Aktuelle Veranstaltungen

Anfang September fiel der Startschuss für die nunmehr sechste Runde des Start-up-Wettbewerbs „PlanB – Biobasiert.Business.Bayern.“ Seit 2014 werden hier die besten biobasierten Geschäftsideen gesucht und ausgezeichnet. 180 Start-ups aus Deutschland, aber auch aus EU- und Nicht-EU-Staaten haben im Laufe der vergangenen Jahre daran teilgenommen. Nun können sich erneut Start-ups und Bio-Entrepreneure mit ihren Lösungen für eine nachhaltigere und biobasierte Wirtschaft um eine Förderung bewerben.

Nachhaltige Alternative zu fossilen Rohstoffen oder Energieträgern 

Teilnehmen können nicht nur Gründungswillige, sondern auch Start-ups, die sich vor weniger als fünf Jahren etabliert haben. Das betrifft sowohl Einzel-Entrepreneure, Entwicklerinnen und Entwickler als auch Teams. Entscheidend ist die Geschäftsidee. Sie muss sich eindeutig in die Bioökonomie-Wertschöpfungskette einordnen lassen. Dazu gehören Verfahren, Produkte und Dienstleistungen, die eine nachhaltige Alternative zu fossilen Rohstoffen oder Energieträgern bieten.

Bewerbungsfrist endet Ende November

Interessierte können sich ab sofort mit ihren Ideen durch das Ausfüllen eines Online-Formulars und das Hochladen eines Read Decks um eine Teilnahme beim Gründerwettbewerb PlanB bewerben. Die Bewerbungsfrist endet am 29. November 2024. Eine Jury wird die Ideen bewerten und die Besten für das Finale im April 2025 auswählen. Hier erhalten die Teams die Chance, ihre innovativen Ideen bei einem Pitch vor Vertretern aus Wirtschaft, Politik und Finanzwelt vorzustellen und um den Sieg zu wetteifern.

Wo Straßen und Häuser statt Grünflächen und Wasser dominieren, kann es im Sommer mitunter unerträglich heiß werden. Lösungen sind gefragt, weil Forschende infolge des Klimawandels eine Zunahme der Hitzeperioden prognostizieren. Ein effektiver Hitzeschutz können Schwammstädte sein. Auf dem ehemaligen Gelände des Flughafens Tegel wollen Forschende der Technischen Universität (TU) Berlin ein solches Schwammstadt-Quartier konzipieren. Im August wurde nun mit der Bepflanzung von insgesamt sechs sogenannten Verdunstungsbeeten begonnen.

Verdunstungsbeete speichern Regenwasser

Verdunstungsbeete sind ein wesentlicher Eckpfeiler des Wassermanagements in einer Schwammstadt. Das Prinzip: Regenwasser soll nicht mehr abfließen. Stattdessen soll der Boden das Wasser wie ein Schwamm aufsaugen und speichern, damit es gezielt in Bäume, Wiesen und andere Grünflächen fließen kann. Durch die Schaffung von Versickerungs- und Verdunstungsräumen wie Beete und Mulden wird das Regenwasser im natürlichen Kreislauf gehalten und fließt nicht wie sonst üblich in die Kanalisation.

Versuchsanlage mit heimischen und nicht heimischen Pflanzen

Doch dazu braucht es geeignete klimaresiliente Pflanzen, die mit Hitze, Trockenheit und Starkregen zurechtkommen. Auf der Versuchsanlage auf dem ehemaligen Flughafengelände in Berlin-Tegel werden daher verschiedene heimische und nicht heimische Stauden, Gräser und Kleinsträucher getestet. Sie sollen an heißen Tagen nicht nur die unmittelbare Umgebungsluft kühlen, sondern auch die Biodiversität in der Stadt fördern.

„Ich habe mir vor allem die Vegetation in Gräben entlang von Wiesen und Weiden sowie die Pfeifengraswiesen angeschaut und dort nach Pflanzen gesucht, die zum einen an gut mit Wasser versorgten, nährstoffreichen und im Fall der Pfeifengraswiesen an eher wechseltrockenen und mageren Standorten vorkommen. Insbesondere die Hochstauden der Grabenvegetation entwickeln viel Blattmasse und verdunsten dadurch potenziell viel Wasser“, erklärt Leonard Heß, wissenschaftlicher Mitarbeiter im TU-Fachgebiet Vegetationstechnik und Pflanzenverwendung und Leiter des Projektes.

Angepflanzt wurden das Hohe Pfeifengras, das Zottige Silberglöckchen, die Balkan-Wolfsmilch, das Hohe und das Kleine Mädesüß, der Gefleckte Wasserdost, die Dreimasterblume und der Färberginster. Dabei wurden drei Verdunstungsbeete mit jenen Arten bepflanzt, die es feucht und nährstoffreich brauchen, die drei anderen mit Gewächsen, die einen trockenen Standort bevorzugen.

Pflanzenanbau auf verschiedenen Böden getestet

Neben der Auswahl geeigneter Pflanzen für das Schwammstadt-Quartier wurden 13 Meter lange und 4,5 Meter breite Mulden angelegt und jeweils mit einer Teichfolie ausgelegt, damit das Wasser nicht im Boden versickert und die Pflanzen möglichst viel Wasser verdunsten können. Eine Drainageschicht auf den Mulden schützt die Pflanzenwurzeln zudem vor Staunässe. Gleichzeitig wird der Anbau der verschiedenen Gewächse nicht nur auf herkömmlichen Böden getestet, sondern auch auf Flächen, die mit Pflanzenkohle angereichert sind. „Dadurch kann er mehr Wasser speichern, und in Trockenperioden steht den Pflanzen länger Wasser zur Verfügung“, erklärt Heß. Abschließend wurde der Boden noch mit einer Schicht aus mineralischem Mulch versehen, um zu verhindern, dass sich in den Beeten unerwünschte Pflanzen einnisten.

Im Rahmen des Projektes wird nun untersucht, welche Vegetationsmischungen in den jeweiligen Verdunstungsbeeten auf den verschiedenen Böden am besten mit dem städtischen Umfeld zurechtkommen.

Blaupause für Planung künftiger Schwammstadt-Quartiere in Berlin

Ziel des Vorhabens ist, dass das Tegeler Schwammstadt-Konzept anderen Berliner Stadtbezirken zukünftig beim Planen, Bauen und Umrüsten künftiger klimaresilienter Quartiere als Blaupause dient. „Ein Vorbild für eine solche Versuchsanlage gibt es in Deutschland nicht. Das ist schon ein Novum“, sagt Norbert Kühn, Leiter des Fachgebietes Vegetationstechnik und Pflanzenverwendung an der TU Berlin.

