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Mikroalgen enthalten nicht nur kostbare Wertstoffe. Sie sind auch begehrte und vor allem effiziente Biofabriken, um biogene Rohstoffe für Farb- und Kunststoffe oder Biosprit herzustellen. Sie benötigen lediglich Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser, um schnell große Mengen an Biomasse zu produzieren. Außerdem wird bei der Kultivierung von Mikroalgen Kohlendioxid gebunden. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Heidelberg hat nun das Einsatzspektrum mikroalgenbasierter Produkte erweitert. Einem Team um Eva Blasco ist es erstmals gelungen, mit den aus Mikroalgen gewonnenen Farbstoffen Biotinten herzustellen, die für den hochauflösenden dreidimensionalen Laserdruck geeignet sind.

Photoaktive Farbstoffe in Kiesel- und Grünalge

„Trotz ihrer Vorteile sind Mikroalgen als Rohstoffe für den lichtbasierten 3D-Druck kaum in Betracht gezogen worden“, sagt Eva Blasco vom Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) der Universität Heidelberg.  Wie das Team im Fachmagazin „Advanced Materials“ berichtet, wurden mit der Kieselalge Odontella aurita und der Grünalge Tetraselmis striata zwei Arten zur Herstellung der Biotinten ausgewählt, die besonders viele Fette in Form von Triglyzeriden enthalten.

Diese Triglyzeride wurden von den Forschenden extrahiert und mit Acrylaten funktionalisiert, um eine schnelle Aushärtung bei Lichteinstrahlung durch den Laser zu ermöglichen. Durch den Laserstrahl werden spezielle Moleküle in der Biotinte, sogenannte Photoinitiatoren, aktiviert. Dadurch kommt es zu einer chemischen Reaktion, wodurch die Tinte zu einer dreidimensionalen Struktur verfestigt wird. Die in den beiden Mikroalgen vorhandenen photoaktiven grünen Farbstoffe hatten sich als Photoinitiatoren besonders geeignet.

Diverse 3D-Mikrostrukturen mit Biotinte hergestellt

Bei dem hochpräzisen Verfahren des 3D-Laserdrucks werden bisher hauptsächlich Tinten aus erdölbasierten Polymeren verwendet. Den Forschenden zufolge konnten mit dem neu entwickelten Tintensystem bereits „verschiedene 3D-Mikrostrukturen mit hoher Präzision und komplexen Merkmalen wie überhängenden Dächern oder Hohlräumen“ hergestellt werden. „Damit vermeiden wir den Einsatz von potenziell toxischen Zusatzstoffen wie Photoinitiatoren, die in herkömmlichen Tinten verwendet werden“, erklärt Erstautorin Clara Vazquez-Martel, Doktorandin in der Forschungsgruppe von Eva Blasco am IMSEAM.

Biokompatibilität der Zellkulturen bei nahezu 100 %

Anhand von Zellkulturen untersuchte das Team auch die Biokompatibilität der mikroalgenbasierten Tinten. Der Studie zufolge lag die Überlebensrate der Zellkulturen bei „nahezu 100 %“.  „Unsere Ergebnisse eröffnen nicht nur neue Möglichkeiten für einen nachhaltigeren 3D-Druck mit Licht, sondern auch für lebenswissenschaftliche Anwendungen – von dreidimensionalen Zellkulturen bis hin zu biokompatiblen Implantaten“, sagt Blasco.

An der Studie waren neben der Universität Heidelberg auch Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universidad de Las Palmas auf Gran Canaria beteiligt.

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Microalgae not only contain valuable resources. They are also coveted and, above all, efficient biofactories for producing biogenic raw materials for dyes, plastics and biofuel. They only need sunlight, carbon dioxide and water to quickly produce large quantities of biomass. In addition, the cultivation of microalgae binds carbon dioxide. An international research team led by Heidelberg University has now expanded the range of applications for microalgae-based products. A team led by Eva Blasco has succeeded for the first time in using the dyes obtained from microalgae to produce bioinks that are suitable for high-resolution three-dimensional laser printing.

