Aktuelle Veranstaltungen

Carbonfasern zählen zu den Hightech-Fasern und sind äußerst begehrt. Sie sind sehr leicht, zugleich äußerst stabil und hitzebeständig. Als Teil von Faserverbundwerkstoffen setzt die Industrie sie deshalb bevorzugt im Fahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrt ein. Aber auch Sportartikelhersteller haben den Werkstoff für sich entdeckt. Allerdings werden zur Produktion der Carbonfasern noch überwiegend erdölbasierte Rohstoffe genutzt, die teils giftige Abgase verursachen und umweltschädlich sind. Mit der Eröffnung einer Pilotanlage zur Herstellung holzbasierter Carbonfasern präsentiert das Technikum Laubholz (TLH) in Göppingen nun eine nachhaltige Alternative zur Produktion des vielseitigen Hightech-Materials.

„Die WDBSD CF-Technologie eröffnet den Unternehmen neue Möglichkeiten, nachhaltige Lösungen für eine Vielzahl von Produkten zu schaffen. Sie löst die aktuellen Anforderungen wie Ressourceneffizienz, Unabhängigkeit globaler Lieferketten und die Substitution fossiler Ressourcen“, sagt TLH-Geschäftsführer Tobias Wolfinger.

Der Strukturwandel im Rheinischen Revier ist in vollem Gange. Wo derzeit noch Braunkohle abgebaut wird, entsteht eine Modellregion für nachhaltiges und biobasiertes Wirtschaften. Doch unter welchen Bedingungen kann der Strukturwandel im Rheinischen Revier hin zu einer Modellregion Bioökonomie gelingen? Im Rahmen des Begleitforschungsprojektes „Bioökonomie – Verstehen. Verbinden. Unterstützen“ suchen Forschende der RWTH Aachen, der TU Dortmund und des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IBG-2) des Forschungszentrums Jülich gemeinsam nach Antworten. Das Dortmunder Team um Steffen Strese widmet sich dabei der Frage, was Unternehmen und Start-ups zur Gründung und Ansiedlung im Rheinischen Revier treibt und welche Stärken und Hürden damit einhergehen.

Unter welchen Bedingungen kann der Strukturwandel im Rheinischen Revier zu einer Modellregion Bioökonomie gelingen? Dieser Frage gehen Forschende der RWTH Aachen, der TU Dortmund und des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IBG-2) des Forschungszentrums Jülich (FZ Jülich) im Begleitforschungsprojekt „Bioökonomie – Verstehen. Verbinden. Unterstützen“ nach. Neben der regionalen Vernetzung aller Bioökonomie-Akteure spielt die Kommunikation und Wissensvermittlung eine entscheidende Rolle. Diesen Part übernimmt ein Team um Christian Klar am FZ Jülich. Hier wurde im Rahmen des Projektes eine Geschäftsstelle etabliert, um den Transfer der Erkenntnisse aus der Begleitforschung sowie den beiden Flagship-Projekten Bio4MatPro und BioökonomieREVIER in die bioökonomische Praxis zu unterstützen.

Klebstoffe sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Mit ihrer Hilfe lassen sich unterschiedlichste Materialien wie Glas und Kunststoff oder gar Holz und Metall verbinden und damit sorgen sie für eine lange Haltbarkeit der verschiedensten Produkte. Doch Klebstoffe basieren meist auf erdölbasierten Rohstoffen und sind äußerst stabil, wodurch das Recycling erschwert wird. Im Projekt BIOVIN haben Forschende vom Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock gemeinsam mit dem Klebstoffspezialisten Henkel an biobasierten Klebstoffen geforscht, die sich wieder lösen lassen.

Im Rahmen des dreijährigen Vorhabens, das vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert wurde, entwickelten die Projektpartner auf Basis von Kohlehydraten und Pflanzenölen neue Synthesebausteine für sogenannte entklebbare Klebstoffe. Aus den kommerziell verfügbaren biobasierten Plattformchemikalien, die aus Lignocellulose gewonnen wurden, konnte das Team eigenen Angaben zufolge mithilfe der Katalyse organische Verbindungen – konkret Diole und Polyole – in großen Mengen herstellen. Dabei handelt es sich um Zwischenprodukte, die zur Polymerherstellung benötigt werden.