An dem interdisziplinären Forschungsprojekt „Optimierung der Vegetation von Verdunstungsbeeten und ihrer Wasserbilanzen“ sind neben der TU Berlin, die Tegel Projekt GmbH, die Berliner Hochschule für Technik und die Berliner Wasserbetriebe beteiligt. Das Vorhaben, das bis Ende 2027 läuft, wird von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert.

bb

Where streets and houses dominate instead of green spaces and water, it can sometimes become unbearably hot in summer. Solutions are needed because researchers are predicting an increase in heat waves as a result of climate change. Sponge cities can provide effective heat protection. Researchers at the Technische Universität (TU) Berlin want to design such a sponge city neighbourhood on the former site of Tegel Airport. In August, work began on planting a total of six so-called evaporation beds.

Evaporation beds store rainwater

Evaporation beds are an essential cornerstone of water management in a sponge city. The principle: rainwater should no longer run off. Instead, the soil should soak up the water like a sponge and store it so that it can flow into trees, meadows and other green spaces. By creating infiltration and evaporation areas such as flower beds and troughs, the rainwater is kept in the natural cycle and does not flow into the sewage system as is usually the case.

Experimental plant with native and non-native plants

However, this requires suitable climate-resilient plants that can cope with heat, drought and heavy rainfall. Various native and non-native perennials, grasses and small shrubs are therefore being tested at the trial site on the former airport grounds in Berlin-Tegel. They are intended not only to cool the immediate ambient air on hot days, but also to promote biodiversity in the city.

‘I mainly looked at the vegetation in ditches along meadows and pastures as well as the moor grass meadows and searched for plants that occur in well-watered, nutrient-rich locations and, in the case of the moor grass meadows, in rather alternately dry and poor locations. The tall perennials of the ditch vegetation in particular develop a lot of leaf mass and therefore potentially evaporate a lot of water,’ explains Leonard Heß, research assistant in the TU's Vegetation Technology and Plant Utilisation department and head of the project.

The tall pipe grass, shaggy silverbell, Balkan spurge, tall and small meadowsweet, spotted watercress, three-master flower and dyer's broom were planted. Three evaporation beds were planted with species that require a moist and nutrient-rich environment, while the other three were planted with plants that prefer a dry location.

Plant cultivation tested on different soils

In addition to selecting suitable plants for the Schwammstadt quarter, 13 metre long and 4.5 metre wide troughs were created and each covered with a pond liner so that the water does not seep into the ground and the plants can evaporate as much water as possible. A drainage layer on the troughs also protects the plant roots from waterlogging. At the same time, the cultivation of the various plants is not only being tested on conventional soils, but also on areas enriched with biochar. ‘This allows it to store more water, and the plants have access to water for longer during dry periods,’ explains Heß. Finally, the soil was covered with a layer of mineral mulch to prevent unwanted plants from establishing themselves in the beds.

The project is now investigating which vegetation mixtures in the respective evaporation beds on the different soils cope best with the urban environment.

Blueprint for planning future sponge city neighbourhoods in Berlin

The aim of the project is for the Tegel sponge city concept to serve as a blueprint for other Berlin boroughs when planning, building and converting future climate-resilient neighbourhoods. ‘There is no role model for such a test centre in Germany. It's a first,’ says Norbert Kühn, Head of the Department of Vegetation Technology and Plant Utilisation at TU Berlin.

The interdisciplinary research project ‘Optimising the vegetation of evaporation beds and their water balances’ involves TU Berlin, Tegel Projekt GmbH, the Berlin University of Applied Sciences and Berliner Wasserbetriebe. The project, which will run until the end of 2027, is funded by the German Federal Environmental Foundation (DBU).

bb

Die Versorgung einer wachsenden Weltbevölkerung mit bezahlbaren Nahrungsmitteln wird durch klimabedingte Extreme wie Hitze, Trockenheit oder Starkregen zunehmend erschwert. Doch nicht nur der Klimawandel gefährdet die Ernährungssicherung. Die Düngepraxis der Landwirtschaft ist Studien zufolge mitverantwortlich dafür, dass Ökosysteme wie der Boden überdüngt sind und unter Druck geraten. Gefragt sind daher neue Lösungen für eine nachhaltige, ressourceneffiziente und anpassungsfähige Agrarproduktion.

Im Rahmen der Fördermaßnahme „Agrarsysteme der Zukunft“ fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) seit 2019 die Entwicklung innovativer Agrarsysteme wie das NOcsPS-System. Das von der Universität Hohenheim koordinierte Verbundvorhaben „Nachhaltigere Landwirtschaft 4.0 Ohne chemisch‐synthetischen PflanzenSchutz-NOcsPS“ zielt darauf ab, nachhaltigere Anbausysteme zu entwickeln, ohne die Ertragsleistung signifikant zu beeinträchtigen.

Vorteile von ökologischem und konventionellem Anbau kombinieren

„Die NOcsPS‐Anbausysteme stellen eine komplette Neuorientierung in der landwirtschaftlichen Produktion dar. Sie versuchen, die Vorteile von konventioneller und ökologischer Landwirtschaft zu vereinen und gleichzeitig deren jeweiligen Nachteile zu minimieren“, erklärt der Sprecher des Forschungsprojektes Enno Bahrs von der Universität Hohenheim.

Konkret heißt das: Beim NOcsPS-System wird auf chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel (csPS) verzichtet, aber Mineraldünger eingesetzt. An dem Projekt beteiligen sich neben der Universität Hohenheim auch das Julius Kühn-Institut (JKI) und die Universität Göttingen. Das Vorhaben wird vom BMBF mit rund 5,3 Mio. Euro unterstützt.

Im Rahmen großangelegter Feldversuche an der Universität Hohenheim in Baden-Württemberg und beim JKI in Dahnsdorf, Brandenburg, verglichen die Forschenden verschiedene NOcsPS-Anbausysteme mit konventionellen und ökologischen Systemen. Nun liegen erste vielversprechende Ergebnisse vor: Demnach haben diese Anbausysteme tatsächlich ein hohes Potenzial, die Landwirtschaft widerstandsfähiger und nachhaltiger zu machen.

Neues Anbausystem erzielt gute Erträge

Den Forschenden zufolge bringen NOcsPS-Systeme zwar geringere Erträge als konventionelle Methoden. Doch auch ohne chemisch-synthetische Pflanzenschutzmittel können „gute Erträge und Produktqualität“ erreicht werden, heißt es. Vor allem aber seien NOcsPS-Systeme umweltfreundlicher und könnten die Biodiversität fördern, was sich konkret an der Vielfalt der Insekten gezeigt habe, berichten die Forschenden.

Supplying a growing world population with affordable food is becoming increasingly difficult due to climate-related extremes such as heat, drought or heavy rainfall. But climate change is not the only factor jeopardising food security. According to studies, agricultural fertilisation practices are partly responsible for the fact that ecosystems such as the soil are over-fertilised and under pressure. New solutions are therefore needed for sustainable, resource-efficient and adaptable agricultural production.

