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The coal phase-out has been decided. For regions like the Rhineland, it is now time to rethink and create new prospects. With the aim of moving away from lignite and towards a bio-based future, the BioökonomieREVIER Rheinland (“BioeconomyAREA Rhineland”) was founded a year ago. It is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with several million euros via the Strukturwandel ("Structural Change") program. The ambitious project is coordinated by Ulrich Schurr, head of the Institute of Plant Sciences at the Research Center Jülich. Schurr, who holds a doctorate in biology, is convinced that the former coal-mining area has the best prerequisites for making the Rhenish mining area a model region for a sustainable bioeconomy. In order to bring research approaches more quickly into the economy, 15 innovation laboratories were recently established.

Mit einer Jahresernte von 13,8 Millionen Tonnen ist der Apfel Europas wirtschaftlich bedeutsamstes Obst. Einzelne Krankheitserreger der Apfelbäume können daher gravierende Folgen haben, weshalb auf vielen Plantagen dem chemischen Pflanzenschutz große Bedeutung zukommt. Auch gegen die Erreger der Apfeltriebsucht, sogenannte Phytoplasmen, gibt es kein anderes Mittel, als deren Ausbreitung durch Insekten zu verhindern, indem Insektizide eingesetzt werden. Wichtig ist daher, eine Infektion frühzeitig zu erkennen, bevor weite Teile einer Plantage betroffen sind.

Neues Werkzeug zur Krankheitsdiagnose

Das ist jedoch nicht ganz einfach: Erfahrenes Personal kann die Infektion einer Pflanze an Symptomen wie Hexenbesen, vergrößerten Nebenblättern und einer vorzeitigen Rotfärbung im Herbst zwar erkennen. Das bedeutet jedoch viel Aufwand und ist oft schon zu spät. Die Alternative, der biochemische Nachweis mittels der sogenannten Polymerasekettenreaktion, ist teuer und wenig praktikabel. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg entwickeln deshalb gemeinsam mit Kollegen des Instituts für Pflanzenforschung AlPlanta aus Neustadt an der Weinstraße und der Firma Spatial Business Integration GmbH aus Darmstadt eine neue und bessere Diagnosemöglichkeit.

Verräterisches Reflexionsspektrum

Die Grundlage dafür bilden Aufnahmen der Plantagen durch Satelliten oder Drohnen, bei denen das reflektierte Lichtspektrum – auch außerhalb des sichtbaren Bereichs – erfasst wird. „Bei diesem Verfahren wird Licht in Wellenlängen zerlegt“, erläutert Uwe Knauer, IT-Experte für Maschinelles Lernen am Fraunhofer IFF. Weise eine Pflanze bei einer Blattprobe im Labor Symptome auf, so zeige sich dies in bestimmten Wellenlängenbereichen deutlicher und früher als allein im sichtbaren Bereich. „Bei einer kranken Pflanze wird mehr rotes als grünes oder blaues Licht reflektiert“, schildert Knauer.

Maschinelles Lernen macht‘s möglich

Mit Methoden des maschinellen Lernens können in diesen Aufnahmen Infektionen mit der Apfeltriebsucht oder auch mit dem von ähnlichen Erregern verursachten Birnenverfall bei Birnbäumen identifiziert werden, lange bevor sie für das menschlichen Auge sichtbar sind. Entsprechende Tests im Labor konnte das Team bereits erfolgreich abschließen.

Das von der Landwirtschaftlichen Rentenbank geförderte Forschungsvorhaben läuft noch bis 2022. Bis dahin wollen die Projektpartner das Verfahren und die zugehörige Technik so weit entwickelt haben, dass sie eine marktfähige Dienstleistung anbieten können.

Ob T-Shirt, Hose oder Kleid: Textilien werden immer schneller entsorgt. Etwa eine Million Tonnen landen nach Angaben des Bundesverbandes Sekundärrohstoffe und Entsorgung e. V. (BVSE) jährlich in den Kleidercontainern. Doch nur die Hälfte davon wird aufbereitet. Im Falle eine Weiterverarbeitung werden aus einst modischen Kleidungsstücken minderwertige Produkte wie Putzlappen oder Dämmmaterial. Das könnte sich ändern. Forscher am Fraunhofer IAP in Potsdam haben erstmals einen Weg gefunden, Alttextilien aus Baumwolle zu recyceln. Bislang war das technisch nicht möglich, da Kleidung meist aus Mischfasern gefertigt ist.

Recycling von Altkleidern aus Baumwolle

„Textilien bestehen selten aus reiner Baumwolle. Eine Jeans etwa enthält immer einen Anteil an Chemiefasern wie Polyester oder Elasthan“, so André Lehmann vom Fraunhofer IAP. Im Auftrag des schwedischen Unternehmens re:newcell hat ein Team um den Chemiker nun Zellstoff aus recycelter Baumwolle zu Viskosefasern aus reiner Cellulose weiterverarbeitet. Zellstoff wird meist aus Holz gewonnen. In der Textilindustrie wird das Polysaccharid in der Regel genutzt, um daraus künstliche Celluloseregeneratfasern wie Viskose, Modal oder Lyocell herzustellen.

Lösungs- und Spinnprozess verbessert

Die Herausforderung für die Potsdamer Forscher bestand darin, die verschiedenen miteinander verwobenen Fasern wieder zu trennen. „Wir haben von re:newcell jedoch Zellstoffplatten aus recycelter Baumwolle erhalten und sollten prüfen, ob sie sich zu Viskosefasern weiterverarbeiten lassen. Durch Einstellen der richtigen Parameter im Lösungs- als auch Spinnprozess, wie effektive Filtrationsstufen, konnten wir die im Zellstoff enthaltenen Fremdfasern herauslösen“, erklärt der Forscher.

