Latvia is a rather sparsely populated country in the middle of the Baltic States with about two million inhabitants. Agriculture and forestry are therefore of the greatest bioeconomic importance: 54% of the land area is forested, another 30% are used for agriculture. Forests and fertile soils offer far greater potential than has been economically developed to date. In terms of bio-economic value creation, the traditional and small-scale structures predestine the country to specialisation rather than mass production. The bioeconomy is already Latvia's largest and most important economic sector, followed by mechanical engineering and electronics. The Bioeconomy Strategy adopted in 2017 is intended to point the way to an even stronger bioeconomy. As a "data-driven nation", Latvia is also a pioneer in digitisation.
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Erforderlich ist demnach eine technologische und soziokulturelle Kehrtwende. Dazu gehören etwa die konsequente Umsetzung ressourcenschonender landwirtschaftlicher Methoden, die Reduzierung von Lebensmittelverlusten und schließlich Änderungen im Speiseplan.
Die Forscher stellen die Frage, wie viele Menschen unter Einhaltung eines strengen Standards ökologischer Nachhaltigkeit weltweit ernährt werden könnten. Die Umweltkapazitäten werden in Form mehrerer planetarer Belastungsgrenzen definiert – wissenschaftlich definierter Höchstwerte für menschliche Eingriffe in zentrale Prozesse des Planeten. In der Studie werden vier der neun planetaren Grenzen erfasst, die für die Landwirtschaft relevant sind: die Integrität der Biosphäre (intakte Artenvielfalt und intakte Ökosysteme), die Veränderung der Landnutzung, die Süßwassernutzung und die Nutzung von Kunstdünger. Basierend auf einem ausgefeilten Computermodell werden die Auswirkungen der Nahrungsmittelproduktion auf diese Grenzen untersucht. Die Analyse zeigt auf, wo und wie viele Grenzen durch die derzeitige Nahrungsmittelproduktion verletzt werden und auf welche Weise diese Entwicklung durch Einführung nachhaltigerer Formen der Landwirtschaft rückgängig gemacht werden könnte.
Doch nicht nur nachhaltigere Landwirtschaft, auch Ernährungsumstellungen sind unumgänglich. So sollte beispielsweise Teile der tierischen Proteine durch mehr Hülsenfrüchte und anderes Gemüse ersetzt werden. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Reduzierung der Nahrungsmittelverluste, laut jüngstem IPCC-Sonderbericht gehen derzeit bis zu 30 Prozent aller produzierten Lebensmittel durch Verschwendung verloren.
However, this requires a technological and socio-cultural turnaround. This includes, for example, the consistent implementation of resource-conserving agricultural methods, the reduction of food losses and, finally, dietary changes.
The researchers ask the question of how many people could be fed worldwide if a strict standard of ecological sustainability were maintained. The environmental capacities are defined in the form of several planetary load limits - scientifically defined maximum values for human intervention in central processes of the planet. The study covers four of the nine planetary limits relevant to agriculture: the integrity of the biosphere (intact biodiversity and ecosystems), changes in land use, freshwater use and the use of artificial fertilizers. Based on a sophisticated computer model, the effects of food production on these boundaries are being investigated. The analysis shows where and how many limits are violated by current food production and how this could be reversed by introducing more sustainable forms of agriculture.
Not only more sustainable agriculture, but also changes in diet are inevitable. For example, some of the animal proteins should be replaced by legumes and other vegetables. Another decisive factor is the reduction of food losses. According to the latest IPCC special report, up to 30 percent of all food produced is currently lost through waste.
Im Boden wimmelt es von Mikroorganismen. Deren Erforschung ist nicht einfach, weil sich viele davon bislang nicht im Labor kultivieren lassen. Oftmals erfassen Forscher daher sogenannte Metagenome – die Gesamtheit der Gene der Mikroorganismen einer Probe. Mehr als 200.000 solcher Metagenome sind in öffentlichen Datenbanken verfügbar. Doch es gibt ein Problem: Die Datensätze darin unterliegen keinem einheitlichen Standard. Das erschwert die weitere Nutzung. Ein Team des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat daraus nun 15.000 Datensätze nach einheitlichen Standards aufbereitet und in einer neuen Datenbank zusammengeführt, wie es im Fachjournal „Nucleic Acids Research“ berichtet.