As part of the ‘Agricultural Systems of the Future’ funding programme, the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) has been supporting the development of innovative agricultural systems such as the NOcsPS system since 2019. The joint project ‘More sustainable agriculture 4.0 without chemical-synthetic plant protection NOcsPS’, coordinated by the University of Hohenheim, aims to develop more sustainable cultivation systems without significantly impairing yield performance.

Combining the advantages of organic and conventional cultivation

‘The NOcsPS cultivation systems represent a complete reorientation in agricultural production. They attempt to combine the advantages of conventional and organic farming while minimising their respective disadvantages,’ explains research project spokesperson Enno Bahrs from the University of Hohenheim.

In concrete terms, this means that the NOcsPS system does not use chemical synthetic plant protection products (csPS), but does use mineral fertilisers. In addition to the University of Hohenheim, the Julius Kühn Institute (JKI) and the University of Göttingen are also involved in the project. The project is being funded by the BMBF with around 5.3 million euros.

As part of large-scale field trials at the University of Hohenheim in Baden-Württemberg and at the JKI in Dahnsdorf, Brandenburg, the researchers compared various NOcsPS cultivation systems with conventional and organic systems. The first promising results are now available: According to them, these cultivation systems actually have a high potential to make agriculture more resilient and sustainable.

New cultivation system achieves good yields

According to the researchers, NOcsPS systems produce lower yields than conventional methods. However, ‘good yields and product quality’ can also be achieved without synthetic chemical pesticides, they say. Above all, however, NOcsPS systems are more environmentally friendly and can promote biodiversity, as demonstrated by the diversity of insects, the researchers report.

Mikroorganismen können eine Vielfalt an Stoffen erzeugen. Ihre Talente werden bereits seit Jahrhunderten genutzt – etwa zur Herstellung von Bier, Wein und Käse. Für die Biotechnologie sind Mikroben auch wichtige Werkzeuge, um etwa aus dem CO₂ neue Produkte wie biobasierte Chemikalien für die Bioökonomie herzustellen. Forschende der Universität Tübingen haben nun ein Bioreaktor-System entwickelt, in dem in zwei Schritten mithilfe eines Bakteriums und der Bäckerhefe aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Sauerstoff und unter Einsatz von grünem Strom wertvolle Nährstoffe für die Lebensmittelindustrie hergestellt werden.

Power-to-Protein-System weiterentwickelt

Dabei handelt es sich sowohl um Proteine als auch das lebenswichtige Vitamin B9 – auch als Folsäure bekannt. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Trends in Biotechnology“ berichtet, musste dafür das vorhandene Power-to-Protein-System weiterentwickelt werden. In dem ersten System kamen zwei verschiedene Mikroben nacheinander zum Einsatz, erklärt Lars Angenent aus der Umweltbiotechnologie der Universität Tübingen. „Ein Clostridium-Bakterium reduzierte Kohlendioxid mit Wasserstoff unter Luftabschluss zu Acetat, das die Bäckerhefe, ein Pilz, anschließend unter Luftzufuhr zu Proteinen umsetzten. Vom Protein allein kann sich der Mensch nicht ernähren“, sagt der Forscher, „daher wollten wir Vitamin B9 mitproduzieren.“

Für das erste System mussten die Mikroben noch mit bestimmten Vitaminen wie B9 gefüttert werden, damit es funktioniert. Das sollte vermieden werden. Für die Forschenden war wichtig, dass nicht mehr Vitamine in den Prozess eingespeist werden, als man herausbekommt.

Wärmeliebendes Bakterium produziert selbst Folsäure

Hier kam den Forschenden das wärmeliebende Bakterium Thermoanaerobacter kivui zu Hilfe, das das Clostridium-Bakterium in der ersten Stufe des Power-to-Protein-Systems ersetzte. Thermoanaerobacter kivui sei wesentlich genügsamer und könne die bei der Acetatherstellung benötigte Folsäure sogar selbst bilden, schreiben die Forschenden. Im zweiten Schritt habe dann die Bäckerhefe große Mengen an Folsäure produziert.

Bäckerhefe nutzt Acetat statt Zucker zur Folsäure-Produktion 

Bekannt ist, dass Bäckerhefe Folsäure aus Zucker herstellt. Die Experimente der Tübinger Forschenden zeigten jetzt, dass die Bäckerhefe das Vitamin auch mit der gleichen Menge Acetat als Ausgangsstoff produziert. „Da wir kein Vitamin B9 mehr zusetzen, sind wir sicher, dass es im Prozess produziert wird“, betont Angenent. Nach Angaben von Angenent würden etwa sechs Gramm der produzierten und getrockneten Hefe als tägliche Vitamin B9-Dosis für einen Menschen ausreichen.

Bei der mikrobiell hergestellten Folsäure handelt es sich den Forschenden zufolge noch nicht um ein fertiges Lebensmittel. Dafür müssen zuvor noch Stoffe aus der Hefe entfernt werden, die Gicht auslösen können. Auch existiert das Bioreaktor-System zunächst nur im Labormaßstab und muss skaliert werden, damit größere Mengen erzeugt werden können.

Grundlage für Fleischersatzprodukte

Das Tübinger Forschungsteam ist jedoch überzeugt, dass mithilfe seines neuen Systems die Grundlage zur Herstellung veganer und vegetarischer Fleischersatzprodukte geschaffen wurde und damit langfristig auch zur Sicherung der Ernährung beigetragen wird. „Der wachsenden Weltbevölkerung droht Unterernährung vor allem in Ländern, die unter Dürren leiden und deren Böden zu wenig Nährstoffe enthalten. Da könnten solche Ersatzprodukte wie die von uns erzeugten die Ernährungslage verbessern“, sagt der Forscher.

bb

Microorganisms can produce a variety of substances. Their talents have been utilised for centuries - for example in the production of beer, wine and cheese. Microbes are also important tools for biotechnology, for example to produce new products such as bio-based chemicals for the bioeconomy from CO₂. Researchers at the University of Tübingen have now developed a bioreactor system in which valuable nutrients for the food industry are produced from carbon dioxide, hydrogen and oxygen in two steps using a bacterium and baker's yeast powered by green electricity.

Power-to-protein system further developed

This involves both proteins and the vital vitamin B9 - also known as folic acid. As the team reports in the scientific journal ‘Trends in Biotechnology’, the existing power-to-protein system had to be further developed for this purpose. In the first system, two different microbes were used one after the other, explains Lars Angenent from the Environmental Biotechnology Department at the University of Tübingen. ‘A Clostridium bacterium reduced carbon dioxide with hydrogen in the absence of air to form acetate, which the baker's yeast, a fungus, then converted into proteins in the presence of air. Humans cannot live on protein alone,’ says the researcher, ’so we wanted to co-produce vitamin B9.’

For the first system to work, the microbes had to be fed with certain vitamins such as B9. This had to be avoided. It was important to the researchers that no more vitamins were fed into the process than could be extracted.