Vorausgegangen war ein aufwendiger Prozess: Zunächst musste der Zellstoff mit Lauge aktiviert und anschließend chemisch derivatisiert werden, um eine hochreine alkalische Viskose-Lösung zu erhalten, die dann durch mehrere Tausend Spinnlöcher mit Durchmessern von 55 µm in ein saures Spinnbad ausgesponnen werden kann. Im nächsten Schritt mussten die Forscher die chemische Derivatisierung beständig rückgängig machen und den Faden wiederholt waschen, um ihn schließlich getrocknet aufspulen zu können.

Umweltfreundliche Cellulosefaser

Im Ergebnis entstand so ein Viskose-Filamentgarn, das zu 100% aus Cellulose besteht und damit umweltfreundlich ist, da der Stoff verrottet. Die Qualität der recycelten Faser ist zudem mit den holzbasierten Celluloseregeneratfasern vergleichbar. Tests haben ergeben, dass sie hinsichtlich ihrer Eigenschaften mit der handelsüblichen Viskosefaser mithalten kann.

Alternative Zellstoffquelle

Mithilfe der Technologie der Potsdamer Forscher ist es nun erstmals möglich, auch Altkleider aus Baumwolle wie alte Jeans wiederzuverwerten statt sie wie bisher auf der Deponie zu entsorgen oder zu verbrennen. Damit leistet das Team einen wichtigen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit in der Mode. „Durch das Optimieren der Trennprozesse und die Intensivierung der Filtration der Fremdfasern im Spinnverfahren können wir langfristig die rezyklisierte Naturfaser-Baumwolle als alternative Zellstoffquelle und ernstzunehmende Rohstoffbasis etablieren“, so Lehmann.

Ob Getreide-, Obst– oder Gemüseanbau: Die Landwirtschaft ist vielerorts auf Pflanzenschutzmittel angewiesen. Sie sollen Erträge und damit die Versorgung der Menschen mit Lebensmitteln sichern. Doch der Einsatz von Pestiziden ist umstritten, weil diese nicht nur Schädlingen den Garaus machen, sondern auch Mensch und Natur schaden. Nun haben Forscher Bakterien identifiziert, die das Herbizid Linuron abbauen können.

Bei Linuron handelt es sich um ein selektives Herbizid, das gezielt Unkräuter bekämpft, indem es deren Photosynthese hemmt. Der Pestizidwirkstoff ist seit 2018 in der EU wegen seiner krebserregenden Eigenschaften verboten. In den USA und Kanada wird er hingegen weiter in der Landwirtschaft genutzt. Damit die Giftstoffe nicht ins Grundwasser gelangen, nutzen Landwirte dort Minikläranlagen. Diese sogenannten on-farm purification systems (BPS) filtern vor Ort aus dem Abwasser die Substanzen heraus – und zwar mithilfe von Bakterien. Wie das Aufreinigungssystem konkret funktioniert, war bisher unklar.

Bakterien für Herbizidabbau verantwortlich

Die Mikrobiologin Başak Öztürk vom Leibniz-Institut DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig konnte zusammen mit Forschern aus Belgien die Arbeitsweise der Mini-Reinigungssysteme klären. Sie wiesen erstmals nach, dass an der Herbizidzersetzung Bakterien der Gattung Variovorax, Comamonadaceae und Ramlibacter beteiligt sind. Wie die Forscher im Fachjournal "Environmental Science & Technology" berichten, konnten sie zudem Ramlibacter-Stämme auch als Akteure beim Linuronabbau in der Minikläranlage identifizieren. „Das Einzigartige unserer Studie ist, dass wir eine direkte Verbindung zwischen Herbizidabbau und den dafür verantwortlichen Mikroorganismen nachweisen konnten. Zusätzlich zeigen unsere Experimente, dass in-situ andere Mikroorganismen für die Zersetzung der Schadstoffe verantwortlich sind, als bisher aus Laborversuchen bekannt war“, resümiert Öztürk.

Minikläranlage für den Bauernhof

Die Braunschweiger Forscherin hofft, dass die Minifilteranlage bald auch hierzulande auf den Bauernhöfen Einzug hält. „Auch wenn wir hier in Deutschland kein Linuron einsetzen, so werden doch andere Herbizide ausgebracht, die negativen Einfluss auf das Ökosystem haben können“, argumentiert die Mikrobiologin. „Ich hoffe, dass die Aufklärung der Funktionsweise dieser on-farm purification-Systeme auch die deutschen Landwirte überzeugt, dass die Anschaffung dieser eigenen kleinen Kläranlage sinnvoll ist.“

Whether cereal, fruit or vegetable cultivation: agriculture is dependent on pesticides in many places. They should secure yields and thereby the supply of food to the people. But the use of pesticides is controversial because they not only kill off pests, but also harm people and nature. Now researchers have identified bacteria that can break down the herbicide linuron.

Linuron is a selective herbicide that selectively controls weeds by inhibiting their photosynthesis. The pesticide active ingredient has been banned in the EU since 2018 because of its carcinogenic properties. In the USA and Canada, however, it is still used in agriculture. To prevent the toxins from reaching the groundwater, farmers there use mini sewage treatment plants. These so-called on-farm purification systems (BPS) filter the substances out of the wastewater on site - with the help of bacteria. How the purification system actually works was not clear until now.

Bacteria responsible for herbicide decomposition

The microbiologist Başak Öztürk from the Leibniz-Institute DSMZ - German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig was able to clarify the mode of operation of the mini cleaning systems together with researchers from Belgium. They proved for the first time that bacteria of the genus Variovorax, Comamonadaceae and Ramlibacter are involved in herbicide decomposition. As the researchers report in the trade journal "Environmental Science & Technology", they were also able to identify Ramlibacter strains as actors in linuron decomposition in the mini wastewater treatment plant. "The unique feature of our study is that we were able to demonstrate a direct link between herbicide decomposition and the microorganisms responsible for it. In addition, our experiments show that in-situ microorganisms other than those previously known from laboratory tests are responsible for the decomposition of the pollutants," concludes Öztürk.