Photoactive dyes in diatoms and green algae

“Despite their advantages, microalgae have hardly been considered as raw materials for light-based 3D printing,” says Eva Blasco from the Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials (IMSEAM) at Heidelberg University. As the team reports in the journal "Advanced Materials", the diatom Odontella aurita and the green alga Tetraselmis striata were selected as two species for the production of the bioinks that contain a particularly high amount of fats in the form of triglycerides.

These triglycerides were extracted by the researchers and functionalized with acrylates to enable rapid curing when exposed to light from the laser. The laser beam activates special molecules in the bio-ink, known as photoinitiators. This results in a chemical reaction, which solidifies the ink into a three-dimensional structure. The photoactive green dyes present in the two microalgae proved to be particularly suitable as photoinitiators.

Various 3D microstructures produced with bio-ink

The high-precision 3D laser printing process has so far mainly used inks made from petroleum-based polymers. According to the researchers, the newly developed ink system has already been used to produce “various 3D microstructures with high precision and complex features such as overhanging roofs or cavities”. “This allows us to avoid the use of potentially toxic additives such as photoinitiators, which are used in conventional inks,” explains first author Clara Vazquez-Martel, a PhD student in Eva Blasco's research group at IMSEAM.

Biocompatibility of the cell cultures at almost 100%

Using cell cultures, the team also investigated the biocompatibility of the microalgae-based inks. According to the study, the survival rate of the cell cultures was “almost 100%”.  “Our results not only open up new possibilities for more sustainable 3D printing with light, but also for life science applications – from three-dimensional cell cultures to biocompatible implants,” says Blasco.

In addition to Heidelberg University, researchers from the Karlsruhe Institute of Technology and the Universidad de Las Palmas on Gran Canaria were also involved in the study.

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Mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis (DNP) werden jedes Jahr Innovationen geehrt, die Lösungen für die wichtigsten Herausforderungen der Zukunft liefern und damit wegweisend für eine nachhaltige Entwicklung sind. Im nunmehr 17. Wettbewerb werden konkret Pioniere in den Kategorien Unternehmen, Architektur, Sport, Internationaler DNP sowie erstmals auch Gesundheit und Produkte ausgezeichnet.  Für die Sparte Architektur wurden nun die Nominierten für den diesjährigen DNP bekannt gegeben.

Neun Bauprojekte für DNP nominiert

Bei den Ausgewählten handelt es sich nach Angaben des DNP um eine „bunte Mischung aus Bestands- und Neubauprojekten unterschiedlicher Gebäudenutzungen“. Insgesamt können neun innovative Bauvorhaben auf eine Auszeichnung hoffen. Darunter auch der Hybrid-Flachs-Pavillon, den Forschende der Universität Stuttgart für die diesjährige Landesgartenschau in Wangen entwickelt haben.

Richtungsweisender Ansatz für nachhaltiges Bauen

Die Jury sieht eigenen Angaben nach „im Hybrid-Flachs-Pavillon einen richtungsweisenden Ansatz des materialeffizienten Bauens mit nachwachsenden Rohstoffen“. Der traditionell für Textilien aus Leinen verwendete Flachs könne durch den Einsatz weit entwickelter technologischer Prozesse den Ressourceneinsatz signifikant verringern, so die Begründung der Jury. Durch den Einsatz von Holz und Flachs kann der Pavillon vollständig zurückgebaut und das Material wiederverwendet werden.

Das Innovative daran ist jedoch die wellenförmige Dachkonstruktion, die nach dem Vorbild des geschwungenen Argen-Flusslaufs entworfen wurde. Sie beruht auf einem neuartigen und ressourcenschonenden Trägersystem. Diese Konstruktion verbindet Sperrholzplatten und Naturfaserkörper, die durch kernloses Wickeln von Flachsfasern hergestellt wurden. Dabei wechseln sich Hybridbauteile mit herkömmlichen Holzelementen ab und bilden so die wellenförmige Struktur des Daches.