Heat-loving bacterium produces folic acid itself

The researchers were helped here by the heat-loving bacterium Thermoanaerobacter kivui, which replaced the Clostridium bacterium in the first stage of the power-to-protein system. Thermoanaerobacter kivui is much more frugal and can even produce the folic acid required for acetate production itself, the researchers write. In the second step, the baker's yeast then produced large quantities of folic acid.

Baker's yeast uses acetate instead of sugar to produce folic acid

It is known that baker's yeast produces folic acid from sugar. The experiments conducted by the Tübingen researchers have now shown that baker's yeast also produces the vitamin using the same amount of acetate as a starting material. ‘As we no longer add vitamin B9, we are certain that it is produced in the process,’ emphasises Angenent. According to Angenent, around six grams of the produced and dried yeast would be sufficient as a daily dose of vitamin B9 for a person.

According to the researchers, the microbially produced folic acid is not yet a finished food. Substances that can trigger gout must first be removed from the yeast. The bioreactor system also only exists on a laboratory scale for the time being and needs to be scaled up so that larger quantities can be produced.

Grundlage für Fleischersatzprodukte

However, the Tübingen research team is convinced that its new system has created the basis for the production of vegan and vegetarian meat substitutes and will therefore also contribute to food security in the long term. ‘The growing world population is threatened by malnutrition, especially in countries that suffer from drought and whose soils contain too few nutrients. Substitute products such as the ones we produce could improve the nutritional situation,’ says the researcher.

bb

Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) bieten viele Vorteile, doch ihr Potenzial ist bei weitem nicht ausgeschöpft. Vor allem ihr Einsatz in technischen Kunststoffbauteilen ist derzeit noch begrenzt. Im Verbundprojekt NaFiTech wollen Forschende vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt gemeinsam mit Partnern aus der Industrie eine solide Datenbasis erarbeiten, um die Perspektiven dieser vielversprechenden Materialien fundiert bewerten zu können.

Im Vergleich zu klassischen glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) haben NFK häufig niedrigere mechanische Eigenschaften und eine höhere Schwankungsbreite und sind thermisch empfindlicher. Zudem absorbieren sie Feuchtigkeit, was die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. NFK überzeugen hingegen mit einem geringeren Gewicht, einer höheren Schlagzähigkeit, mit niedriger Splitterneigung und natürlich mit ihrer biobasierten Herkunft.

Leistungsfähigkeit von NFK für breiteren Einsatz optimieren

Das Verbundprojekt NaFiTech zielt darauf ab, die Herausforderungen, Grenzen und Potenziale der naturfaserverstärkten Kunststoffe vor allem für technische Bauteile zu analysieren. Gemeinsam mit Industriepartner wollen die Fraunhofer-Forschenden Wege finden, um die Leistungsfähigkeit dieser nachhaltigen Materialien zu optimieren und so ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.

Dabei kann das Projektteam auf die Erkenntnisse der Darmstädter Forschenden zu NFK zurückgreifen. Denn in vergangenen Projekten wurden bereits die Möglichkeiten für eine Faservorbehandlung erarbeitet, um den Einfluss der Feuchtigkeit auf diese biobasierten Materialien zu regulieren, sowie Methoden zur Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften in der Bauteilauslegung entwickelt.

Im Fokus des zweijährigen Vorhabens steht nun die Untersuchung verschiedener Naturfasern, Matrixmaterialien und Verarbeitungsmethoden, um die bestmöglichen Kombinationen für unterschiedliche Anwendungen zu identifizieren.

Industriepartner gesucht

NaFiTech wurde vom Fraunhofer LBF initiiert und soll im Januar 2025 starten. Für das auf zwei Jahre angelegte Projekt werden noch Partner aus der Industrie gesucht. Weitere Informationen gibt auf der Webseite des Verbundvorhabens NaFiTech.

bb

Für die Landwirtschaft sind die Folgen des Klimawandels vielerorts schon heute spürbar. Ernteverluste durch Wetterextreme und Schädlingsbefall haben in den vergangenen Jahren zugenommen. Zugleich steht die Landwirtschaft unter Druck, den Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln zu reduzieren und die CO₂-Emissionen zu senken. Doch wie können Umwelt und Klima geschont werden, ohne dass der Ertrag darunter leidet? Auf dem Weg zu einer „klimaoptimierten landwirtschaftlichen Produktion“ hat sich die Agrarsparte der BASF (Agricultural Solutions) das Ziel gesteckt, Lösungen zu entwickeln, die CO₂-Emissionen pro Tonne Ernteertrag bis zu 30 % reduzieren und gleichzeitig Qualität und Ertrag sichern können.

CO₂-Reduktion bedarf maßgeschneiderter Lösungen

Dazu wurden 2021 eine mehrjährige Feldversuchsreihe gestartet – die Global Carbon Field Trials. Erste Ergebnisse aus den Jahren 2021 bis 2023 werden nun im Report Global Carbon Field Trials präsentiert. Die Feldversuche fanden in verschiedenen Ländern, darunter in Deutschland, Spanien, Italien und Kanada statt und wurden mit den wichtigsten Kulturen wie Weizen, Mais, Raps, Reis und Soja durchgeführt. Das Fazit: Ein Patentrezept gibt es nicht. Den Autoren zufolge bedarf es vielmehr maßgeschneiderter Lösungen, um die Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft zu reduzieren.

„Der Klimawandel findet bereits jetzt statt. Die landwirtschaftlichen Methoden müssen angepasst werden, um die Emissionen sinnvoll zu reduzieren, ohne den Ertrag zu beeinträchtigen“, sagte Marko Grozdanovic, Senior Vice President Globales Marketing bei BASF Agricultural Solutions.

Treibhausgaseinsparungen von 30 % sind möglich

Maßgeschneiderte Lösungen in Form einer Kombination aus Maßnahmen, Produkten und Technologien sind dem Report zufolge erforderlich, um die Klimabilanz im Ackerbau zu verbessern. „Die Ergebnisse zeigen, dass sich Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft um bis zu 30 % reduzieren lassen, verglichen mit herkömmlichen landwirtschaftlichen Ansätzen“, heißt es in dem Report. Ein besonders erfolgreicher Ansatz zur CO₂-Reduktion war beispielsweise „der optimierte Einsatz von Düngemitteln mit digitalen Technologien und Stickstoffstabilisatoren sowie leistungsstarke Saatgutsorten“.

BASF setzt Agrarversuche fort

In dem Report werden auch die Hausforderungen aufgezeigt, vor denen Landwirtinnen und Landwirte bei der Reduzierung von Treibhausgasemissionen stehen. Genannt werden „ungünstige Witterungsbedingungen oder Methoden, die zwar Emissionen reduzieren, sich aber negativ auf den Ertrag auswirken“. „Ich bin überzeugt: Wenn man Landwirtschaft liebt, muss man sich für Nachhaltigkeit einsetzen. Das tun wir. Die Erkenntnisse, die wir aus unseren Feldversuchen gewinnen, fließen in unser Global Carbon Farming Programm ein. So können wir Landwirte unterstützen, Vorreiter für positive Veränderungen in Bezug auf Klima und Natur zu sein“, sagt Grozdanovic.