Vereinheitlichte Metadaten
Die Daten stammen aus den Datenbanken „MG Rast“ und „Sequence Read Archive“. Darin sind beispielsweise Angaben zur Temperatur der Bodenprobe mal in Kelvin, Grad Fahrenheit oder Grad Celsius gespeichert. „Dies erschwert es interessierten Anwendern, mit den Daten weiterzuarbeiten“, sagt Ulisses Nunes da Rocha, Mikrobieller Ökologe am UFZ. Für die neue Datenbank „TerrestrialMetagenomeDB“ haben die Forscher daher alle Metadaten wie Temperatur, pH-Wert und geografische Koordinaten nach einer bestehenden Standardisierungsmethodik vereinheitlicht.
The soil is teeming with microorganisms. Researching them is not easy because many of them cannot yet be cultivated in the laboratory. Therefore, researchers often record so-called metagenomes - the entirety of the genes of the microorganisms in a sample. More than 200,000 such metagenomes are available in public databases. But there is a problem: the data sets in them are not subject to a uniform standard, making it difficult to put the data to use. A team from the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) has now processed 15,000 of these data records according to uniform standards and merged them into a new database. This was published in the scientific journal "Nucleic Acids Research".
Standardized metadata
The data are taken from the databases "MG Rast" and "Sequence Read Archive". However, the datasets are often incomplete and not uniformly marked. For example, information on the temperature of the soil sample can be stored in Kelvin, Fahrenheit or Celsius. "This makes it more difficult for interested users to further process the data," says Ulisses Nunes da Rocha, microbial ecologist at the UFZ. For the new "TerrestrialMetagenomeDB" database, the researchers have therefore standardized all metadata such as temperature, pH value and geographical coordinates according to an existing standardization methodology.
Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) hat vier neue Jungunternehmen in ihr „Green Start-up Sonderprogramm“ aufgenommen: AckerCompany, HEDERA und BRIVE Fleet Solutions aus Berlin sowie DroidDrive aus Aachen. Insgesamt erhalten die Start-ups eine Förderung in Höhe von 428.000 Euro. Die Unternehmen verbinden Klimaschutz und Digitalisierung, jedoch auf ganz unterschiedliche Weise.
Gemüsegärten für Unternehmen
AckerCompany verfolgt das Ziel, dass Unternehmen firmeneigene Gärten anlegen, in denen die Mitarbeiter gemeinsam Gemüsebeete beackern und ernten. Das soll den Teamgeist ebenso stärken wie die Wertschätzung von Natur und Lebensmitteln. Eine App soll mit Tipps und bürotauglichen Rezeptideen die Teams unterstützen und zugleich einen Wettbewerb zwischen mehreren Gruppen ermöglichen.
Einfachere Mikrokredite
HEDERA möchte die Vergabe von grünen Mikrokrediten in Entwicklungs- und Schwellenländern vereinfachen. Digitale Produkte sollen helfen, den Bedarf und die Nachhaltigkeit eines Investments einheitlich und unkompliziert gegenüber Investoren darzustellen. Das soll die grünen Mikrokredite zudem günstiger machen. „Grün“ bedeutet dabei beispielsweise, dass mit den Mikrokrediten Alternativen zu Brennholzöfen, Kerosinlampen oder Dieselgeneratoren geschaffen werden. Darüber hinaus sollen die Akteure digital vernetzt werden.
Effizienterer Flotteneinsatz
BRIVE entwickelt eine App für die Smartphones der Fahrer von Paketdiensten, Speditionen und Taxiunternehmen. Sie bewertet anonymisiert deren Fahrweise und macht Vorschläge für ein umweltfreundlicheres und fahrzeugschonenderes Fahrverhalten. Mittelfristig soll die App zudem die optimale Route berechnen und dabei Faktoren wie das aktuelle Lieferaufkommen und Straßensperrungen berücksichtigen. Das spart dem Unternehmen Kosten. Das Plus könnte auch teilweise als Belohnung an die Fahrer weiterreicht werden.