„Mit Projekten wie dem Hybrid-Flachs-Pavillon wollen wir Lösungen für zukunftsfähiges Planen und Bauen zeigen und einen zweiseitigen Wissenstransfer zwischen Forschung und Bauunternehmen ermöglichen. Die Nominierung für den diesjährigen Deutschen Nachhaltigkeitspreis in der Kategorie Architektur zeigt einmal mehr, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagt Achim Menges, Leiter des Instituts für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) und Sprecher des Exzellenzclusters Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (IntCDC).

Auch Kindertagesstätten, Familienzentren, Lagerhallen und Industriebauten gehören zu den Nominierten des diesjährigen Deutschen Nachhaltigkeitspreises in der Kategorie Architektur. Das verbindende Element der Gebäude ist dabei jeweils der Rohstoff Holz, der vielfältig – sowohl zur Fassaden- als auch Innenraumgestaltung – eingesetzt wurde.

Nachhaltiger Industriebau in Leutkirch

So auch im neu gebauten Werk II für Sensor-Technologie der Firma elobau in Leutkirch. Der eingeschossige Erweiterungsbau besteht aus zwei Hallen und steht für eine emissions- und ressourceneffiziente Bauweise, die Produktions- sowie Büroarbeitsplätze miteinander kombiniert. „Für die Mitarbeitenden entstehen eng miteinander verknüpfte Büro- und Produktionsbereiche auf ‚Augenhöhe‘“, schreibt die Jury. Die Außenwand der Hallen besteht aus Lärchenholzschindeln, das Scheddach ist eine Holzkonstruktion aus Brettschichtholz (Nadelholz) und Baubuche. Die Ausrichtung des Scheddach-Gebäudes sorgt außerdem dafür, dass auf künstliches Licht größtenteils verzichtet werden kann. Eine Photovoltaikanlage sowie eine nahe gelegene Biogasanlage versorgen die Hallen mit Energie. „Die Jury würdigt hier das erfolgreiche Bestreben der Projektbeteiligten, die an das Bauen von heute zu stellenden ökologischen Anforderungen und sozialen Aspekte der Nutzenden für einen Neubau für Produktion und Verwaltung miteinander zu vereinbaren.“

Die Nachhaltigkeitsforschung ist ein Schwerpunkt der Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Seit 2005 gibt es ein eigenes Rahmenprogramm (FONA), in dem es um all jene Forschungsaktivitäten geht, die dazu beitragen, die natürlichen Lebensgrundlagen des Menschen auch in Zukunft zu erhalten. Jährlicher Treffpunkt der beteiligten Akteure ist das FONA-Forum. Die 17. Auflage des FONA-Forums findet in diesem Jahr vom 9. bis 11. Oktober 2024 im Futurium in Berlin statt.

Gemeinsam positive Veränderungen anstoßen

Wie kann Nachhaltigkeit eine Gesellschaft unter Druck wieder stabilisieren und zusammenführen? Welchen Beitrag kann die Forschung für Nachhaltigkeit zur Transformation leisten und welche Rolle spielt dabei die Kooperation mit Partnern aus anderen Fachdisziplinen oder gesellschaftlichen Bereichen? Diese und viele weitere Fragen sollen im Rahmen des mehrtägigen Treffens mit den insgesamt mehr als 200 Akteuren diskutiert werden. Die Veranstaltung steht in diesem Jahr unter dem Motto: „Gemeinsam forschen. Nachhaltigkeit gestalten. Zusammenhalt stärken.“ Ziel sei es, neue Akteurskonstellationen zu ermöglichen, Zukunftsvisionen und Lebenswirklichkeiten zusammenzubringen und Handlungsspielräume für Transfer und Innovation zu schaffen.