Neue katalytische Synthesemethode entwickelt

Am LIKAT wurde hierfür eine katalytische Synthesemethode entwickelt, die es ermöglicht, „nahezu jedes biobasierte Polyol oder Phenol in Vinylether umzuwandeln“ – also in Monomere, die zur Herstellung polymerer Klebstoffe genutzt werden. „Mit einer Ausbeute von bis zu 98 % und einer deutlich geringeren Bildung unerwünschter Beiprodukte ist der Prozess selektiver, effizienter und umweltfreundlicher als das bisher bedeutendste, kommerzielle Verfahren“, berichten die Forschenden.

Im Projekt wurden die neuen Polyole zum einen als Reaktivkomponenten in Polyurethanklebstoffen getestet. Zum anderen wurden Diole und Polyole zu neuen, biobasierten, multifunktionellen Divinylethern (DVE) verarbeitet, aus denen wiederum entklebbare Klebstoffe entstanden.

Vinylether-basierte Polymere für entklebbare Klebstoffe

Diese neuen biobasierten Klebstoffverbindungen hafteten demnach besonders gut auf Kunststoffen, auf Metallen hingegen schlechter. Zudem überzeugten sie mit einer „niedrigeren Toxizität und einem angenehmeren Geruch“ im Vergleich zu den erdölbasierten Verbindungen. Auch lassen sich die neuen Klebstoffe durch Hitze, Licht oder Säure gezielt wieder entkleben, berichten die Forschenden. „Die Entklebung gelang bei milden Versuchsbedingungen sowohl durch thermische als auch durch chemische Spaltung und wurde durch spektroskopische Untersuchungen nachgewiesen.“

Enormes Potenzial für recyclingfreundliche Klebstoffe

Mithilfe entklebbarer Klebstoffe ließen sich viele Elektronikprodukte oder Haushaltsgeräte nicht nur besser reparieren, sondern auch besser recyceln und damit Rohstoffe einsparen. Auch wenn es noch Optimierungsbedarf gebe, so würden die neu entwickelten Vinylether-basierten Polymere bereits heute ihr „enormes Potenzial für neue, recyclingfreundliche Klebstoffsysteme“ zeigen, schreiben die Forschenden. Demnach testet der Projektpartner Henkel erste Prototypen der neu entwickelten Klebstoffverbindungen. Sollten die Tests erfolgreich sein, will das Unternehmen die ausgewählten Vinylether im kommerziellen Maßstab herstellen lassen.

Adhesives are an integral part of our everyday lives. They can be used to bond a wide variety of materials such as glass and plastic or even wood and metal, ensuring the durability of a wide range of products. However, adhesives are usually based on petroleum-based raw materials and are extremely stable, which makes recycling difficult. In the BIOVIN project, researchers from the Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) in Rostock have joined forces with adhesives specialist Henkel to research bio-based adhesives that can be removed again.

As part of the three-year project, which was funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL), the project partners developed new synthetic building blocks for so-called releasable adhesives based on carbohydrates and vegetable oils. According to the team, they were able to produce large quantities of organic compounds - specifically diols and polyols - from the commercially available bio-based platform chemicals obtained from lignocellulose using catalysis. These are intermediate products that are required for polymer production.

New catalytic synthesis method developed

A catalytic synthesis method was developed at LIKAT that makes it possible to ‘convert almost any bio-based polyol or phenol into vinyl ether’ - i.e. into monomers that are used to produce polymer adhesives. ‘With a yield of up to 98% and a significantly lower formation of undesirable by-products, the process is more selective, efficient and environmentally friendly than the most important commercial technique to date,’ report the researchers.

In the project, the new polyols were tested as reactive components in polyurethane adhesives. In addition, diols and polyols were processed into new, bio-based, multifunctional divinyl ethers (DVE), which in turn were used to produce de-adhesive adhesives.

Vinyl ether-based polymers for release adhesives

These new bio-based adhesive compounds were found to adhere particularly well to plastics, but less well to metals. They also boasted ‘lower toxicity and a more pleasant odour’ compared to petroleum-based compounds. The researchers report that the new adhesives can also be specifically de-bonded using heat, light or acid. ‘De-adhesion was achieved under mild test conditions through both thermal and chemical decomposition and was verified by spectroscopic analyses.’