Elektromobile Zustellhelfer
DroidDrive hat sich die Entenfamilie zum Vorbild genommen: Das Start-up entwickelt kleine elektrische Fahrzeuge, die autonom einem Führungsfahrrad oder einer Führungsperson folgen – wie die Entenküken ihrer Mutter. So könnten bei der Paketzustellung in Innenstädten und dicht besiedelten Gebieten große Lieferfahrzeuge ersetzt werden. Stau, Parkprobleme und Umweltbelastungen würden vermieden. Auch über Leasing- und Sharing-Modelle für Privatpersonen denkt das Unternehmen nach. Langfristig könnten die Fahrzeuge zudem ohne Führungsperson ihren Job erledigen.
Seit Beginn des Green Start-up-Sonderprogrammes im April vergangenen Jahres hat die DBU damit insgesamt zwölf Jungunternehmen mit rund 1,5 Mio. Euro gefördert. Perspektivisch sollen alle Start-ups nach der Pilotphase in die reguläre Projektförderung der DBU übernommen werden. Das Sonderprogramm stellt weitere 1,5 Mio. Euro zur Verfügung und will künftig vor allem „Grüne Gründerinnen“ in den Fokus nehmen.
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Drei Forschungseinrichtungen bündeln ihre Kräfte, um die Auswirkungen menschengemachter Umweltveränderungen auf die chemische Kommunikation der Insekten besser zu verstehen: Die Max-Planck-Gesellschaft, die Universität Lund und die Schwedische Universität für Agrarwissenschaften haben Ende Januar 2020 gemeinsam das virtuelle Max Planck Center „next Generation Insect Chemical Ecology“ (nGICE) gegründet.
Was passiert mit dem Geruchssinn?
Im Fokus der Forschung steht die Frage, wie Landwirtschaft, Industrialisierung und Klimawandel die chemische Kommunikation der Insekten verändern. Wie wirken sich höhere Durchschnittstemperaturen, Treibhausgase und Luftverschmutzung auf den Geruchssinn der Insekten aus, welche Anpassungsstrategien haben die Tiere? Diese Fragen sind keineswegs rein akademischer Natur, hat sich die Population der Insekten doch in den vergangenen Jahrzehnten stark verändert: Ihre Biomasse geht insgesamt massiv zurück, darunter auch die der landwirtschaftlich wichtigen Bestäuber. Gleichzeitig vermehren sich Schädlinge wie der Borkenkäfer rasant und Krankheitsüberträger dringen in Regionen vor, die ihnen bislang aus klimatischen Gründen verwehrt waren.
Ausbreitung von Krankheiten bekämpfen
„Europa ist lange von Krankheiten verschont geblieben, die von Insekten übertragen werden, doch in den letzten Jahren haben sich Krankheiten wie das West-Nil-Fieber und das Chikungunya-Fieber weiter nach Norden ausgebreitet“, schildert Rickard Ignell, Experte für die Ökologie von krankheitsübertragenden Insekten an der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften. Auch die Ausbreitung von Malaria und Dengue-Fieber werde durch den Klimawandel begünstigt. „Wir hoffen, dass wir durch die Kooperation im Max Planck Center neue Methoden zur Bekämpfung dieser Erkrankungen entwickeln können.“
Das ist eines der Ergebnisse der Studie „Der Lebensweg eines T-Shirts – eine Ökobilanz“, die am Fachbereich Sustainable Engineering der Technischen Universität Berlin im Auftrag des Industrieverbandes Körperpflege- und Waschmittel e. V. (IKW) erstellt wurde.
Für die Studie wurden möglichst realistische Annahmen getroffen. Betrachtet wurde ein handelsübliches weißes Baumwoll-T-Shirt. Das T-Shirt wurde außerhalb Europas hergestellt, in Deutschland gekauft, getragen, 44-mal gewaschen, getrocknet und schließlich entsorgt.
Zur Herstellung, zum Vertrieb, zur Pflege während der Nutzungsphase sowie zur Entsorgung werden Ressourcen, z. B. Wasser, benötigt, die das Gewicht des T-Shirts um ein Vielfaches übersteigen. Zudem werden während des „Lebenszyklus“ eines T-Shirts Treibhausgase freigesetzt, die etwa 3,7 Kilogramm CO2 entsprechen.