Mini sewage treatment plant for the farm

The Braunschweig researcher hopes that the minifilter system will soon be introduced on farms in Germany. "Even though we don't use linuron here in Germany, other herbicides are applied that can have a negative impact on the ecosystem," the microbiologist argues. "I hope that the explanation of how these on-farm purification systems work will also convince German farmers that it makes sense to purchase their own small wastewater treatment plant."

In der Natur herrscht ein permanenter, scheinbar unsichtbarer Kampf: Ob im Boden, im Wasser oder auf unserer Haut – fast überall konkurrieren Mikroorganismen um Nährstoffe. So manche Mikrobe greift dabei zu chemischen Waffen und sondert Substanzen ab, die anderen Mikroben schaden. So erzeugen Bakterien der Gattung Streptomyces Azalomycine, die andere Einzeller, aber auch Zellen höherer Organismen wie der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii töten. Die hat jedoch einen ungewöhnlichen Beschützer gefunden, wie ein deutsches Forschungsteam jetzt in der Fachzeitschrift „The ISME Journal“ berichtet.

Alge und Pilz bilden Geflecht

Die Wissenschaftler entdeckten, dass sich der Schimmelpilz Aspergillus nidulans und die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii zu einer flechtenartigen Gemeinschaft zusammenschließen. Dazu schwimmt die Alge sogar aktiv auf den Pilz und sein Geflecht zu. „Von dieser Partnerschaft profitiert vor allem die Grünalge, denn sie ist anfällig für den bakteriellen Wirkstoff Azalomycin F, der zu ihrem Absterben führt“, sagt Axel A. Brakhage, Direktor des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (HKI).

Pilz nutzt Antibiotikum für Metabolismus

Das Team konnte auch nachweisen, worauf dieser Schutz beruht: Der Schimmelpilz verwendet das antibiotische Azalomycin des Bakteriums Streptomyces iranensis, um es in bestimmte Lipide seiner Zellmembran einzubauen. Ab da ist der Wirkstoff für die Grünalge unschädlich. Darüber hinaus beobachteten die Forscher, dass der Zusammenschluss der beiden Organismen das Wachstum der Grünalge beschleunigt und ihre Zelldichte erhöht.

Antibiotikum schadet Alge nur bei Licht

Wie so oft in der Wissenschaft hat das Forschungsteam aber nicht nur Antworten geliefert, sondern ist auch auf neue Fragen gestoßen. So müssen die Grünalge und der Pilz bereits gemeinsam kultiviert worden sein, bevor man das Bakterium hinzufügt, wie Brakhage erläutert. „Bringt man die drei Mikroorganismen gleichzeitig zusammen, wirkt der Schutzmechanismus noch nicht.“ Ungeklärt ist auch, weshalb Azalomycin die Grünalge nur bei Licht und nicht bei Dunkelheit tötet.

Komplexe Dynamik erst ansatzweise verstanden

„Dieses Beispiel zeigt zum einen, welche erstaunliche Dynamik in mikrobiellen Gemeinschaften herrscht, zum anderen aber auch, dass wir bei der Erforschung dieser Zusammenhänge noch am Anfang stehen“, resümiert Brakhage.

In nature there is a permanent, seemingly invisible battle: Whether in the soil, in water or on our skin - microorganisms compete for nutrients almost everywhere. Some microbes use chemical weapons and secrete substances that harm other microbes. For example, bacteria of the genus Streptomyces produce azalomycins, which kill other unicellular organisms, but also cells of higher organisms such as the green algae Chlamydomonas reinhardtii. However, it has found an unusual protector, as a German research team now reports in "The ISME Journal".

Algae and fungus form a network

The scientists discovered that the mold Aspergillus nidulans and the green alga Chlamydomonas reinhardtii form a lichen-like community. For this purpose the alga even swims actively towards the fungus and its mycelium. "The green algae in particular benefits from this partnership, because they are susceptible to the bacterial agent azalomycin F, which leads to their death," says Axel A. Brakhage, Director of the Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology - Hans Knöll Institute (HKI).

Fungus uses antibiotic for metabolism

The team was also able to prove what this protection is based on: The mold uses the antibiotic azalomycin of the bacterium Streptomyces iranensis to incorporate it into certain lipids of its cell membrane. From then on, the active ingredient is harmless to the green algae. In addition, the researchers observed that the combination of the two organisms accelerates the growth of the green algae and increases its cell density.

Antibiotic only harms algae in light

As so often in science, the research team not only provided answers, but also came across new questions. For example, the green algae and the fungus must already have been cultivated together before adding the bacterium, as Brakhage explains. "If the three microorganisms are brought together at the same time, the protective mechanism is not yet effective. It is also unclear why azalomycin only kills the green alga in light and not in darkness.

Complex processes only partially understood

"On the one hand, this example shows the amazing dynamics that prevail in microbial communities, but on the other hand it also shows that we are still in the early stages of researching these relationships," summarizes Brakhage.

Hat der dramatische Rückgang der Insektenbestände in den vergangenen Jahren ähnlich gravierende Auswirkungen auf die Populationen von Pflanzen, deren Fortpflanzung an der Bestäubung durch Insekten hängt? Die Vermutung liegt nahe, doch belastbare Daten liefert jetzt erstmals eine große Studie unter Leitung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), die im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht wurde.