Enormous potential for recycling-friendly adhesives

With the help of debonding adhesives, many electronic products or household appliances could not only be repaired more effectively, but also recycled more efficiently, thus saving raw materials. Even if there is still room for optimisation, the newly developed vinyl ether-based polymers are already demonstrating their ‘enormous potential for new, recycling-friendly adhesive systems’, the researchers write. Accordingly, project partner Henkel is testing the first prototypes of the newly developed adhesive compounds. If the tests are successful, the company intends to have the selected vinyl ethers produced on a commercial scale.

Bis 2050 soll die Weltbevölkerung auf rund 9,7 Milliarden Menschen anwachsen, deren Ernährung eine globale Herausforderung wird. Längst wird daran geforscht, Grundnahrungsmittel wie Reis ertragreicher und auch hinsichtlich der Inhaltsstoffe nahrhafter zu machen. Beispielsweise enthalten sogenannte HAHP-Reisorten (high amylose, high protein) im Vergleich zu herkömmlichen Reissorten besonders viel Protein und das Kohlenhydrat Amylose. Sie sind damit vor allem für Menschen mit Proteinmangel und auch für Diabetiker geeignet. Forschenden des Internationalen Reisforschungsinstituts (IRRI) auf den Philippinen und des Max-Planck-Instituts für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam ist es nun gelungen, HAHP-Reissorten mit weiteren positiven Eigenschaften zu entwickeln.

Kreuzungen, Genanalysen und Genom-Editierung als Grundlage

Herkömmliche Reissorten besitzen einen niedrigen Proteingehalt von 2 bis 8% und einen hohen Kohlenhydratanteil von bis zu 80%. Welche Gene für diese Zusammensetzung verantwortlich sind, hat das Forscherteam durch Kreuzungsexperimente zwischen den Reissorten Samba Mahsuri und IR36ae sowie mithilfe von DNA-Analysen herausgefunden.

Wie das Team in der Fachzeitschrift „PNAS“ berichtet, wird der Gehalt der schwer verdaulichen Amylose im Reiskorn durch das Gen sbeIIb beeinflusst und damit auch der glykämische Index. Der glykämische Index besagt, wie stark ein kohlenhydrathaltiges Lebensmittel auf den Blutzuckerspiegel wirkt und ob es für Diabetiker geeignet ist. Den Forschenden zufolge gelang es mithilfe der Genschere CRISPR-Cas durch den Austausch einer einzelnen Base des sbeIIb-Gens, den Amylose-Gehalt im Reiskorn um 8% zu steigern und zugleich den glykämischen Index um 60% zu reduzieren.

Wertvolle Inhaltsstoffe und hohe Erträge

Darüber hinaus überzeugt der neu entwickelte Reis mit weiteren wichtigen Inhaltsstoffen: Er enthält eine Fülle essenzieller Aminosäuren wie Histidin, Isoleucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin und Valin. Diese lebenswichtigen Aminosäuren müssen über die Nahrung aufgenommen werden, weil sie vom Körper nicht selbst produziert werden können. „Die neuen Reissorten könnten in Regionen eine wichtige Quelle für Proteine und essenzielle Aminosäuren wie Lysin werden, in denen Reis ein Grundnahrungsmittel ist“, sagt Alisdair Ferni vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie.

Noch etwas ist besonders an den neu entwickelten Sorten: Den Forschenden zufolge liefern die neuen Pflanzen ähnlich hohe Erträge wie sogenannte Hochertragssorten, was für HAHP-Reis nicht selbstverständlich ist.