Die Studie zeigt, dass Baumwollproduktion und T-Shirt-Herstellung maßgeblich die meisten der betrachteten möglichen Effekte auf die Umwelt, z. B. Landnutzung, Süßwassernutzung, Verbrauch von Rohstoffen wie Erzen, Metallen und Mineralien bestimmen sowie negative Auswirkungen auf Gewässer und ihre Lebewesen haben. T-Shirt-Herstellung und die Nutzungsphase, also das Waschen und Trocknen des T-Shirts, haben einen relevanten Einfluss auf das Treibhauspotenzial und den Ressourcenverbrauch Wasser („Potenzielle Wasserverknappung“).
Die Bioökonomie braucht eine breite Akzeptanz in der Gesellschaft, wenn der Wandel hin zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise gelingen soll. Doch wie kann jeder Einzelne von der Vision einer ressourcen- und umweltschonenden Welt überzeugt werden? Nachwuchswissenschaftler und junge Forscherteams haben ihre Vorstellungen dazu formuliert. Die 15 besten Kommunikationsideen zur Bioökonomie sind im Rahmen des diesjährigen Hochschulwettbewerbs zum Wissenschaftsjahr mit einem Preisgeld von jeweils 10.000 Euro ausgezeichnet worden.
Bioökonomie-Forschung verstehen und erleben
Der Hochschulwettbewerb wird von Wissenschaft im Dialog jährlich zum Thema des Wissenschaftsjahres im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durchgeführt. In diesem Jahr steht die Bioökonomie im Rampenlicht. Die Siegerteams kommen von Hochschulen und Universitäten aus Aachen, Düsseldorf, Bayreuth, Düsseldorf, Freiburg, Hamburg, Hohenheim, Kassel, Mittweida, Nürnberg, Köln/Bonn und Osnabrück. Mit ihren Ideen wollen sie dazu beitragen, wissenschaftliche Erkenntnisse zur Bioökonomie verständlich zu machen und den Dialog mit der Öffentlichkeit darüber zu fördern.
Kreative Kommunikationsideen
Die Bandbreite der preisgekrönten Ideen wie auch der anvisierten Kommunikationswege ist groß: Zu den beleuchteten Themen zählen neue Lebensmittel, biobasierte Textilien, Pflanzenzucht, Aquakultur oder Kreislaufwirtschaft mittels Pilzen. Die Kommunikationsformate sind entweder Konferenzen, Workshops, Apps oder Videos. Aber auch ein Festival im Zeichen der Bioökonomie oder ein Escape Room sollen das Thema der Öffentlichkeit auf unterhaltsame Weise näherbringen.
Escape Room zum Thema Nachhaltigkeit
Zu den Gewinnern des diesjährigen Hochschulwettbewerbes gehören auch Thomas Schmitt und Rebekka Riebl von der Universität Bayreuth. Mit ihrem Konzept eines Escape Rooms für mehr Nachhaltigkeit wollen sie die breite Öffentlichkeit auf spielerische Weise für die Notwendigkeit einer stärkeren Verknüpfung von Ökonomie und Ökologie sensibilisieren. „Unser Escape Room soll Jugendlichen und Erwachsenen vor Augen führen, wie wichtig funktionierende Ökosystemdienstleistungen für die Bioökonomie sind. Darüber hinaus wollen wir den Blick für die Bedürfnisse Anderer weiten und kooperatives Handeln fördern“, so Riebl. Wie im virtuellen Spiel müssen die Protagonisten auch hier kooperieren und in einer Landschaft wesentliche Kriterien einer nachhaltigen und gerecht organisierten Bioökonomie wie etwa die Verteilung natürlicher Ressourcen regeln, um die Freiheit zu erlangen.
Lederherstellung: gesundheitsgefährdend, umweltschädlich, schmutzig
Einige Schritte in der Lederproduktion sind extrem unappetlich. Um die Tierhaut verarbeiten zu können und haltbar zu machen, muss sie gegerbt werden. Bei klassischen Gerbungsverfahren kommen Substanzen zum Einsatz, die die Gesundheit schädigen und Böden und Gewässer erheblich belasten. Neben den Schadstoffen ist auch die Tierhaltung ein Problem, denn nicht jede Tierhaut ist ein Abfallprodukt.