1.200 Pflanzenarten ausgewertet

Die Wissenschaftler haben dazu Publikationen von rund 2.000 Experimenten mit insgesamt mehr als 1.200 Pflanzenarten aus der ganzen Welt ausgewertet, in denen der Zusammenhang zwischen Bestäubung und Fortpflanzungserfolg untersucht worden war. „Wenn die Pflanzen, die auf natürliche Weise bestäubt wurden, weniger Früchte oder Samen produzieren als die Pflanzen, die zusätzlich von Hand bestäubt wurden, dann ist die Fortpflanzung dieser Pflanzen eingeschränkt – man spricht von einer Pollenlimitierung“, erläutert Projektleiterin Joanne Bennett den Ansatz. „Solche Experimente sind hervorragend dazu geeignet, den Fortpflanzungserfolg von Pflanzen und die Bestäubung zueinander in Bezug zu setzen.“

Spezialisten besonders bedroht

Das Ergebnis ist eindeutig: Wildpflanzen in intensiv genutzten Landschaften sind gegenüber ihren Artgenossen in natürlicher Umgebung generell stark in ihrer Bestäubung eingeschränkt. Im Detail bestehen Unterschiede zwischen der jeweiligen Art der Landnutzung – beispielsweise Landwirtschaft oder Urbanisierung. Und ebenso, wie die Landnutzung unterschiedliche Bestäuberinsekten verschieden stark beeinträchtigt, ist nicht jede Pflanzenart in ihrer Bestäubung betroffen. Spezialisten sind dabei besonders bedroht, während Arten, die von Honigbienen bestäubt werden, in landwirtschaftlichen Gebieten weniger stark beeinträchtigt sind als andere Arten.

Landnutzung verändert Pflanzengemeinschaften

„Die Beziehungen zwischen Pflanzen und ihren Bestäubern haben sich über Millionen von Jahren entwickelt. Die Menschen verändern diese Beziehungen jetzt innerhalb weniger Jahre“, warnt Bennett. Die bei vielen Arten verringerte Bestäubung führt zu einem verringerten Fortpflanzungserfolg. Mit der Zeit könnte die intensive Landnutzung daher dazu führen, dass insbesondere auf bestimmte Bestäuber spezialisierte Pflanzenarten aus den Pflanzengemeinschaften verschwinden und ihr Platz durch sogenannte Generalisten eingenommen wird, die durch eine Vielzahl unterschiedlicher Insekten bestäubt werden können.

Does the dramatic decline in insect populations in recent years have similarly serious effects on populations of plants whose reproduction depends on pollination by insects? The assumption is obvious, but reliable data are now being provided for the first time by a major study led by the German Center for Integrative Biodiversity Research (iDiv), the Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) and the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ), which was published in the journal „Nature Communications“.

1,200 plant species evaluated

For this purpose, the scientists evaluated publications from around 2,000 experiments with a total of more than 1,200 plant species from all over the world, in which the connection between pollination and reproductive success was investigated. "If plants that have been naturally pollinated produce fewer fruits or seeds than plants that have been additionally pollinated by hand, then the reproduction of these plants is restricted - this is called pollen limitation," says project leader Joanne Bennett, explaining the approach. "Such experiments are excellent for relating the reproductive success of plants and pollination to each other.

Specialists particularly threatened

The result is clear: wild plants in intensively used landscapes are generally severely restricted in their pollination compared to their conspecifics in the natural environment. In detail, there are differences between the respective types of land use - for example agriculture or urbanization. And just as land use affects different pollinator insects to varying degrees, not every plant species is affected in its pollination. Specialists are particularly threatened, while species pollinated by honeybees are less affected in agricultural areas than other species.

Land use changes plant communities

"The relationship between plants and their pollinators has evolved over millions of years. Humans now change these relationships within a few years," warns Bennett. Reduced pollination in many species leads to reduced reproductive success. Over time, intensive land use could therefore lead to the disappearance of plant species specializing in particular pollinators from plant communities and their place being taken by so-called generalists, which can be pollinated by a wide range of different insects.

It is estimated that the country's energy needs will be fivefold within the next 25 years. By 2025, the government plans for biodiesel to cover 20% of the energy sector’s demand. It is to be obtained mainly from agricultural and forestry waste products. In its "National Biodiesel Mission", the country also identified the jatropha plant as a beacon of hope. However, the expectations that were given to this plant as a supplier of biodiesel have not yet been met. In addition to biofuels, there are many opportunities for innovation in the food sector.

Weizen gehört zu den wichtigsten Nahrungspflanzen. Viele Lebensmitteln vom Brot über Pizza bis hin zum Bier werden aus dem Getreide hergestellt. Doch viele Menschen leiden unter einer Weizenunverträglichkeit, der Zöliakie. Sie reagieren allergisch auf das Weizeneiweiß Gluten. Die Zahl der an Zöliakie Erkrankten ist in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Bis zu 1% der Erwachsenen sind betroffen. Forscher des Leibniz-Instituts für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) haben nach den Ursachen der Erkrankungshäufigkeit geforscht.

Eiweißgehalt neuer und alter Weizensorten verglichen

„Viele Menschen befürchten, dass moderne Weizenzüchtungen mehr immunreaktives Eiweiß enthalten als früher und dies die Ursache für die gestiegene Erkrankungshäufigkeit ist“, sagt Darina Pronin vom Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie, die im Rahmen ihrer Doktorarbeit maßgeblich an der Studie beteiligt war. Die Forscher haben daher den Eiweißgehalt von alten und modernen Weizensorten untersucht, um eventuelle Unterschiede aufzuspüren. Untersucht wurden insgesamt 60 Weizensorten, die in der Zeit zwischen 1891 und 2010 angesagt waren. Für jedes Jahrzehnt wurden fünf Sorten ausgewählt und in den Jahren 2015 bis 2017 unter jeweils gleichen geografischen und klimatischen Bedingungen angebaut.

Glutengehalt im Weizen konstant

Das Ergebnis: Moderne Weizensorten enthalten zwar etwas weniger Eiweiß, der Glutengehalt ist jedoch über all die Jahre konstant geblieben. Verändert hat sich allerdings die Zusammensetzung des Glutens, wie das Team im Fachjournal "Journal of Agricultural and Food Chemistry" berichtet. Gluten besteht im Wesentlichen aus zwei Gruppen von Eiweißmolekülen: Gliadine und Glutenine. Vor allem die Gruppe der Gliadine steht im Verdacht, für die Unverträglichkeit verantwortlich zu sein. Darüberhinaus fanden die Forscher auf Eiweißebene jedoch keine Hinweise darauf, dass sich das immunreaktive Potenzial des Weizens durch die züchterischen Maßnahmen verändert hat.