Mögliche EU-Zulassung für gentechnikfreie Reissorten

Neben den neuen genom-editierten Pflanzen konnten die Forschenden den proteinreichen und zuckerarmen Reis auch mithilfe konventioneller Züchtung herstellen. „Solcher HAHP-Reis wäre deshalb nicht von einer künftigen Änderung des EU-Gentechnikgesetzes betroffen, denn er ist ja nicht gentechnisch verändert. Er könnte also auch in der EU zugelassen werden“, sagt Rhowell Tiozon Jr. vom Internationalen Reisforschungsinstitut.
Die Forschenden wollen nun die gezielte Züchtung künftig auch an Reissorten in Asien und Afrika vornehmen und so die Nahrungsgrundlage für möglichst viele Menschen verbessern.

am/bb

The world's population is expected to grow to around 9.7 billion people by 2050, and feeding them will be a global challenge. Research has long been underway to make staple foods such as rice more productive and also more nutritious in terms of their ingredients. For example, so-called HAHP rice varieties (high amylose, high protein) contain particularly high levels of protein and the carbohydrate amylose compared to conventional rice varieties. This makes them particularly suitable for people with a protein deficiency and also for diabetics. Researchers at the International Rice Research Institute (IRRI) in the Philippines and the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology in Potsdam have now succeeded in developing HAHP rice varieties with additional positive properties.

Crossbreeding, genetic analyses and genome editing as a basis

Conventional rice varieties have a low protein content of 2 to 8% and a high carbohydrate content of up to 80%. The research team found out which genes are responsible for this composition through crossing experiments between the rice varieties Samba Mahsuri and IR36ae and with the help of DNA analyses.

As the team reports in the scientific journal "PNAS", the content of the poorly digestible amylose in the rice grain is influenced by the gene sbeIIb and therefore also the glycaemic index. The glycaemic index indicates how strongly a carbohydrate-containing food affects blood sugar levels and whether it is suitable for diabetics. According to the researchers, by replacing a single base of the sbeIIb gene using the CRISPR-Cas gene scissors, it was possible to increase the amylose content in the rice grain by 8% and at the same time reduce the glycaemic index by 60%.

Valuable ingredients and high yields

The newly developed rice also convinces with other important ingredients: It contains a wealth of essential amino acids such as histidine, isoleucine, lysine, methionine, phenylalanine and valine. These vital amino acids must be obtained from food because they cannot be produced by the body itself. ‘The new rice varieties could become an important source of proteins and essential amino acids such as lysine in regions where rice is a staple food,’ says Alisdair Ferni from the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology.

There is something else special about the newly developed varieties: according to the researchers, the new plants deliver yields similar to so-called high-yielding varieties, which is not a given for HAHP rice.

Possible EU authorisation for GMO-free rice varieties

In addition to the new genome-edited plants, the researchers were also able to produce the high-protein, low-sugar rice using conventional breeding methods. ‘Such HAHP rice would therefore not be affected by a future amendment to the EU Genetic Engineering Act, as it is not genetically modified. It could therefore also be authorised in the EU,’ says Rhowell Tiozon Jr. from the International Rice Research Institute.
The researchers now want to carry out targeted breeding on rice varieties in Asia and Africa in the future in order to improve the food supply for as many people as possible.

am/bb

Laut einer Studie von Greenpeace Nordic konkurrieren die geschätzten Methanemissionen von 29 großen Fleisch- und Molkereiunternehmen mit denen der 100 größten fossilen Brennstoffunternehmen der Welt.

Der Greenpeace-Bericht mit dem Titel „Turning down the heat: Pulling the Climate Emergency Brake on Big Meat and Dairy“ legt dar, dass die Klimaerwärmung durch eine Umstellung des Ernährungssystems, die mit den Richtlinien der EAT-Lancet Planetary Health Diet übereinstimmt, deutlich verlangsamt werden könnte. Der Studie zufolge würde sich die Erde um weitere 0,32 Grad Celsius erwärmen, bliebe die Fleisch- und Milchindustrie unreguliert. Eine Abkehr von der Überproduktion und dem übermäßigen Konsum tierischer Produkte bis 2050 könnte hingegen zu einer Abkühlung um 0,12 Grad Celsius führen.

Auch ein bereits im Juli von der Boston Consulting Group (BCG), dem Good Food Institute (GFI) und Synthesis Capital veröffentlichter Bericht besagt, dass alternative Proteine, wenn sie die Hälfte des Marktanteils am globalen Proteinmarkt erreichen, die Treibhausgasemissionen der Landwirtschaft und der Landnutzung bis 2050 um fast ein Drittel reduzieren würden. Diese Verlagerung würde jährlich 5 Gigatonnen CO2-Äquivalente einsparen, was wiederum dem Ausscheiden von 50% der benzinbetriebenen Autos aus dem Verkehr entsprechen würde.