Statt klassischer Gerbungsverfahren können nachhaltige pflanzliche Lösungen genutzt werden. Vorzugsweise setzen die Pflanzengerber dabei auf nachwachsende Rohstoffe wie Früchte und Rinden, die biologisch abbaubar sind (siehe Sessel).
Von der Schale zum Accessoire
Aber auch zur Verwendung von Tierhaut gibt es Alternativen. Eine davon zeigt ein junges Unternehmen aus Niedersachsen, das nachhaltige und ressourcenschonende Taschen aus Apfelresten kreiert. Entwickelt wurde das Apfelleder von der Firma Frumat in Bozen. Werden Äpfel zu Saft oder Pürree verarbeitet, bleiben Rückstände zurück. Die Stängel, Fasern und Schale werden getrocknet und anschließend zu einem feinen Pulver vermahlen. Das Pulver trägt man Schicht für Schicht auf einen Canvas auf, anschließend wird es geprägt, damit der Lederlook entsteht.
In den Taschen von nuuwai stecken etwa 50% Appleskin, der Rest besteht aus biologisch abbaubarem Polyurethan (PU), das für die Stabilität benötigt wird. Das Innenleben der Handtasch besteht aus recycelten Plastikflaschen und Fischernetzen.
Marktreife
Die Handtasche und diverse andere Produkte aus Apfelleder werden über das Label „nuuwai“ vertrieben.
Leather production: hazardous to health and harmful to the environment
Some steps in leather production are extremely unsavory. In order to be able to process and preserve the hide, it has to be tanned. Classical tanning processes use substances that are harmful to health and pollute soils and waters considerably. In addition to the harmful substances, animal farming is also problematic, because not every animal skin is a waste product.
Instead of classic tanning processes, sustainable plant-based solutions can be used. Plant tanners prefer to use renewable raw materials such as fruits and bark that are biodegradable (see also arm chair).
From peel to accessory
But there are also alternatives to the use of animal skin. One of them comes from a young company from Lower Saxony that creates sustainable and resource-conserving bags from apple waste. The apple leather was developed by the Frumat company in Bolzano. If apples are processed into juice or puree, some residues remain. The stalks, fibres and skin are dried and then ground to a fine powder. The powder is applied to a canvas layer by layer and then embossed to create the leather look.
The nuuwai bags contain about 50% of the so-called Appleskin, the rest is biodegradable polyurethane (PU), which is needed for stability. The inside of the handbag is made of recycled plastic bottles and fishing nets.
Market readiness
The handbag and various other products made of apple leather are sold under the label "nuuwai".
Mehr als die Hälfte des weltweit konsumierten Speisefisches stammt inzwischen aus Aquakulturen. Damit Zuchtfisch ebenso wie Wildfang einen hohen Gehalt an für die Ernährung wertvollen Omega-3-Fettsäuren besitzt, müssen diese dem Fischfutter zugesetzt werden. In der Regel erfolgt das in Form von Fischmehl und Fischöl. Das ist wenig nachhaltig, da hierzu jährlich Millionen Tonnen Wildfisch gefangen werden müssen. Der Lebensmittelhändler Kaufland hat jetzt als erster Anbieter in Deutschland Zuchtlachs ins Sortiment aufgenommen, dessen Omega-3-Fettsäure-Quelle vor allem aus Algenöl besteht.
Omega-3-Fettsäuren aus Algen
„Für die Aufzucht von einem Kilogramm Lachs soll umgerechnet künftig weniger als ein Kilogramm Futter-Wildfisch verwendet werden“, verspricht Robert Pudelko, CSR Einkauf Deutschland bei Kaufland. Möglich macht das neue Angebot das Biotechnologieunternehmen Veramaris, ein Joint Venture von Evonik (Deutschland) und DSM (Niederlande). Veramis gewinnt fermentativ aus natürlichen Meeresalgen ein Öl, das reich an den wertvollen Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA ist. Mit dem Öl werden dann die Lachse in den norwegischen Aquakulturen gefüttert, deren Fleisch Kaufland unter der Eigenmarke „K-Blue Bay“ seit Ende Februar an den SB-Theken aller deutschen Filialen verkauft.