Die BASF wird ihre Feldversuche zur CO₂-Reduktion im Rahmen ihrer Global Carbon Farming Trials fortsetzen, um gemeinsam mit Partnern praktische und wissenschaftlich fundierte Lösungen für die Landwirtschaft zu finden.

bb

In many places, the consequences of climate change are already being felt in agriculture. Crop losses due to extreme weather conditions and pest infestations have increased in recent years. At the same time, agriculture is under pressure to reduce the use of fertilisers and pesticides and cut CO₂ emissions. But how can the environment and climate be protected without jeopardising yields? On the road to ‘climate-optimised agricultural production’, BASF's Agricultural Solutions division has set itself the goal of developing solutions that can reduce CO₂ emissions per tonne of crop yield by up to 30% while ensuring quality and yield.

CO₂ reduction requires customised solutions

To this end, a multi-year series of field trials were launched in 2021 - the Global Carbon Field Trials. Initial results from the years 2021 to 2023 are now presented in the Global Carbon Field Trials report. The field trials took place in various countries, including Germany, Spain, Italy and Canada, and were conducted with the most important crops such as wheat, maize, rapeseed, rice and soya. The conclusion: there is no patent remedy. According to the authors, customised solutions are needed to reduce greenhouse gas emissions in agriculture.

‘Climate change is already happening. Agricultural practices need to be adapted to meaningfully reduce emissions without compromising yield,’ said Marko Grozdanovic, Senior Vice President Global Marketing at BASF Agricultural Solutions.

Greenhouse gas savings of 30% are possible

According to the report, customised solutions in the form of a combination of measures, products and technologies are required to improve the carbon footprint of arable farming. ‘The results show that greenhouse gas emissions in agriculture can be reduced by up to 30% compared to conventional agricultural approaches,’ the report states. One particularly successful approach to CO₂ reduction, for example, was ‘the optimised use of fertilisers with digital technologies and nitrogen stabilisers as well as high-performance seed varieties’.

BASF continues agricultural trials

The report also highlights the challenges farmers face in reducing greenhouse gas emissions. It mentions ‘unfavourable weather conditions or methods that reduce emissions but have a negative impact on yields’. ‘I am convinced that if you love agriculture, you have to be committed to sustainability. That's what we do. The knowledge we gain from our field trials is incorporated into our Global Carbon Farming Programme. In this way, we can support farmers to be pioneers for positive changes in terms of climate and nature,’ says Grozdanovic.

BASF will continue its field trials on CO₂ reduction as part of its Global Carbon Farming Trials in order to collaborate with partners to find practical and scientifically sound solutions for agriculture.

bb

Ob Lachs, Forelle oder Muscheln: Fisch und Meerestiere gelten als gesunde Kost und werden immer beliebter. Um die wachsende Nachfrage zu bedienen, werden viele Fischarten heutzutage in Aquakulturanlagen gezüchtet. Doch auch Fisch aus Aquakultur ist nicht immer nachhaltig und umweltgerecht, weil Nahrungsreste, Fischkot und Antibiotika in Flüsse und Meere gelangen können. Am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) sind Forschende daher auf der Suche nach Futtermitteln, die Aquakultur und Aquaponik nachhaltiger machen.

Die Arbeit der Forschenden zielt darauf ab, die Ernährung der Fische in der Aufzucht zu optimieren und damit gleichzeitig die Umwelt zu schonen. „Wenn wir darüber nachdenken, wie wir die menschliche Ernährung nachhaltiger gestalten wollen, müssen wir auch bei der Fütterung unserer Nutztiere ansetzen“, sagt Werner Kloas, der am IGB die Aquakulturforschung leitet.

Die richtige Ernährung ist demnach nicht nur für die Gesundheit des Menschen wichtig. Auch bei der Fischzucht ist entscheidend, wie das Futter zusammengesetzt ist, da es maßgeblich die Gesundheit, das Wachstum und die Fortpflanzung der Tiere beeinflusst. Doch die Zusammensetzung von Fischfutter ist je nach Haltungsform unterschiedlich. Mit Blick auf Aquakulturen in offenen Gewässern ist es wichtig, dass so wenige Nährstoffe wie möglich von den Fischen ausgeschieden werden, um eine Überdüngung der Gewässer zu vermeiden. In aquaponischen Systemen, in denen Fisch- und Pflanzenzucht kombiniert werden, sind hingegen Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat und Kalium im Prozesswasser erwünscht, weil sie zur Aufzucht der Pflanzen dienen und die Zugabe weiterer Dünger minimieren sollen.

Nachhaltiges und gesundes Fischfutter für die Aquaponik

„In der Aquaponik entspricht die Nährstoffzusammensetzung im Haltungswasser bestenfalls dem Bedarf der Pflanzen. Herkömmliche Fischfutter haben jedoch oft nicht das ideale Nährstoffprofil für die Pflanzen und unterliegen bestimmten Einschränkungen in der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe, um dem Ziel einer geringen Abwasserbelastung gerecht zu werden. Hier bietet sich die Chance, Fischfutter für die Aquaponik gezielter zu gestalten“, erklärt Christopher Shaw, der im Projekt CUBES Circle zur umweltfreundlichen Fischernährung in der Aquaponik forscht.

Die Forschungsanlage CUBES Circle auf dem Dahlemer Campus der Humboldt-Universität zu Berlin in der Lentzeallee ist weltweit einmalig. Hier soll die Produktion von Lebensmitteln über drei verschiedene Stufen der Nahrungskette, konkret der Pflanzen, Fische und Insekten, erprobt werden.

Auch pflanzliche Proteine tun Fischen gut

Shaw hat im Rahmen einer Studie untersuchte, wie tierische Proteine im Fischfutter des Afrikanischen Raubwels durch pflanzliche Proteine ersetzt werden können und ob die Wahl der Proteinquelle das Profil der gelösten Nährstoffe im Haltungswasser beeinflusst. Wie das Team im Fachmagazin Aquaculture berichtet, hatte eine um bis zu 50-prozentige Reduzierung des tierischen Proteins im Futter keine negativen Auswirkungen auf den Biomassezuwachs, die Futterverwertung und die Proteineffizienz beim Afrikanischen Raubwels.

Ein höherer Anteil tierischer Proteine im Futter habe allerdings zu höheren Phosphatkonzentrationen im Wasser geführt, während ein steigender Anteil pflanzlicher Proteinquellen zu höheren Kaliumkonzentrationen im Wasser führte. „Dies zeigt, dass durch die Wahl der Proteinquellen im Futter die Zusammensetzung wichtiger gelöster Pflanzennährstoffe im Wasser beeinflusst werden kann, ohne dass die Wachstumsleistung der Fische beeinträchtigt wird. Spezielle Futtermittel zur Reduzierung des Mineraldüngerbedarfs in der Aquaponik bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Produktivität auf Seiten der Fischzucht sind also realisierbar“, sagt Shaw.