Ob Landwirtschaft, Verkehr oder Wohnungsbau: Land ist eine knappe und hart umkämpfte Ressource. Doch wie Land genutzt wird, hat maßgeblichen Einfluss auf Klima, Biodiversität und Ernährungssicherheit. Wie könnte eine gerechte und nachhaltige Landnutzung in Zukunft aussehen? Diese Frage stand im Fokus der Zukunftswerkstatt „Landwende: Wie wollen wir Leben?“. Im Rahmen der Veranstaltung, die im April dieses Jahres in Halle von der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina durchgeführt wurde, haben sich insgesamt 29 junge Erwachsene mit diesem Thema auseinandergesetzt und Wege aus dem sogenannten Trilemma gesucht.

Zukunftsvision als visuelle Erzählung erschienen

Unterstützt vom Fraunhofer-Institut für Innovationsforschung ISI entwickelten die Teilnehmenden im Alter von 18 und 27 Jahren im Laufe des fünftägigen Treffens Visionen eines idealen Landkreises im Jahr 2070.

Diese Vision wurde nun als visuelle Erzählung – als „Graphic Novel“ – veröffentlicht. Zeichnungen und Wortblasen geben hier Einblicke in den Visionsprozess der Zukunftswerkstatt. Schritt für Schritt wird aufgezeigt, wie sich die Vision entwickelt hat.

Konkrete Schritte zur Gestaltung der Landwende

Die Vision zur Landwende beruht demnach auf den fünf Kategorien „Miteinander und soziale Gerechtigkeit“, „Bildung und Versorgung“, „Ressourcennutzung“, „Landschaftsbild und Landschaftsnutzung“ sowie „Wirtschaft und Kreisläufe“. Zu jedem einzelnen Thema wurden Thesen formuliert, diskutiert und Visionen entwickelt. Die Novelle zeigt schließlich konkrete Schritte auf, wie die Gesellschaft die Landwende schaffen und gestalten kann.

An der Technischen Universität Berlin treiben Professor Peter Neubauer und Dr. Nicolaz Cruz Bournazu die Digitalisierung der Biotechnologie voran. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) haben sie seit 2020 das KIWI-biolab aufgebaut, ein Zukunftslabor für KI-gestützte Bioprozess-Entwicklung. Diesen Sommer bekam das Team nun den Zuschlag für eine weitere große BMBF-Förderung: Neubauer und Cruz werden ab 2025 die Koordination der DATIpilot-Innovationscommunity BioBlock übernehmen (Budget: 5 Mio. Euro). Ziel von BioBlock ist, eine sichere und demokratische Wissensaustauschplattform auf Basis von fragmentierten Daten und Blockchain-Technologien in der Biotechnologie zu etablieren. So soll Transfer und Innovation mithilfe von überprüfbaren und verwertbaren FAIR-Daten gefördert werden, also Daten, die auffindbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar sind. An dem Konsortium sind unter anderem die Siemens AG, Sartorius Stedim Biotech GmbH und das Institute for Applied Blockchain (IABC) beteiligt.

Kunststoffe verschmutzen nicht nur die Gewässer und das Land. Die winzigen Nano- und Mikroplastikpartikel (NMP) werden auch zunehmend für die Ökosysteme zu einer Gefahr. Welche negativen Folgen Mikroplastik für die marinen Ökosysteme und einzelne Meeresbewohner hat, ist bereits durch zahlreiche Studien belegt. Welche Folgen die Verschmutzung auf Agrarökosysteme hat, ist hingegen wenig untersucht. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Universität Tübingen sowie chinesischer Forschender liefert dazu nun erstmals Daten.

Folgen der Plastikverschmutzung für Insekten und Landwirtschaft

Im Rahmen einer sogenannten Übersichtsstudie hat das Forschungsteam insgesamt 21 bereits veröffentlichte Einzeluntersuchungen zusammengefasst. Dabei konzentrierten sich die Forschenden darauf, wie Bestäuberinsekten und andere Nützlinge mit den Nano- und Mikroplastikpartikeln in Kontakt kommen und welche Folgen die Plastikaufnahme für Insekten sowie für die von ihnen abhängigen Ökosysteme und die landwirtschaftliche Produktion hat.

