mehltau-Erreger die Strukturen dieser Effektoren genauer untersucht. Im Fachjournal „PNAS“ berichten die Fachleute, dass die Effektoren demnach ein strukturelles Grundgerüst teilen, dass sich durch lokale Veränderungen unterscheidet. Es sind somit diese Unterschiede, die es der pflanzlichen Abwehr schwer machen.

„Es ist einer der Heureka-Momente der Wissenschaft, wenn in der Evolution das molekulare Wettrüsten zwischen Pflanzen und Krankheitserregern durch Strukturveränderungen innerhalb einer gemeinsamen dreidimensionalen Proteinarchitektur erklärt werden kann“, freute sich Schulze-Lefert über den Erfolg.

Auffallende Ähnlichkeit zu RNase-Enzymen

Konkret ermittelten die Forschenden die exakten molekularen Strukturen von fünf Effektoren zweier Mehltau-Erreger, die Weizen und Gerste befallen. Dazu verwendeten sie die sogenannte Röntgenkristallographie, die die Positionen der einzelnen Atome eines Moleküls bestimmt. Erst so ließ sich eine Ähnlichkeit nachweisen, denn so gering die räumliche Struktur der Effektoren sich unterscheidet, so groß sind die Unterschiede auf genetischer Ebene.

Anhand dieser Aufnahmen zeigte sich außerdem eine große Ähnlichkeit der Effektoren zu RNase-Proteinen. Diese Enzyme haben die Fähigkeit. RNA-Moleküle abzubauen. Allerdings verfügen die untersuchten Effektoren wohl nicht über die gleiche Fähigkeit. Die strukturelle Ähnlichkeit könnte somit eher damit zu tun haben, wie es den Effektoren gelingt, die Membranen der Pflanzenzellen zu durchdringen, um sie zu infizieren.

Kleine Aminosäure-Änderungen entscheiden über Tarnungserfolg

Ebenfalls untersuchte das Forschungsteam, wie stark die lokalen Veränderungen der Effektoren sein müssen, um dem pflanzlichen Immunsystem zu entgehen. Dabei zeigte sich, dass die Fachleute lediglich sechs Aminosäuren des Effektors austauschen mussten, um seine Tarnung auffliegen und ihn durch die Immunrezeptoren der Pflanze erkennen zu lassen. Weitere Analysen führten das Team zu dem Schluss, dass ein bestimmter Immunrezeptor immer auf einen bestimmten Oberflächenbereich eines entsprechenden Effektors abgestimmt ist.

Every year, fungal diseases cause major yield losses in cereals worldwide. At the molecular biological level, there is a constant arms race between plants and their pathogens. Fungi use certain molecules, known as effectors, to trick the plant's immune system. The plant, in turn, learns to recognize these effectors and still activate its defenses. The fungi then change their effectors, and the plant must again develop immune receptors to recognize them. And so the game goes on and on.

Effectors share a common framework

An international research team led by Paul Schulze-Lefert of the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne and Jijie Chai of the Chinese Westlake University Hangzhou and Tsinghua University has now studied the structures of these effectors for powdery mildew pathogens in more detail. In the scientific journal PNAS, the experts report that the effectors share a basic structural framework that differs through local changes. These differences make it difficult for plant defenses.

"It is one of the eureka moments of science when the molecular arms race between plants and pathogens can be explained by structural changes within a common three-dimensional protein architecture," Schulze-Lefert is pleased with the success.

Striking resemblance to RNase enzymes

Specifically, the researchers determined the exact molecular structures of five effectors of two powdery mildew pathogens that attack wheat and barley. To do this, they used X-ray crystallography, which is used to determine the positions of the individual atoms of a molecule. Only in this way was it possible to demonstrate the similarity, because as small as the differences in the spatial structure of the effectors are, as large are the differences at the genetic level.

Based on these images, it was also determined that the effectors are very similar to RNase proteins. These enzymes have the ability to degrade RNA molecules. However, the studied effectors probably do not have the same ability. Therefore, the structural similarity might be more related to how the effectors manage to penetrate the membranes of plant cells to infect them.

Small amino acid changes determine camouflage success

The research team also investigated how strong the local changes of the effectors had to be in order to evade the plant's immune system. The experts only had to change six amino acids of the effector to remove its camouflage and be recognized by the plant's immune receptors. Further analysis led the team to conclude that a particular immune receptor is always matched to a particular surface of a corresponding effector.