Umweltbedingungen beeinflussen Eiweißgehalt

In der Studie stellen die Forscher nun fest: Der Anteil der kritisch gesehenen Gliadine nahm in den Weizensorten über die Jahre um rund 18% ab. Dagegen stieg der Gehalt der Glutenine um etwa 25% an. Darüber hinaus zeigte sich, dass auch die Niederschlagsmenge im Erntejahr den Glutengehalt beeinflusst. „Überraschenderweise hatten Umweltbedingungen wie die Niederschlagsmenge sogar einen größeren Einfluss auf die Eiweißzusammensetzung als die züchterischen Veränderungen", erläutert Katharina Scherf vom IPK.

Die Studie wurde von der Leibniz-Gemeinschaft im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs 2015 gefördert.

Wheat is one of the most important food plants. Many foods from bread to pizza to beer are made from the grain. But many people suffer from a wheat intolerance, the coeliac disease. They are allergic to the wheat protein gluten. The number of people suffering from coeliac disease has risen sharply in recent years. Up to 1% of adults are affected. Researchers at the Leibniz Institute of Food Systems Biology at the Technical University of Munich and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) have conducted research into the causes of the incidence of the disease.

Protein content of new and old wheat varieties compared

"Many people fear that modern wheat varieties contain more immunoreactive protein than in the past and that this is the reason for the increased incidence of disease," says Darina Pronin from the Leibniz Institute for Food Systems Biology. Pronin was significantly involved in the study as part of her doctoral thesis. The researchers have therefore studied the protein content of ancient and modern wheat varieties to detect any differences. A total of 60 wheat varieties that were popular between 1891 and 2010 were examined. Five varieties were selected for each decade and grown under the same geographical and climatic conditions from 2015 to 2017.

Gluten content in wheat constant

The result: modern wheat varieties contain slightly less protein, but the gluten content has remained constant over all these years. However, the composition of the gluten has changed, as the team reports in the "Journal of Agricultural and Food Chemistry". Gluten consists essentially of two groups of protein molecules: gliadins and glutenins. Especially the group of gliadins is suspected to be responsible for the intolerance. In addition, the researchers found no evidence at the protein level that the immunoreactive potential of wheat has been altered by the breeding measures.

Environmental conditions influence protein content

In the study the researchers state now: The portion of the critically seen Gliadine decreased in the wheat varieties over the years by approximately 18%. On the other hand the content of the Glutenine rose by approximately 25%. Furthermore, it was shown that the amount of precipitation in the harvest year also influences the gluten content. "Surprisingly, environmental conditions such as the amount of precipitation even had a greater influence on the protein composition than the breeding changes," explains Katharina Scherf from IPK.

The study was funded by the Leibniz Association as part of the Leibniz Competition 2015.

Ohne Tenside wäre die Welt um einiges schmutziger: Die oberflächenaktiven Moleküle bilden die Grundlage für Spülmittel, Waschmittel, Haushaltsreiniger und Körperpflegeprodukte. Ihre einfachste Form, die Seife, stellen Menschen schon seit Jahrtausenden her. Lange dominierten den Markt synthetische Tenside, die jedoch meist wenig hautfreundlich sind, auf Erdöl basieren und nicht biologisch abgebaut werden können. Letzteres konnten Forscher zwar in neueren Produkten lösen, doch die Zukunft, da sind sich Experten einig, gehört den sogenannten Biotensiden.

Biologisch abbaubare Biotenside

Biotenside werden von Mikroorganismen aus nachwachsenden Rohstoffen produziert. Sie sind biologisch abbaubar, unempfindlich gegen Wasserhärte und sanft zur Haut. Doch erst in den vergangenen Jahren kamen die ersten kommerziellen Produkte auf den Markt. Einen wichtigen Beitrag dazu hat nun das vom Bundeslandwirtschaftsministerium geförderte Verbundprojekt „Rhamnolipide dritter Generation – hergestellt auf Basis von Xylose“ geleistet.

Rhamnolipide, Verbindungen aus einer Fettsäure und einem Zuckerbaustein, eignen sich gut als Biotenside. Bekannt ist außerdem, dass das Bakterium Pseudomonas aeruginosa diese natürlicherweise produziert. Der Haken ist jedoch nicht nur, dass dies nur unter bestimmten, wachstumslimitierenden Bedingungen geschieht. Viel größer ist das Problem, dass P. aeruginosa ein Krankheitserreger ist, der wegen seiner multiresistenten Eigenschaften in Krankenhäusern gefürchtet wird.

Nebenprozess zur Lignocelluseherstellung

Wissenschaftlerteams der Universitäten Hohenheim und Ulm sowie der TU Braunschweig haben daher den Stoffwechselweg identifiziert, auf dem P. aeruginosa Rhamnolipide produziert und diesen mit gentechnischen Methoden in das harmlose Bakterium Pseudomonas putida übertragen. Zusätzlich ist es gelungen, dass die Mikrobe als Nährstoffe Xylose und weitere Zuckerfraktionen verwendet, die bei der Gewinnung von Lignocellulose aus Holz anfallen. Auch den Fermentationsprozess konnte das Team gemeinsam mit Industriepartner Evonik Industries AG optimieren.

Wertschöpfung für Holzwirtschaft

In Realversuchen bei Evonik wurde der neue Prozess mit den modifizierten Bakterien bereits erfolgreich getestet. Nun besteht die Hoffnung, durch die Kombination mit der Herstellung von Rhamnolipiden eine neue Wertschöpfung für die Lignucelluloseproduktion aus deutschen Wäldern zu generieren.

Die Transportwege vom Anbau bis zum Verbraucher zu verkürzen, ist eine der zentralen Motivationen für die urbane Landwirtschaft. Weitere Punkte sind Ressourceneffizienz im Anbau und vor allem auch die Kreislaufführung wertvoller Ressourcen. Vertikale hydroponische Farmen verkörpern diesen Ansatz mustergültig: Darin wachsen die Pflanzen in flüssiger Nährlösung statt in Erde, und mehrere Ebenen dieser Anbauflächen können problemlos übereinandergestapelt werden, was den Grundflächenbedarf minimiert. In Berlin testen Forscher nun, ob solche Farmen auch mit aufbereitetem Grauwasser versorgt werden können.