Zuhörende werden zu Mitwirkenden

Statt klassischer Bühnenprogramme wie Fachvorträgen und Podiumsdiskussionen wartet das FONA-Forum in diesem Jahr mit partizipativen und interaktiven Formaten auf, in denen sich Teilnehmende austauschen und vernetzen können. Aus Zuhörenden werden Mitwirkende. Im Mittelpunkt stehen laut dem Organisationsteam fluide Gruppendiskussionen, in denen sich die Gäste über die gesellschaftliche Wirkung von zentralen Themen der Nachhaltigkeitsforschung austauschen können. Im Plenum werden Impulse und Perspektiven geteilt, die von allen gehört werden sollen und Anregungen für die weitere Gruppendiskussion liefern. Den Abschluss bildet eine Ergebnisdiskussion mit der Leitung des BMBF.

Viele Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen leben in Symbiose mit anderen Individuen oder Organismen, um zu überleben. Solche Lebensgemeinschaften sind für beide Seiten vorteilhaft, weil sie sich gegenseitig mit Nährstoffen versorgen. Auch Flechten, die an extremen Standorten wie der Antarktis oder Atacama-Wüste siedeln, überleben nur durch die Symbiose von Pilz und Algen oder Cyanobakterien. Diese Allianzen machen Flechten zu Mini-Ökosystemen, weil sie zahlreichen Organismen einen Lebensraum bieten.

Während die Allianz von Pilz und Alge gut erforscht ist, gibt es bisher kaum Erkenntnisse zu dem zweiten Symbiosepartner der Flechten – die einzelligen Cyanobakterien. Dazu liefert nun eine Studie der Hochschule Kaiserslautern wichtige Ergebnisse.

Unbekannte Cyanobakterien in Flechten entdeckt

Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, gehören zu den ältesten Symbionten, die ihre Partner über die Photosynthese mit Zucker versorgen. Patrick Jung, Laura Briegel-Williams und Michael Lakatos ist es mithilfe einer neu entwickelten Methode gelungen, aus den sogenannten Cyanoflechten die mit dem Pilz in Symbiose lebenden einzelligen Cyanobakterien zu isolieren und anhand der DNA sowie der Beobachtung verschiedener Lebensstadien zu charakterisieren.

Wie das Team im Fachmagazin ISME Communications berichtet, stieß es dabei auf eine große, bisher unbekannte Vielfalt an Cyanobakterien. „Das ist sicherlich nur die Spitze des Eisbergs“, erklärt Patrick Jung. „Wir haben gerade erst begonnen, uns diese spezielle Symbiose anzuschauen.“

Miscanthus ist ein beliebtes Ziergras im Garten. Doch die mehrjährige und schnell wachsende Pflanze wird auch als Rohstoff immer beliebter – etwa zur Gewinnung von Cellulose für die Papierindustrie oder Zucker für die Biokunststoffproduktion. Aber auch die Baubranche hat das Potenzial von Miscanthus für sich entdeckt und sieht darin eine Alternative zum Rohstoff Holz. Nun ist es Forschenden der Universität Siegen mit Partnern gelungen, einen Balken aus dem sogenannten Riesenchinaschilf herzustellen, das in puncto Festigkeit mit dem Pendant aus Vollholz mithalten kann.

Balkenkonstruktion aus Chinaschilf

Als Dämmmaterial wird das schnell wachsende Gras bereits verwendet. Um einen Balken aus dem Pflanzenmaterial herzustellen, der die hohen Ansprüche an eine Balkenkonstruktion erfüllt, musste das Team einige Hürden meistern. „Die Herausforderung bestand anfangs vor allem darin, die Schilfblätter, die eine extrem glatte Oberfläche haben, miteinander zu verbinden“, berichtet Mathias Wirths von der Universität Siegen. Mithilfe einer speziellen Maschine namens „Miscanthus-Biber“, die Studierende entwickelt haben, konnten die Schilfblätter aufgeraut, verklebt und schließlich zu einem 1,10 Meter langen Balken verpresst werden.