Blattflöhe sind für Obstbauern ein Graus. Diese sogenannten Psylliden stechen mit ihren saugenden Mundwerkzeugen die Pflanze an und saugen den Pflanzensaft aus. Auf diese Weise verursachen die parasitischen Blattflöhe mitunter hohe Ernteverluste. Mithilfe chemisch-synthetischer Pflanzenschutzmittel versuchen Obstbauern bisher, den Schädling zu bekämpfen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Julius-Kühn-Instituts (JKI) hat nun durch Zufall in einem parasitischen Pilz einen geeigneten Gegenspieler gefunden, um Blattflöhen im Obstbau auf natürliche Weise den Garaus zu machen.

Neuentdeckte Pilzart befällt Blattläuse am Birnenbaum

Fündig wurde das Team in einer Birnenplantage in Dänemark. Dort stießen die Forschenden auf die bisher unbekannte Pilzart, die sie auf den Namen Pandora cacopsyllae tauften. Der Name „cacopsyllae“ bezieht sich auf die sogenannten Psylliden-Insekten, also Blattflöhe, die der Pilz befällt und abtötet. Doch es ist nicht der Saugakt an sich, der Birnen, Äpfel, Pflaumen oder Pfirsiche zerstört, schreibt das Team im Journal of Invertebrate Pathology. Vielmehr werden Ertragseinbußen oder Totalausfälle durch die damit einhergehende Übertragung bestimmter zellwandloser Bakterien, der Phytoplasmen, verursacht, die Infektionen wie Apfeltriebsucht, Birnenfäule oder Steinobstvergilbung hervorrufen.

Potenzial als biologischer Pflanzenschutz

„Erste Untersuchungen haben ergeben, dass der Pilz auch andere Blattsaugerarten befallen kann“, berichtet Jürgen Gross vom JKI in Dossenheim und Mitautor der Studie. Der Forscher ist überzeugt, dass die neu entdeckte Pilzart ein großes Potenzial für den biologischen Pflanzenschutz hat und als Ausgangsstoff für umweltfreundliche Pflanzenschutzmittel dienen könnte.

Pilz zum Blattfloh bringen

Als Nächstes will Gross deshalb untersuchen, wie sich die Pilzsporen anreichern und so verpacken lassen, dass sie in Obstplantagen ausgebracht werden können. „Wir sind dabei, eine Formulierung zu entwickeln, die dafür sorgt, dass der Birnenblattsauger mit dem Pilz in Kontakt kommt und vom ihm besiedelt wird“, erklärt Gross den Ansatz. „Dazu werden wir auch Lockstoffe für den Birnenblattsauger in die Formulierung einfügen.“ Im Labor konnte bereits gezeigt werden, dass der Pilzbefall zum Tod der Insekten führt.

Leaf fleas are a horror for fruit growers. The so-called psyllids sting the plant with their sucking mouthparts and suck out the plant sap. In this way, the parasitic leaf fleas sometimes cause high crop losses. Until now, fruit growers have tried to control the pest with the help of synthetic chemical pesticides. An international team of researchers with the participation of the Julius Kühn Institute (JKI) has now, by chance, found a suitable antagonist in a parasitic fungus to eliminate the leaf flea in fruit growing in a natural way.

Newly discovered fungus species attacks leaf fleas on pear tree

The team made its find in a pear orchard in Denmark. There, the researchers discovered the previously unknown fungal species, which they named Pandora cacopsyllae. The name "cacopsyllae" refers to the so-called psyllids, or leaf fleas, that the fungus attacks and kills. But it's not the sucking act itself that kills pears, apples, plums or peaches, the team writes in the Journal of Invertebrate Pathology. Rather, yield losses or total failures are caused by the associated transmission of certain cell-walking bacteria, phytoplasmas, that cause infections such as apple proliferation, pear rot or stone fruit yellowing.

Potential as biological plant protection

"Initial investigations have shown that the fungus can also infect other leaf sucker species," reports Jürgen Gross from Julius Kühn-Institut (JKI) in Dossenheim and co-author of the study. The researcher is convinced that the newly discovered fungal species has great potential for biological crop protection and could serve as a starting material for environmentally friendly crop protection products.

Bring the fungus to the leaf flea

Next, Gross plans to investigate how the fungal spores can be enriched and packaged so they can be applied to orchards. "We are in the process of developing a formulation that will ensure that the pearleaf sucker comes into contact with the fungus and is colonized by it," Gross says, explaining the approach. "To do this, we will also include attractants for the pear leaf sucker in the formulation." It has already been shown in the laboratory that the fungal infestation leads to the death of the insects.

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.