Salat an der Duschrückwand

In der Beachvolleyballanlage „Beach 61“ im Gleisdreieckpark hat das Team der TU Berlin an der Rückseite der Duschen acht zwei Meter hohe Vierkantsäulen als vertikale Farmen installiert – der „Shower Tower 61“. Mit üblichen Methoden wird das Abwasser der Duschen aufbereitet und dient dann zur Berieselung der Pflanzenwurzeln in den hydroponischen Farmen. Salate, Kräuter, Kohl, Rüben und essbare Blüten wachsen dort in jeweils 16 Pflanzrohren je Vierkantsäule. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Projekt als Machbarkeitsstudie

„Vier Fragen sind es, die wir mit unserer Farm analysieren wollen“, erläutert Grit Bürgow, Leiterin des Projekts. „Erstens: Gelingt es, Duschwasser mit gängigen Technologien so aufzubereiten, dass es für die Nahrungsmittelproduktion verwendet werden kann und die Salate und Kräuter für den Verzehr völlig unbedenklich sind? Zweites: Eignet sich eine solche vertikale hydroponische Farm für die lokale kommerzielle wie nichtkommerzielle Lebensmittelproduktion in einem städtischen Umfeld wie Berlin? Drittens: Gelingt es, die Bevölkerung in ein solches Projekt dauerhaft einzubinden mit dem Ziel, dass solche blau-grünen Infrastrukturen von den Menschen künftig eigenverantwortlich betrieben und genutzt werden? Viertens: Welche Auswirkungen hat eine solche Hydroponik-Farm kombiniert mit verdunstungswirksamen Schilf-Hochbeeten auf das städtische Mikroklima?“

Beachbar als künftiger Nutzer?

Sollte sich bestätigen, dass das gebrauchte Duschwasser so aufbereitet werden kann, dass es die DIN-Norm für Bewässerungswasser erfüllt und damit gesundheitlich unbedenklich für den Einsatz mit Nahrungsmitteln ist, geht es als nächstes um die Frage der weiteren Verwendung des Reallabors. Ein zukünftiger Nutzer der Kräuter und Salate aus dem „Shower Tower 61“ könnte nämlich die benachbarte Beachbar sein, mit deren Betreibern die Forscher bereits in engem Austausch stehen. „Dieser Austausch ist wichtig, um herauszufinden, auf welche Akzeptanz solche innovativen Ideen für die städtische Nahrungsmittelproduktion in der Bevölkerung stoßen, ob die Betreiber Interesse daran haben, die Salate und Kräuter in ihrer Beachbar zu verwerten, und es ein realistisches Szenario wäre, dass sie nach Ablauf der Reallaborforschung eine solche Farm mit oder gar in eigener Regie bewirtschaften würden.“

Um die Bioökonomie voranzutreiben, braucht es neben Innovationen auf breiter Ebene vor allem das Wissen um das Potenzial biobasierter und nachhaltiger Entwicklungen. Dazu gehört die Ausbildung von Studenten auf dem Gebiet der Bioökonomie und sie dabei zu fördern, biobasierte Geschäftsideen umzusetzen. Dieses Ziel verfolgt die Initiative Bio Innovation Growth mega Cluster kurz BIG-Cluster. Gefördert vom Bundesforschungsministerium sollen die Region Flandern in Belgien, die Niederlande und das Bundesland Nordrhein-Westfalen zum Weltmarktführer für biobasiertes Innovationswachstum werden.

Unternehmertum und Innovationskraft von Studenten fördern

Im Rahmen des BIG-Cluster-Projektes CROSS-border Bio-Economy Education wurde nun eine neue Runde des internationalen Studentenwettbewerbs "Global Biobased Businessplan Competition - G-BiB" ausgerufen. Das Finale findet im Rahmen der CLIB International Conference am 4. und 5. Februar 2021 vor internationalem Publikum statt. Der Wettbewerb soll Unternehmertum und Innovationsfähigkeit unter Studenten auf der ganzen Welt fördern und die Potenziale ihrer wissenschaftlichen Arbeit unterstützen.Teilnehmer aus Deutschland, Finnland und dem Vereinigten Königreich treffen beim finalen Ausscheid auf Experten und Berater, die sie für Gründungen fit machen und die beste Idee für ein nachhaltiges Produkt prämieren.

Länderteams beim nationalen Halbfinale gekürt

Studenten - vom Bachelorstudenten bis zum Doktoranden - können sich bis zum 10. Oktober 2020 mit ihren Geschäftsideen zu biobasierten Prozessen und Produkten zur Teilnahme anmelden. Gesucht sind Teams mit Studenten aus den verschiedensten Bereichen, deren Ideen einen multidisziplinären Ansatz verfolgen. Gefragt sind beispielsweise Geschäftsideen, die auf der Entwicklung eines nachhaltigen, biologisch erneuerbaren Produkts wie Biotreibstoffe und Biomaterialien oder Teillösungen und Verfahren basieren. Bei der Erstellung eines Businessplans, bei der Vorbereitung der Präsentation sowie im Umgang mit der Presse erhalten die Teilnehmer Unterstützung. Die besten Teams der drei Länder werden jeweils im November bei einem nationalen Halbfinale von einer Fachjury aus Investoren und Wissenschaftlern gekürt.

Die G-BiB 2020/2021 wird vom Smart Chemistry Park organisiert und vom Wissenschaftspark Turku in Finnland, dem Cluster industrielle Biotechnologie in Deutschland und dem THYME-Projekt in Großbritannien betrieben.