Insektenmehl als Fischfutter vielversprechend

Auch umweltfreundlichere tierische Proteinquellen wie Larvenmehl der Schwarzen Soldatenfliege und Nebenprodukte der Fleisch- und Fischverarbeitungsindustrie wurden als Fischfutter für die Aquaponik getestet. Hier zeigte sich, dass auch phosphorreiche Proteinquellen aus tierischen Nebenprodukten wie Geflügel- und Welsmehl sehr gut geeignet sind. Den Forschenden zufolge verbesserte sich durch die phosphathaltigen Ausscheidungen „das Verhältnis von Phosphat zu Nitrat im Haltungswasser der Fische zugunsten der Bedürfnisse der Pflanzenzucht“, aber auch das Wachstum und die Futterverwertung des Afrikanischen Raubwelses.

Auch die Pflanzen profitierten im Aquaponik-System demnach von dem neuen Fischfutter. So führte die Fütterung mit Insektenmehl beim Buntbarsch Nil-Tilapien einerseits zu hohen Konzentrationen an Kalium, Magnesium und Mikronährstoffen, andererseits konnten höhere Erntemengen bei Basilikum und Salat im Vergleich zur Fütterung mit marinem Fischmehl als Hauptproteinquelle registriert werden. „Aus pflanzenbaulicher Sicht ist ein solches Larvenmehl als Proteinquelle im Fischfutter für die Aquaponik daher vielversprechend, sofern die Nahrungsgrundlage der Larven ebenfalls reich an den entsprechenden Nährstoffen ist“, schreiben die Forschenden.

bb

Kartoffeln, Mais und Co. werden heutzutage auf weitläufigen Feldern angepflanzt, damit Landmaschinen das Areal bearbeiten können – selbst an Standorten, wo Nutzpflanzen keine optimalen Wachstumsbedingungen vorfinden. In solchen Fällen kommen meist Dünger und Pflanzenschutzmittel zum Einsatz, um den Nachteil wettzumachen und gute Erträge zu erzielen. Doch diese gängige Anbaumethode stößt zunehmend an ihre Grenzen. Eine Alternative könnte das Konzept des sogenannten Spot Farming sein.

Spot Farming – ein Konzept für die Zukunft

„Ziel des Spot Farming ist es, unterschiedliche Pflanzen dort anzubauen, wo sie jeweils optimale Wachstumsbedingungen vorfinden. Damit werden sie resilienter, ertragreicher und wir schützen unsere Umwelt“, erklärt Jens Wegener vom Julius Kühn-Institut, der die Methode des Spot Farming mitentwickelt hat. Bei dieser Methode wird der Anbau der Pflanzen demnach nicht wie bisher an der Schlagkraft der Landmaschinen ausgerichtet. Hier muss sich die Technik dem Pflanzenanbau anpassen. Das Prinzip: Teile des Feldes werden jeweils unterschiedlich bepflanzt. Um die kleinen Flächen – die sogenannten Spots – zu bewirtschaften, werden auch kleine Maschinen und Roboter benötigt.

Noch ist diese Anbaumethode nur eine Idee und findet in der Praxis keine Anwendung. Im Projekt „Zukunftslabor Agrar“ (ZLA) haben Forschende vom IGB gemeinsam mit Partnern dieses Konzept nun genauer unter die Lupe genauer. Daran beteiligt sind neben dem IGB, das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), die Universität Osnabrück, die Hochschule Osnabrück, die Georg-August-Universität Göttingen, die Technische Universität Braunschweig, das Thünen-Institut und die Universität Vechta. Das Vorhaben wird im Rahmen des Zentrums für Digitale Innovationen Niedersachsen (ZDIN) vom Land mit 3,7 Mio. Euro gefördert.

Auf dem Weg zur Realisierung

„Im ZLA sind wir auf dem Weg hin zur Realisierung von Spot Farming eklatante Schritte weitergekommen“, berichtet Jens Wegener. Unter anderem entwickelten Forschende am IGB eine agrarwissenschaftliche Methode, um die unterschiedlichen Wachstumsbedingungen der Spots in einem Feld zu identifizieren. Dafür wurden frei zugängliche Geodaten genutzt. Auf dieser Grundlage entstand gemeinsam mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) ein Tool, mit dem automatisiert Feldkarten mit Spots erstellt werden, die mit Robotern bewirtschaftet werden können. Forschende der TU Braunschweig konstruierten wiederum den physischen Prototyp einer Universalsämaschine, die die Saat in idealen Abständen für das Wachstum der Pflanzen in die Erde einbringt und an einem Roboter befestigt wird.

Nowadays, potatoes, maize and other crops are planted in extensive fields so that agricultural machinery can work the land - even in locations where crops do not have optimal growing conditions. In such cases, fertilisers and pesticides are usually used to compensate for the disadvantage and achieve good yields. However, this common cultivation method is increasingly reaching its limits. An alternative could be the concept of spot farming.

Spot farming - a concept for the future

‘The aim of spot farming is to cultivate different plants where they have the best growing conditions. This makes them more resilient, higher-yielding and protects our environment,’ explains Jens Wegener from the Julius Kühn Institute, who helped develop the spot farming method. With this method, plants are not cultivated according to the power of the agricultural machinery, as was previously the case. Instead, the technology has to adapt to the crop cultivation. The principle: parts of the field are planted differently. To cultivate the small areas - the so-called spots - small machines and robots are also required.

This cultivation method is still just an idea and is not yet being used in practice. In the ‘Future Lab Agriculture’ (ZLA) project, researchers from IGB and partners have now scrutinised this concept more closely. In addition to IGB, the German Research Centre for Artificial Intelligence (DFKI), the University of Osnabrück, Osnabrück University of Applied Sciences, the Georg August University of Göttingen, the Technical University of Braunschweig, the Thünen Institute and the University of Vechta are involved in the project. The project is being funded by the state with 3.7 million euros as part of the Centre for Digital Innovations Lower Saxony (ZDIN).

On the way to implementation

‘At the ZLA, we have made significant progress towards the realisation of spot farming,’ reports Jens Wegener. Among other things, researchers at the IGB developed an agronomic method to identify the different growing conditions of the spots in a field. Freely accessible geodata was used for this. On this basis, a tool was developed together with the German Research Centre for Artificial Intelligence (DFKI), which can be used to automatically create field maps with spots that can be cultivated with robots. Researchers at TU Braunschweig in turn constructed the physical prototype of a universal sowing machine, which places the seeds in the soil at ideal distances for the plants to grow and is attached to a robot.