Höhere Belastbarkeit als Vollholzbalken

Als Kleber diente den Forschenden anfangs Knochenleim. Denn der Anspruch ist, auch diese Komponente aus biologischem Material herzustellen. Obwohl mit Knochenleim gute Ergebnisse erzielt wurden und selbst die Belastungstests im Labor den Forschenden zufolge „besser als die von Konstruktionsvollholz“ waren, wurde letztlich als Kleber Epoxidharz verwendet. Der Grund: Knochenleim ist nicht wasserfest und damit für den Baubereich ungeeignet.

Suche nach Biokleber geht weiter

Für die Forschenden geht damit die Suche nach einem geeigneten Biokleber für die aus Miscanthus hergestellte Balkenkonstruktion weiter. Darüber hinaus sind die Siegener Forschenden dabei, gemeinsam mit der RWTH Aachen und der Alanus Hochschule Verbindungselemente für die Schilf-Balken zu entwickeln und damit den nachwachsenden Rohstoff als Baumaterial weiter voranzutreiben.

Miscanthus is a popular ornamental grass in the garden. However, the perennial and fast-growing plant is also becoming increasingly popular as a raw material - for the production of cellulose for the paper industry or sugar for bioplastics production, for example. The construction industry has also discovered the potential of miscanthus and sees it as an alternative to wood as a raw material. Researchers at the University of Siegen and their partners have now succeeded in producing a beam from the so-called giant Chinese reed that can compete with its solid wood counterpart in terms of strength.

Beam construction made from Chinese reed

The fast-growing grass is already being used as an insulating material. In order to produce a beam from the plant material that meets the high demands for beam construction, the team had to overcome a number of hurdles. “Initially, the main challenge was to join the reed leaves, which have an extremely smooth surface, together,” reports Mathias Wirths from the University of Siegen. With the help of a special machine called “Miscanthus-Biber” (engl. "miscanthus beaver") developed by students, the reed leaves were roughened, glued and finally pressed together to form a 1.10-metre-long beam.

Higher load-bearing capacity than solid wood beams

Initially, the researchers used bone glue as an adhesive. The aim is to produce this component from biological material as well. Although good results were achieved with bone glue and even the load tests in the laboratory were “better than those of solid structural timber” according to the researchers, epoxy resin was ultimately used as the adhesive. The reason: bone glue is not waterproof and therefore unsuitable for use in construction.

The search for bio-glue continues

For the researchers, the search for a suitable bio-glue for the beam construction made from miscanthus continues. In addition, the Siegen researchers are working with RWTH Aachen University and Alanus University to develop connecting elements for the reed beams and thus further promote the renewable raw material as a building material.

Wasser ist ein kostbares Gut und sorgt nicht selten für Nutzungskonflikte. Schon heute kommt es aufgrund von Hitze und Dürre auch in einigen Regionen Deutschland zu Wasserknappheit. Die Landwirtschaft als Haupternährungsproduzent verursacht Fachleuten zufolge allein 70 % des globalen Wasserverbrauchs und ist damit besonders auf Anbaumethoden angewiesen, die mit wenig Wasser auch künftig die Ernährung sichern. Im Rahmen des Projektes „HypoWave+“ haben Partner aus Forschung und Wirtschaft in den vergangenen Jahren ein besonders wasserschonendes Verfahren für den hydroponischen Gemüseanbau entwickelt. Zur Bewässerung und Nährstoffversorgung der Pflanzen wird hier recyceltes Abwasser aus Kläranlagen verwendet.

Praxistest für hydroponischen Gemüseanbau

Nun kommt diese effiziente Anbaumethode erstmals in einem landwirtschaftlichen Betrieb im niedersächsischen Landkreis Gifhorn unter realen Bedingungen zum Einsatz. Die erste großtechnische Umsetzung des HypoWave-Systems erfolgt in einem 1.600 Quadratmeter großen Gewächshaus der IseBauern GmbH & Co. KG in Wahrenholz, das sich in unmittelbarer Nähe zu einem Klärteich des Wasserverbands Gifhorn befindet. Das Abwasser wird den Forschenden zufolge in einem mehrstufigen Verfahren mit Mikrosieb, neuartigem Aktivkohlebiofilter, Sandfilter und einem UV-Reaktor qualitativ hochwertig aufbereitet, wobei das überschüssige und gereinigte Wasser wieder in die Klärteiche zurückfließt.