Wie das Team in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichtet, konnten verschiedene Quellen identifiziert werden, die zur Plastikverschmutzung beitragen. Dazu zählen unter anderem Plastikfolien, Düngemittel, verschmutztes Wasser, aber auch atmosphärische Ablagerungen – also Partikel, die über die Luft verbreitet werden.

Bestäuberleistung der Bienen und Ertrag gefährdet

Das Problem: Die Plastikpartikel reichern sich in den Böden an und werden dann von Bestäubern und Nutzinsekten, die wichtige Gehilfen bei der Schädlingsbekämpfung sind, über die Luft und die Nahrung aufgenommen oder sogar im Nestbau verwendet. Den Forschenden zufolge kann die Aufnahme der NMP bei Bienen beispielsweise zu Verdauungsproblemen und Verhaltensänderungen führen und das Immunsystem schwächen. Dadurch würden die Bienen beispielsweise anfälliger für Krankheiten und könnten Pflanzen möglicherweise weniger effektiv bestäuben, schreiben die Forschenden.

„Wir finden Mikroplastik im Darm von Bienen und sehen, wie Wildbienen Plastik zum Nestbau nutzen. Wir müssen daher dringend erforschen, welche Wechselwirkung dies mit anderen Stressoren, wie dem Klimawandel, für die Bienen und ihre Bestäubungsleistungen hat“, sagt Alexandra-Maria Klein, Ko-Autorin der Studie und Professorin für Naturschutz und Landschaftsökologie an der Universität Freiburg.

Wenn die natürlichen Bestäuber kränkeln oder gar ganz ausfallen, hätte das fatale Folgen für die landwirtschaftliche Produktion. „Eine sinkende Bestäubungsleistung wirkt sich nachteilig auf den Ertrag von Nutzpflanzen aus. Die Plastikverschmutzung könne so bestehende Unsicherheiten bei der globalen Nahrungsmittelversorgung weiter verschärfen“, warnen die Forschenden.

Hotspots für Wechselwirkung von Plastikpartikeln und Viren identifiziert

Aber nicht nur das: Die Verschmutzung durch Nano- und Mikroplastikpartikel kann der Studie zufolge die negativen Effekte von anderen Umweltstressoren wie Pestiziden, chemische Verschmutzung, Pilzen und Krankheitserregern noch verstärken. So konnten die Forschenden „Hotspots“ identifizieren, an denen es eine Wechselwirkung zwischen Plastikpartikeln und schädlichen Viren gab. Solche Interaktionen könnten „zu besonders gravierenderen Effekten von NMP auf Bestäuber und damit auf die Stabilität des Nahrungsmittelsystems führen“, schreiben die Forschenden.

In der Studie wird erstmals systematisch aufgezeigt, wie sich die Plastikverschmutzung auf Bienen auswirkt und welche Folgen das für die Landwirtschaft hat. Weitere Forschungen seien jedoch dringend nötig, da die Datenlage zu einigen Bestäubern und Nützlingen wie Hummeln und Marienkäfern mitunter unzureichend war und sich daher die Wirkung verschiedener NMP-Größen und -Mengen nicht differenziert beschreiben ließen. Für die Freiburger Forscherin Alexandra-Maria Klein steht jedoch fest: „Die Plastikverschmutzung muss dringend politisch gesteuert werden.“

Plastics are not only polluting the water and land. The tiny nano- and microplastic particles (NMP) are also increasingly becoming a threat to ecosystems. The negative consequences of microplastics for marine ecosystems and individual sea creatures have already been documented by numerous studies. However, the consequences of pollution on agricultural ecosystems have been investigated very little. An international research team involving the University of Freiburg, the University of Tübingen and Chinese researchers is now providing data on this for the first time.

Consequences of plastic pollution for insects and agriculture

As part of a so-called review study, the research team summarised a total of 21 previously published individual studies. The researchers focussed on how pollinator insects and other beneficial insects come into contact with nano- and microplastic particles and what consequences plastic ingestion has for insects as well as for the ecosystems and agricultural production that depend on them.

As the team reports in the scientific journal "Nature Communications", they were able to identify various sources that contribute to plastic pollution. These include plastic films, fertilisers, polluted water, but also atmospheric deposition - i.e. particles that are spread through the air.