Plastik ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch die Herstellung und Entsorgung von Kunststoffen belastet zunehmend die Umwelt, da sie zu großen Teilen aus Erdöl bestehen und nur schwer abbaubar sind. Die Bioökonomie setzt daher auf Biokunststoffe, die aus nachwachsenden Rohstoffen oder Rest- und Abfallstoffen bestehen. Um Biokunststoffe herzustellen sind keinesfalls nur hochmoderne Technologien und Verfahren nötig. Die Zutaten für einen umweltfreundlichen Kunststoff sind auch in jedem Haushalt zu finden.

Kreatives aus selbstgemachten Biokunststoffen

Um Bioplastik herzustellen, braucht es vor allem drei Dinge: Milch oder Speisestärke und Zucker. Wie aus diesen gewöhlichen Backzutaten ein biobasierter Kunststoff entsteht, verraten die Rezepte für den bundesweiten Wettbewerb "Mein(e) Plastik ist Bio", der nun im Rahmen des Wissenschaftsjahres zur Bioökonomie gestartet ist. Mit dem Event lädt das Bundesforschungsministerium dazu ein, die eigene Küche zum Kreativlabor zu machen und aus selbst hergestellter Bioplastik Alltags- und Designgegenstände zu kreieren. Eine detailierte Anleitung zeigt, wie Bioplastik schnell und unkompliziert zu Hause hergestellt werden kann.

Wettbewerb lockt mit tollen Preisen

Die Mitmach-Aktion "Mein(e) Plastik ist Bio" wird von einem bundesweiten Wettbewerb flankiert, in dem die kreativsten Ideen ausgezeichnet werden. Interessierte können sich bis 30. November 2020 über die Projektseite beim Wissenschaftsjahr als Teilnehmer registrieren und Fotos oder Videos einreichen. Die Aufnahmen sollten entweder den Gestaltungsprozess und/oder das Endergebnis abbilden und eine kurze Beschreibung enthalten. Eine Fachjury aus Wissenschaflern, Künstlern und Designern wird abschließend über die Preisvergabe entscheiden.

Die Auszeichnungen werden dabei in verschiedenen Kategorien und Altersgruppen vergeben. Zu gewinnen sind ein hochwertiges Fahrrad, ein fair produziertes Smartphone sowie eine ECOlunchbox und ein Klimakochbuch. Darüberhinaus wird ein Publikumspreis vergeben, der wiederum mit einer zweitägigen Reise nach Berlin für zwei Personen oder eine Übernachtung in einem luxuriösen Baumhaus belohnt wird.

It is impossible to imagine everyday life without plastic. However, the production and disposal of plastics is increasingly polluting the environment because they consist largely of petroleum and are difficult to break down. The bioeconomy therefore focuses on bioplastics that consist of renewable raw materials or residual and waste materials. Producing bioplastics requires by no means only state-of-the-art technologies and processes. The ingredients for an environmentally friendly plastic can also be found in every household.

Creative from self-made bioplastics

To produce bioplastics, three things are needed above all: milk or cornstarch and sugar. How these common baking ingredients are turned into a bio-based plastic is revealed in the recipes for the nationwide competition "Mein(e) Plastik ist Bio", which has now been launched as part of the Wissenschaftsjahr, which this year is dedicated to the bioeconomy. With this event, the Federal Ministry of Education and Research invites people to turn their own kitchen into a creative laboratory and create everyday and design objects from self-made bioplastics. Detailed instructions show how bioplastics can be produced quickly and easily at home.

Competition attracts with great prizes

The join-in campaign "Mein(e) Plastik ist Bio" is flanked by a nationwide competition in which the most creative ideas are awarded. Interested parties can register as participants and submit photos or videos until 30 November 2020 via the project page of the Wissenschaftjahr. The photographs should depict either the design process and/or the final result and include a brief description. An expert jury of scientists, artists and designers will make the final decision on the award.

The awards are presented in various categories and age groups. The prizes are a high-quality bicycle, a fairly produced smartphone, an ECOlunchbox and a climate cookbook. In addition, a public prize will be awarded, which in turn will be rewarded with a two-day trip to Berlin for two people or an overnight stay in a luxurious tree house.

Ob Minifarmen im Supermarkt oder Gemüseanbau auf Dachterrassen: Die urbane Landwirtschaft hat viele Gesichter und ist vor allem in Millionenstädten gefragt, wo Anbauflächen knapp sind. Gerade mit Blick auf die Ernährung einer stetig wachsenden Bevölkerung und den Folgen des Klimawandels gerät die Landwirtschaft schon heute unter Druck. Eine nachhaltige und umweltschonende Lösung kann das sogenannte Vertical Farming sein. Nicht nur Start-ups, auch Großunternehmen haben das Potenzial des mehrstöckigen Anbaus mittlerweile erkannt.

Spezielle Gemüsesorten für Vertical Farming entwickeln

So hat das Leverkusener Unternehmen Bayer mit der Investment-Firma Temasek aus Singapur soeben ein Start-up gegründet mit dem Ziel, im Vertical Farming neue Maßstäbe bei Qualität, Effizienz und Nachhaltigkeit zu setzen. Das Unternehmen namens Unfold will gezielt neue Saatgutsorten aus den Genen von Gemüsepflanzen für den Anbau in mehrstöckigen Gewächshäusern entwickeln. Dafür stehen Unfold 30 Mio. US-Dollar aus einer ersten Finanzierungsrunde als Startkapital zur Verfügung. Außerdem erhält das junge Unternehmen bestimmte Rechte am Bayer-Portfolio für Gemüsesaatgut.