Chance für die Forschung

„Die Inbetriebnahme des bislang größten Reallabors dieser Art durch die IseBauern und die Kooperation mit dem kommunalen Wasserverband Gifhorn ist für die Forschung eine außerordentliche Chance“, sagt Projektkoordinatorin Martina Winker vom Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE). „Wir können die Entwicklung des HypoWave-Systems mit all seinen wissenschaftlich-technischen wie auch sozialen Innovationen vom Pilotprojekt bis zur Marktreife wissenschaftlich begleiten und uns intensiv mit Fragen des Qualitätsmanagements, der Vermarktung sowie der Kooperation der beteiligten Akteure beschäftigen.“

Hochwertiges und nährstoffreiches Wasser

Das HypoWave-System ist eine Alternative zur herkömmlichen Bewässerung mit Trink- und Grundwasser, da kommunales Abwasser aufbereitet und zur Bewässerung genutzt wird. Gleichzeitig werden die Pflanzen auch optimal mit Nährstoffen versorgt. „Den Pflanzen werden wichtige Stoffe wie Stickstoff und Phosphor direkt aus dem aufbereiteten Wasser zugeführt. Die Wasserqualität ist besonders hochwertig, da sie nährstoffreich und frei von Schadstoffen und pathogenen Keimen ist“, erklärt HypoWave+-Projektleiter Thomas Dockhorn von der Technischen Universität Braunschweig.

Derzeit nutzt die IseBauern GmbH das HypoWave-System zum Anbau von Tomaten. Im ersten Jahr wird das aufbereitete Klärwasser demnach bei nur zwei der insgesamt 15 Anbaulinien eingesetzt. Den Forschenden zufolge kann künftig aber auch das gesamte Gewächshaus mit dem HypoWave-Wasser versorgt werden. Dann könnten jährlich bis zu 11.000 Kilogramm Tomaten geerntet werden.

Investition in die Zukunft

„Wir verstehen den Anbauversuch als Investition in die Zukunft und als Anpassungsmaßnahme an den Klimawandel“, sagt Stefan Pieper von der IseBauern GmbH. „Wir können uns durch das HypoWave-System von saisonaler Wasserknappheit unabhängig machen und die Ernten vor Wetterextremen sichern.“

Von dem HypoWave-System können den Forschenden zufolge nicht nur landwirtschaftliche Betriebe profitieren. Auch für kommunale Betreiber von Anlagen zur Abwasserbehandlung, die ihre Klärteiche für die Wasserwiederverwendung zur Verfügung stellen wollen, sei das eine zukunftsfähige Methode. „Die Anbauweise in einem Gewächshaus mit gereinigtem Abwasser in Nachbarschaft zu unseren Teichen ist völlig neu für uns, erweist sich aber schon jetzt als Win-Win-Situation für Landwirtschaft und kommunale Wasserunternehmen“, sagt Christian Lampe, Geschäftsführer des Wasserverbandes Gifhorn. „Wir erhoffen uns auch Impulse für die verstärkte Nutzung in der konventionellen Beregnung.“

Das Verbundprojekt „HypoWave+ – Implementierung eines hydroponischen Systems als nachhaltige Innovation zur ressourceneffizienten landwirtschaftlichen Wasserwiederverwendung“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „Wassertechnologien: Wasserwiederverwendung“ innerhalb des Bundesprogramms „Wasser: N“ mit 2,8 Mio. Euro gefördert. Wasser: N ist Teil der BMBF-Strategie „Forschung für Nachhaltigkeit“ (FONA).

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