Gesund und nachhaltig
„Es freut uns zu sehen, dass wir es durch die gemeinsame, kontinuierliche Arbeit mit allen Partnern entlang der Wertschöpfungskette geschafft haben, den Kunden einen nachhaltig gesunden Lachs anzubieten“, sagt Gaëlle Husser, Global Business Development Director bei Veramaris. Nach Einschätzung des Unternehmens sind lediglich 10% der Weltbevölkerung ausreichend mit Omega-3-Fettsäuren versorgt. Vermaris verfolgt daher das Ziel, mit seiner Innovation den weltweiten Markt in Richtung einer nachhaltigeren Fischzucht beeinflussen zu können.
Kaufland engagiert sich nach eigenen Angaben seit zehn Jahren für ein nachhaltiges Fischsortiment. Dazu zählen Maßnahmen wie die Auslistung stark gefährdeter Fischarten und ein nahezu durchgängig zertifiziertes Eigenmarkensortiment.
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Ein wertvoller Rohstoff, der bislang vor allem verbrannt wird: das Biopolymer Lignin. Es ist einer der Hauptbestandteile von Pflanzen und eine vielversprechende Alternative zu Erdöl, um daraus Kunststoffe zu gewinnen. „Lignin ist die größte Quelle natürlich vorkommender aromatischer Verbindungen, wird bislang aber vor allem als Nebenprodukt oder Brennstoff in der Papierindustrie angesehen”, bedauert Mats Johansson von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm. „Jedes Jahr werden Millionen Tonnen davon produziert, die als kontinuierlicher Rohstoffstrom für neue Produkte zur Verfügung stehen könnten.“
Uneinheitlicher Molekülaufbau
Es gibt jedoch einen guten Grund, weshalb sich die Industrie schwer damit tut, Lignin stofflich zu nutzen: Wie die meisten Naturstoffe gibt es eine gewisse Variabilität im Aufbau der Ligninmoleküle. Das führt zu unterschiedlichen Materialeigenschaften, die sich bislang schlecht steuern lassen. Röntgenanalysen am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY könnten das jetzt ändern. Im Fachjournal Applied Polymer Materials berichten die Wissenschaftler über Unterschiede in der Nanostruktur kommerziell erhältlicher Lignine und wie diese sich auf die Materialeigenschaften auswirken.
Größe und Anordnung der Bausteine entscheidend
So habe sich gezeigt, dass das Lignin mal aus größeren und mal aus kleineren Bausteinen zusammengesetzt ist, erläutert Hauptautor Marcus Jawerth von der KTH Stockholm. „Das hat je nach Anwendung Vorteile: Es macht das Lignin härter oder weicher, indem sich die sogenannte Glasübergangstemperatur ändert, bei der das Biopolymer einen zähflüssigen Zustand annimmt.“ Auch die Anordnung bestimmter molekularer Strukturen zueinander beeinflusst, wie sich das Lignin verhält.
Systematischer Überblick geplant
Die Forscher wollen nun durch weitere Untersuchungen einen systematischen Überblick erstellen, wie verschiedene Parameter die Lignin-Eigenschaften beeinflussen. „Das ist enorm wichtig, um die Materialien reproduzierbar herzustellen und vor allem die Materialeigenschaften vorherzusagen“, betont DESY-Forscher Stephan Roth. „Wenn man das Material industriell einsetzen möchte, muss man die molekulare Struktur verstehen und mit den mechanischen Eigenschaften korrelieren.“
Enormes Potenzial für Biokunststoffherstellung
Etwa zwei Drittel des heute meist verbrannten Lignins aus der Papierherstellung könnten künftig als Rohstoff für die Kunststoffherstellung genutzt werden, schätzt Roth. „Lignin gehört mit Zellulose und Chitin zu den häufigsten organischen Verbindungen der Erde und hat enormes Potenzial, erdölbasierte Plastik-Rohstoffe zu ersetzen“, resümiert der Forscher. Zum Verbrennen sei es viel zu wertvoll.
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One valuable raw material that has so far mainly been burned is the biopolymer lignin. It is one of the major components of plants and a promising alternative to crude oil for the production of plastics. "Lignin is the largest source of naturally occurring aromatic compounds, but so far it has mainly been regarded as a by-product or fuel in the paper industry," says Mats Johansson of the Royal Institute of Technology (KTH) Stockholm regretfully. "Millions of tons of it are produced every year, which could be available as a continuous stream of feedstock for new products".