„Die Investition in Unfold ist ein hervorragendes Beispiel für eine transformative, kreative Entwicklung von Agrarprodukten, die genau auf die Bedürfnisse der Verbraucher und der Landwirte sowie den Schutz der Umwelt abgestimmt sind“, erklärt Jürgen Eckhardt, Leiter der Investment-Einheit „Leaps by Bayer“. „Wir verbessern so den Zugang zu frischem Obst und Gemüse, fördern eine nachhaltige und lokale Produktion und tragen zu einer sicheren Versorgung einer wachsenden Stadtbevölkerung mit Nahrungsmitteln bei.“

Metropolen mit regionalem Obst und Gemüse versorgen

Mit der Gründung des Start-ups wollen Bayer und Temasek auch die steigende Nachfrage nach regionalen Obst- und Gemüsesorten in den Großstädten bedienen und damit die Ökobilanz der Lebensmittel verbessern. „Die globalen Herausforderungen der Ernährungssicherung nehmen zu“, sagt John Vaske, Leiter des Bereichs Agribusiness bei Temasek, das seinen Hauptsitz in der Megametropole Singapur hat. „Deshalb ist es notwendig, dass wir unsere herkömmlichen Anbaumethoden über- und auch weiterdenken. Wir müssen für sichere Lieferketten vom Erzeuger zum Verbraucher in den Städten sorgen und gleichzeitig die Umweltbelastung durch die Landwirtschaft verringern.“

Start-up bekommt Hauptsitz in den USA

Seinen Hauptsitz wird das neu gegründeten US-Unternehmens im kalifornischen Davis haben und darüber hinaus Vertriebs-, Forschungs- und Entwicklungsstandorte sowohl in Kalifornien als auch in Singapur unterhalten.

Den Kohlendioxid-Ausstoß zu drosseln ist eines der zentralen Ziele, die auch die Bundesregierung mit ihrer Klimapolitik verfolgt, denn das Treibhausgas ist wesentlich für die Erderwärmung verantwortlich. Ein vielversprechender Ansatz, um CO₂-Emissionen zu reduzieren, ist die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoffquelle. Das Klimagas für die Herstellung von Chemikalien zu verwenden, stand auch im Fokus des EU-Projektes CELBICON, an dem Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB maßgeblich beteiligt waren.

Dreistufige Prozesskette etabliert

Darin verfolgte das Team um IGB-Projektkoordinator Lénárd-István Csepei einen völlig neuen Weg, um einen klimaneutralen und wirtschaftlich effektiven Produktionsprozess zur Chemikalienproduktion zu etablieren. Es entwickelte eine dreistufige Prozesskette, die Adsorption, Elektrochemie und Biotechnologie verbindet. Durch die Kombination von elektrochemischer und biotechnologischer Umwandlung gelang es, aus dem aus Luft adsorbiertem Treibhausgas CO₂ einen terpenoiden Farbstoff herzustellen. „Indem wir – neben CO₂-Adsorption und elektrochemischer Umwandlung – auch die Syntheseleistung von Bakterien aus der Natur nutzen, können wir komplexere Moleküle herstellen und damit wertschöpfende Produkte, die das neue Verfahren wirtschaftlich machen“, erklärt Projektkoordinator Lénárd-István Csepei.

Mit atmosphärischem CO₂ Ameisensäure hergestellt

Um atmosphärisches CO₂ verwerten zu können, muss das Team zunächst das Treibhausgas aus der Luft adsorbieren. Hierfür wurde vom Schweizer Projektpartner Climeworks auf dem Gelände des IGB in Straubing eine Demonstrationsanlage errichtet, die mit Hilfe von CO₂-Kollektoren Luft ansaugt, woraufhin das Gas von einem speziellen Filtermaterial im Inneren gebunden wird. In sogenannten Elektrolysezellen, die mit Strom betrieben werden, wurde CO₂ über elektrochemische Reaktionen zu einfachen C1- und C2-Verbindungen wie Ameisensäure umgewandelt. „Wirtschaftlich wird die elektrochemische Produktion erst dann, wenn es gelingt, die Verbindungen weiter in höherwertige Produkte umzusetzen“, sagt Csepei.

Mit Bakterien zum roten Farbstoff

Das gelang den Forschern im nächsten Schritt. Bei der biotechnologischen Umwandlung wurden mit Hilfe des Bakteriums Methylobacterium extorquens einfache Kohlenstoffverbindungen wie Ameisensäure in einen komplexen roten Farbstoff umgewandelt. „Wir konnten zeigen, dass die in der Fermentation eingesetzte Ameisensäure zu 14 Prozent in den terpenoiden Farbstoff überführt wird“, erklärt Jonathan Fabarius, der die Arbeiten zur Fermentation am IGB leitete. Fabarius zufolge wird der Farbstoff über den mikrobiellen Terpenstoffwechsel gebildet. Andere Bakterien hatten weniger effektiv gearbeitet, weil sie energiereichere Zuckermoleküle anstatt Ameisensäure oder Methanol als Energiequelle benötigen.

Erfolgreicher Test in Pilotanlage

Die von den Forschern im Labor entwickelte dreistufige Prozesskette wurde abschließend in die automatisierte Elektrolyseur-Demonstrationsanlage integriert und das System aus CO₂-Adsorber und Elektrolyseur im kontinuierlichen Betrieb validiert. „Mit unserer neuen Technologie lässt sich CO₂ elektrochemisch in C1-Zwischenprodukte und diese dann mit einer kombinierten Fermentation zu wertschöpfenden Verbindungen umwandeln“, fasst Projektleiter Csepei zusammen. Derzeit sind die Forscher dabei, die genaue Struktur des Farbstoffes aufzuklären.

Kombiverfahren für Produktion kleiner Mengen geeignet

Zudem könnten durch die Optimierung der Organismen und des Fermentationsschrittes auch Basischemikalien wie Milchsäure, Isopren oder das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure klimaneutral hergestellt werden. Da Kohlendioxid vor allem dezentral anfällt, könnten mithilfe des neuen Kombiverfahrens auch kleinere Mengen hochwertiger Chemikalien nun wirtschaftlich effektiv hergestellt werden.

Das Projekt "Cost-effective CO₂ conversion into chemicals via combination of Capture and ELectrochemical and BIochemical CONversion technologies – CELBICON" wurde im Rahmen des EU-Forschungsprogrammes Horizon 2020 von der Europäischen Union gefördert.