Der Strukturwandel im Rheinischen Revier ist in vollem Gange. Wo derzeit noch Braunkohle abgebaut wird, entsteht eine Modellregion für nachhaltiges und biobasiertes Wirtschaften. In einem anderen Themendossier auf bioökonomie.de werden die großen Forschungskonsortien der Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier ausführlich vorgestellt (vgl. auch Infoboxen).

Der Wandel hin zu einer Bioökonomieregion lässt sich jedoch nicht nur durch Forschung erreichen. Die Transformation ist ein vielschichtiger und langfristiger Prozess, für dessen Gelingen zukunftsfähige und wirtschaftlich tragfähige Konzepte sowie das Zusammenspiel aller Akteure aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft von zentraler Bedeutung sind.

Hier setzt das Verbundprojekt Bioökonomie – Verstehen. Verbinden. Unterstützen (Bioökonomie-VVU) an. In dem Begleitforschungsprojekt wollen Forschende die Bedingungen für eine erfolgreiche Umsetzung des Strukturwandels im Rheinischen Revier untersuchen.

Das Projekt umfasst zum einen die Begleitforschung durch ein Konsortium wissenschaftlicher Institute der RWTH Aachen und der TU Dortmund, zum anderen eine Geschäftsstelle, die gemeinsam vom Institut für Technologie- und Innovationsmanagement (TIM) der RWTH Aachen und dem Institut für Pflanzenwissenschaften (IBG-2) des Forschungszentrums Jülich betrieben wird. Das auf fünf Jahre angelegte Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung bis 2026 mit insgesamt 6,3 Mio. Euro gefördert.

Professionelle Begleitung der Flaggschiff-Projekte

Im Fokus des Projektes steht dabei die professionelle Begleitung der beiden Flaggschiff-Projekte der Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier: das Kompetenzzentrum Bio4MatPro und das Innovationscluster BioökonomieREVIER. „Wir verstehen uns als eine Art Metaprojekt und schauen uns an, was braucht es eigentlich auf dem Weg hin zu dieser Modellregion Bioökonomie“, sagt Christina Dienhart vom Institut für Technologie- und Innovationsmanagement (TIM) der RWTH Aachen. „Hier arbeiten wir mit allen Akteuren in der Region zusammen, vor allem aber mit den großen Flaggschiffen Bio4MatPro und BioökonomieREVIER. Diese Projekte wollen wir beim Strukturwandel unterstützen, um eine Bioregion im Rheinischen Revier zu gestalten.“ Dienhart zufolge geht es nicht darum, den Flaggschiffen „auf die Finger zu schauen“, sondern Erkenntnisse und Erfahrungen aus der Modellregion zu systematisieren und nutzbar zu machen. 

The structural change in the Rhenish mining district is in full swing. In areas where lignite is still being mined today, a model region for sustainable and bio-based economic activities is emerging. In another thematic dossier on bioökonomie.de, the major research consortia of the bioeconomy model region in the Rhenish mining district are introduced in detail (see also the information boxes).

However, the transition to a bioeconomy region cannot be achieved through research alone. The transformation is a multifaceted and long-term process, for which future-proof and economically viable concepts, as well as the collaboration of all stakeholders from politics, industry, science, and civil society, are of central importance.

This is where the collaborative project "Bioeconomy – Understanding. Connecting. Supporting (Bioökonomie-VVU)" comes in. In this accompanying research project, researchers aim to investigate the conditions necessary for the successful implementation of the structural change in the Rhenish mining district.

The project includes both the accompanying research by a consortium of scientific institutes from RWTH Aachen and TU Dortmund, as well as a secretariat jointly operated by the Institute for Technology and Innovation Management (TIM) at RWTH Aachen and the Institute for Plant Sciences (IBG-2) at the Forschungszentrum Jülich. The five-year project is funded by the Federal Ministry of Education and Research with a total of €6.3 million until 2026.

Professional support for flagship projects

At the heart of the project is the professional support of the two flagship projects of the bioeconomy model region in the Rhenish mining district: the Bio4MatPro Competence Centre and the BioökonomieREVIER Innovation Cluster. “We see ourselves as a kind of meta-project, looking at what is needed on the way to this bioeconomy model region,” says Christina Dienhart from the Institute for Technology and Innovation Management (TIM) at RWTH Aachen. “Here, we work with all the stakeholders in the region, but primarily with the major flagship projects, Bio4MatPro and BioökonomieREVIER. We want to support these projects in the structural change process to shape a bio-region in the Rhenish mining district.” According to Dienhart, the goal is not to “micromanage” the flagship projects, but rather to systematize and make use of insights and experiences from the model region.

Weizen ist eine der wichtigsten Kulturpflanzen – nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit. Hierzulande wird Weizenmehl vor allem zum Backen verwendet. Doch die erforderliche hohe Backqualität für Lebensmitteln wie Brot steht und fällt mit dem Proteingehalt des Weizens. Maßgeblich für die Bewertung ist bislang der Eiweißanteil im Korn, der in der Regel mit einer intensiven Stickstoffdüngung verbunden ist und damit mitverantwortlich für die hohen Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft. Im Verbundprojekt MAGIC-KlimaBack wollen Forschende nun den Weg für den Einsatz neuer Backweizensorten ebnen, die eine hohe Backqualität aufweisen und zugleich das Klima schonen.

Das Vorhaben wird vom Max Rubner-Institut (MRI) koordiniert und von Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Klimaschutz in der Landwirtschaft“ mit 1.127.913 Euro gefördert. Daran beteiligt sind das Julius Kühn-Institut (JKI), die Martin-Luther-Universität (MLU) Halle-Wittenberg, die Universität Bielefeld und das Unternehmen KWS Saat SE.

Proteinnutzungseffizienz beim Weizen verbessern

Ziel des Projektes MAGIC-KlimaBack ist es, durch innovative Methoden der Pflanzenzüchtung die Entwicklung von Weizen mit einer verbesserten Proteinnutzungseffizienz voranzutreiben. Mithilfe modernster Züchtungs- und Analysemethoden wollen die Projektpartner dafür sorgen, dass Weizen künftig mit hoher Backqualität bei verringertem Einsatz von Stickstoffdünger produziert und damit Brotbacken klimafreundlicher wird.

Das MRI wird hierbei seine Expertise bei der Bestimmung der Getreidequalität einbringen. Im Projekt wird der geerntete Weizen auf die erforderlichen Backeigenschaften untersucht und die Ergebnisse für die untersuchten Weizengenotypen und ihre Backqualität praxisnah beschrieben. Darüber hinaus werden mithilfe einer flüssigkeitschromatografischen Auftrennung die für die Backqualität wichtigen Proteinfraktionen der Gliadine, Glutenine und Glutenin-Makropolymere untersucht sowie die Stärkequalität bestimmt.