Non-uniform molecular structure
There is, however, a good reason why the industry is struggling to use lignin as a material: Like most natural products, there is a certain variability in the structure of the lignin molecules. This leads to different material properties that have so far been difficult to control. X-ray analyses at the German Electron Synchrotron DESY could now change this. In the journal Applied Polymer Materials, the scientists report on differences in the nanostructure of commercially available lignins and how these affect the material properties.
Size and arrangement of the building blocks are crucial
It has been shown that the lignin is sometimes composed of larger and sometimes smaller building blocks, explains lead author Marcus Jawerth of KTH Stockholm. "This has advantages depending on the application: It makes the lignin harder or softer by changing the so-called glass transition temperature at which the biopolymer assumes a viscous state." The arrangement of certain molecular structures in relation to one another also influences how the lignin behaves.
Systematic overview in the pipeline
The researchers are now planning to carry out further investigations in order to gain a systematic overview of how different parameters affect the lignin properties. "This is extremely important in order to produce materials reproducibly and, above all, to predict the material properties," emphasizes DESY researcher Stephan Roth. "If you want to use the material industrially, you have to understand its molecular structure and correlate it with its mechanical properties."
Enormous potential for bioplastics production
Roth estimates that about two thirds of the lignin from paper production, which is currently the most commonly burned lignin, could be used in future as a raw material for the production of plastics. "Together with cellulose and chitin, lignin is one of the most common organic compounds on earth and has enormous potential to replace petroleum-based plastic raw materials," the researcher sums up. It is far too valuable to burn, he argues.
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Der Bedarf an Naturkautschuk ist groß und steigend, insbesondere in der Reifenindustrie. Bislang wird er vor allem über den Anbau des in den Tropen beheimateten Kautschukbaums gedeckt. Dessen Vorkommen könnten künftig nicht mehr genügen, um der Nachfrage zu begegnen. Der Forschungsverbund TAKOWIND III möchte deshalb eine Alternative schaffen, die sich auf europäischen Äckern anbauen ließe. Im Fokus steht dabei der Russische Löwenzahn.
Kautschukgehalt steigern
Der Russische Löwenzahn Taraxacum koksaghyz bildet in seiner Wurzel Kautschuk, der ähnliche Eigenschaften aufweist wie das Produkt des Kautschukbaumes Hevea brasiliensis. Im Forschungsverbund TAKOWIND III wollen das Pflanzenzüchtungsunternehmen Eskusa, die Westfälische Wilhelms-Universität Münster und das Julius-Kühn-Institut für Kulturpflanzen den Russischen Löwenzahn als Kautschukquelle optimieren. Dazu soll die Pflanzen mit ihrem einheimischen Verwandten, dem Gemeinen Löwenzahn gekreuzt werden.
In den vorhergehenden Verbundprojekten ist es bereits gelungen, den Kautschukgehalt in den Wurzeln gegenüber der Wildpflanze zu steigern. Für den kommerziellen Einsatz ist das jedoch noch nicht ausreichend. Die gezielte Anwendung neuer genetischer Erkenntnisse soll dabei helfen.
Praktische Anbaufragen klären
Außerdem wollen die Projektpartner eine Reihe weiterer praktischer Fragen klären, darunter solche zur Aussaatfähigkeit, zur Blütenbildung über mehrere Jahre und zur Ausbreitung der Pflanzen. Nicht zuletzt gilt es zu untersuchen, über wie viele Jahre sich eine Pflanze produktiv nutzen lässt. Darüber hinaus müssen die Forscher im Blick behalten, welche Eigenschaften und Qualität der jeweils gewonnene Kautschuk aufweist.
Das Ministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert den in vier Teilvorhaben gegliederten Forschungsverbund TAKOWIND III über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe.
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Die intensive Viehhaltung hat mehrere Umweltprobleme zur Folge. Eines davon geht auf Sojabohnen als Futtermittel zurück. Aufgrund ihres hohen Energie- und Proteingehaltes sind sie zwar aus Ernährungssicht das Futter der Wahl für viele Nutztierarten. Doch für ihren Anbau werden Regenwälder zerstört, der Transport aus Südamerika bedingt hohe CO2-Emissionen und zumindest in weiten Teilen Europas wird nicht gern gesehen, dass die meisten Sojafelder mit gentechnisch veränderten Pflanzen bestellt werden. Agrarforscher entwickeln nun eine heimische Alternative.