Proteinkandidaten für Backqualität identifizieren

Gemeinsam mit der Universität Bielefeld werden die Forschenden am MRI die Proteine und Stoffwechselprodukte im Weizenmehl analysieren und jene Proteine identifizier, die für das Backverhalten entscheidend sind, um die korrespondierenden Gene ermitteln zu können. Auf dieser Grundlage könne die Getreidezüchtung „Sorten auswählen, die besonders viele dieser gewünschten Proteine enthalten“, schreiben die Forschenden. Die Analyse der Proteine und Metabolite erfolgt mithilfe der Massenspektrometrie an der Universität Bielefeld.

Darüber hinaus werden Datenpools mit sogenannten Kandidatenproteinen erstellt, die einen positiven Einfluss auf die Backqualität von Weizen bei relativ geringem Proteingehalt haben. Diese Datenpools sind wiederum die Arbeitsgrundlage für die Universität Halle-Wittenberg zur Detektion von genetischen Markern für die Backqualität sowie die Entwicklung neuer, proteinnutzungseffizienterer Weizensorten durch die KWS.

Mit KI geeignete Pflanzen und Gene für Züchtung auswählen

Die MLU wird wiederum eine neuartige, multi-parentale Winterweizenpopulation und vorhandene Gensequenzdaten bereitstellen und zugleich das Winterweizensaatgut unter Hoch- und Niedrig-Stickstoffdüngungen in Halle/Saale anbauen. Die Daten aus Feldversuch sowie dem Labor werden anschließend mithilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet. Dabei werden Pflanzen und deren Gene identifiziert, die die Backqualität bei gemäßigter Stickstoffdüngung positiv kontrollieren und später für die Züchtung neuer Backweizensorten zur Verfügung stehen.

Ermittlung des Einsparpotenzials der Treibhausgase

Die KWS wird ebenfalls Feldversuche durchführen und Saatgut unter konventionellen und ökologischen Bedingungen produzieren. Aufgabe des JKI wird es sein, das Treibhausgas-Minderungspotenzial der neuen proteinnutzungseffizienten Weizensorten zu bewerten. Dafür wird der Anbau von Backweizen deutschlandweit über viele Jahre simuliert. „Die zu erwartenden Erkenntnisse sollen helfen, die Treibhausgas-Minderungspotenziale künftig möglichst effektiv erschließen zu können“, schreiben die Forschenden.

bb

Die Domestizierung von Nutzpflanzen ist eine der größten technologischen Revolutionen in der Menschheitsgeschichte. Dabei hat der Mensch nur etwa 250 der insgesamt 374.000 Pflanzenarten unserer Welt domestiziert. Rund 20 davon werden heute für die landwirtschaftliche Produktion in großem Maßstab genutzt. 

15 Jahre bis zu einer neuen Sorte

Viele positive Eigenschaften wie ein sehr guter Ertrag, Resistenz gegen Krankheitserreger, synchrone Erntezeiten, ein hoher Stärke-, Eiweiß- oder Zuckergehalt und eine gute Lagerfähigkeit auf dem Feld müssen in einer einzigen Sorte kombiniert werden. Das erreicht die Züchtung, indem sie mehrere Elternpflanzen kreuzt, die jeweils die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Nach weiteren Kreuzungsschritten entstehen neue Linien, in denen die positiven Eigenschaften vereint, aber auch manche positiven Eigenschaften der Wildpflanzen – etwa Schädlingsresistenz – verloren gegangen sind. Viele weitere Schritte und ein sehr zeit- und arbeitsintensiver Prozess sind erforderlich, bis nach bis zu 15 Jahren eine neue Sorte registriert werden kann. 

„Wie kann dieser Prozess in Anbetracht des dramatisch voranschreitenden Klimawandels beschleunigt werden?“, fragt Klaus Palme, CSO der ScreenSYS GmbH, einer Ausgründung der Universität Freiburg. Denn Pflanzenzüchtung ist komplex: Genomabschnitte, die beispielsweise für die Anpassung an bestimmte Witterungsbedingungen verantwortlich sind, entscheiden über Wuchshöhe, Blühzeitpunkt, Fruchtgröße und -menge. Diese Eigenschaften werden oft nicht nur von einem einzelnen Gen, sondern von vielen Genen bestimmt. Diese Gene haben individuell meist nur einen geringen, in ihrer Kombination jedoch einen wichtigen Einfluss auf die Merkmalsausprägung.

Stabile Eigenschaften setzen Reinerbigkeit voraus

Um genetisch stabile Pflanzen zu erhalten, ist Reinerbigkeit an all diesen merkmalsbestimmenden Genen gewünscht, da dann die Nachkommen genetisch identisch sind und nicht mehr aufspalten. Um solche Linien durch Mendelsche Segregation zu erhalten, ist ein arbeitsintensiver Aufwand von sich wiederholenden Runden der Selbstbestäubung und Selektion über viele Generationen erforderlich. Während der Aufwand bei nur einem Gen, welches auf Reinerbigkeit gezüchtet werden soll, überschaubar ist, wird mit zunehmender Anzahl von an dem Erscheinungsbild beteiligten Genen der Aufwand immer größer. „Allein bei sechs merkmalsbestimmenden Genen müssten 4⁶ , also 4.096 Nachkommen nach einer Selbstkreuzung gescreent werden, um wenigstens eine Pflanze mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten“, rechnet Palme vor. 

The domestication of crops is one of the greatest technological revolutions in human history. Humans have domesticated only about 250 out of the total 374,000 plant species in the world. Around 20 of these are currently used for large-scale agricultural production.

15 years to develop a new variety

Many desirable traits, such as high yield, resistance to pathogens, synchronized harvest times, high starch, protein, or sugar content, and good field storage capacity, must be combined in a single variety. Breeders achieve this by crossing multiple parent plants, each exhibiting the desired traits. After further crossing steps, new lines emerge that combine positive traits, although some beneficial traits of wild plants—such as pest resistance—may be lost. Numerous additional steps and a very time- and labor-intensive process are required before a new variety can be registered, which can take up to 15 years.

“How can this process be accelerated in light of the dramatically advancing climate change?” asks Klaus Palme, CSO of ScreenSYS GmbH, a spin-off from the University of Freiburg. Plant breeding is complex: Genome segments responsible for adapting to specific weather conditions determine plant height, flowering time, fruit size, and yield. These traits are often not determined by a single gene but by many genes, which individually may have only a small effect but collectively play a significant role in trait expression.

Stable traits require pure lines

To obtain genetically stable plants, purity is desired in all these trait-determining genes, ensuring that the offspring are genetically identical and do not segregate further. Achieving such lines through Mendelian segregation requires labor-intensive repetitive rounds of self-pollination and selection over many generations. While the effort involved in breeding for the purity of a single gene is manageable, it increases significantly with the number of genes involved in the phenotype. “With just six trait-determining genes, 46—or 4,096—offspring would need to be screened after self-crossing to obtain at least one plant with the desired traits,” explains Palme.