Störende Inhaltsstoffe entfernen
Ackerbohnen und vor allem Erbsen werden schon lange in der Tierfütterung genutzt und sind ebenfalls reich an Proteinen. „Sie können aber mit Soja bisher nicht mithalten, auch weil sie viele sogenannte antinutritive Inhaltsstoffe enthalten“, erklärt Annette Zeyner, Professorin für Tierernährung an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Darunter versteht man Stoffe, die die Aufnahme wertvoller Nährstoffe bei der Verdauung behindern. Gemeinsam mit dem Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) verfolgen Zeyner und ihr Team im Projekt „SilaToast“ deshalb einen neuen Ansatz, um diese antinutritiven Inhaltsstoffe zu beseitigen.
Toasten bei der richtigen Temperatur
Zum einen zeigte sich, dass bereits durch das Silieren antinutritive Inhaltsstoffe weitgehend abgebaut werden. Der Clou aber ist: Toastet man die Hülsenfrüchte, reduziert die Wärmebehandlung die lästigen Substanzen noch weiter. „Der Knackpunkt ist, dass zu heißes Toasten wiederum die Proteine schädigt", schildert Zeyner die Herausforderung. Die Forscher haben daher die optimale Temperatur und Dauer des Toastens ermittelt und den Feuchtigkeitsgehalt der Silage optimiert.
Vorteile für Tier und Umwelt
Das neue Verfahren birgt noch weitere Vorteile, wie die Wissenschaftler im Fachjournal Livestock Science berichten: Durch die Wärmebehandlung werden die Proteine im Wiederkäuermagen später verdaut. Dadurch wird zum einen weniger Stickstoff mit den Exkrementen ausgeschieden, zum anderen können über den Dünndarm des Tieres mehr wertvolle Aminosäuren aufgenommen werden.
Ob silierte und getoastete Erbsen die gesetzlich vorgeschriebenen Nährwerte erfüllen, wird derzeit getestet. Bewährt sich das Futter in der Praxis, ist es nicht nur für Rinder und Schafe, sondern auch für Schweine und Geflügel geeignet.
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Intensive livestock farming causes several environmental problems. One of them is related to the use of soybeans as animal feed. Their high energy and protein content makes them the feed of choice for many livestock species. However, rainforests are destroyed for their cultivation, transport from South America causes high CO2 emissions and, at least in large parts of Europe, most consumers dislike the fact that most soya fields are cultivated with genetically modified plants. Agricultural researchers are now developing a domestic alternative using toasted feed peas.
Removing undesirable ingredients
Field beans and especially peas have long been used in animal feed and are also rich in proteins. "But at this point they don’t measure up to soy, partly because they contain many so-called anti-nutritive factors," explains Annette Zeyner, Professor of Animal Nutrition at the Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU). These are substances that hinder the absorption of valuable nutrients during digestion. Together with the Saxon State Office for Environment, Agriculture and Geology (LfULG), Zeyner and her team are therefore pursuing a new approach in the "SilaToast" project to eliminate these antinutritive ingredients.
Toasting at the right temperature
On the one hand, it was shown that even by ensiling, antinutritive ingredients are largely degraded. The trick, however, is that if the pulses are toasted, the heat treatment reduces the undesirable substances even further. "The sticking point is that overheating in turn damages the proteins," says Zeyner, describing the challenge. The researchers therefore determined the optimum temperature and duration of toasting and optimized the moisture content of the silage.
Advantages for animals and the environment
The new method has even more advantages, as the scientists report in the journal Livestock Science: Through the heat treatment, the proteins are later digested in the stomach of ruminants. As a result, less nitrogen is expelled with the excrements, and more valuable amino acids can be absorbed through the animal's small intestine.
Whether ensiled and toasted peas meet the legally prescribed nutritional values is currently being tested. If the feed proves itself in practice, it is not only suitable for cattle and sheep, but also for pigs and poultry.
bl/um