Pollinator performance of bees and yield endangered

The problem: the plastic particles accumulate in the soil and are then ingested by pollinators and beneficial insects, which are important helpers in pest control, via the air and food or even used in nest building. According to the researchers, the ingestion of NMPs can lead to digestive problems and behavioural changes in bees and weaken the immune system. This would make the bees more susceptible to diseases, for example, and possibly less effective at pollinating plants, the researchers write.

‘We find microplastics in the gut of bees and see how wild bees use plastic to build nests. We therefore urgently need to investigate how this interacts with other stressors, such as climate change, for bees and their pollination services,’ says Alexandra-Maria Klein, co-author of the study and Professor of Nature Conservation and Landscape Ecology at the University of Freiburg.

If the natural pollinators fall ill or even fail completely, this would have fatal consequences for agricultural production. ‘A decline in pollination performance has a detrimental effect on crop yields. Plastic pollution could thus further exacerbate existing uncertainties in the global food supply,’ the researchers warn.

Hotspots for interaction between plastic particles and viruses identified

But that's not all: according to the study, pollution from nano- and microplastic particles can intensify the negative effects of other environmental stressors such as pesticides, chemical pollution, fungi and pathogens. The researchers were able to identify ‘hotspots’ where there was an interaction between plastic particles and harmful viruses. Such interactions could ‘lead to particularly serious effects of NMP on pollinators and thus on the stability of the food system’, the researchers write.

The study is the first to systematically show how plastic pollution affects bees and what consequences this has for agriculture. However, further research is urgently needed, as the data available on some pollinators and beneficial insects such as bumblebees and ladybirds was sometimes inadequate and it was therefore not possible to differentiate between the effects of different NMP sizes and quantities. For Freiburg researcher Alexandra-Maria Klein, however, one thing is certain: ‘Plastic pollution must urgently be controlled politically.'

Ob Holzreste, Weizenstroh, Molkereste oder Mikroalgen: Bei der Herstellung wichtiger Chemikalien werden immer öfter fossile Rohstoffe durch biobasierte Roh- und Reststoffe ersetzt. Vor allem die Nutzung industrieller Rest- und Abfallstoffe bietet ein enormes Potenzial, um Ressourcen im Kreislauf zu führen und damit die Umwelt zu schonen. Eine vielversprechende Rohstoffquelle ist altes Speiseöl, das in Gewerbeküchen und Restaurants in großen Mengen anfällt. Bisher wird das gebrauchte Altöl vorwiegend zu Biokraftstoffen verarbeitet. Nun haben Forschende vom Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock einen Weg gefunden, um aus altem Frittieröl neue biobasierte Chemikalien herzustellen.

Amine aus altem Speiseöl synthetisiert

„Unser Ziel ist es, gebrauchtes Speiseöl als nützliches chemisches Ausgangsmaterial zur Herstellung wertvoller Produkte zu erschließen. Amine waren eine naheliegende Wahl“, sagt Fairoosa Poovan, Doktorandin vom LIKAT.

Amine sind organische Verbindungen, die vom Ammoniak abgeleitet sind. Diese sogenannten Derivate werden in der organischen Chemie als Ausgangsstoff zu Herstellung verschiedener Produkte wie Arznei-, Wasch- und Reinigungs- oder Desinfektionsmittel.

Kobalt-basierter Katalysator entwickelt

In der Forschungsgruppe von Matthias Beller am LIKAT entwickelte Fairoosa Poovan einen Kobalt-basierten Katalysator, der gebrauchtes Speiseöl effizient in primäre Fettsäurenamine umwandeln kann. Ziel war es, einen Katalysator zu entwickeln, der diese primären Amine aus Bioabfällen kostengünstig und effizient herstellen kann. Bisher erfolgt die Herstellung von Fettsäureaminen über den sogenannten Nitrilweg in drei Schritten. Dafür sind nicht nur „harte Reaktionsbedingungen“ wie hohe Temperaturen erforderlich. Am Ende entsteht ein Produktgemisch aus verschiedenen Aminen, die sich strukturell sehr ähneln und daher nur schwer zu trennen sind.

Biobasierte Amine in einem Schritt produziert

Der am LIKAT entwickelte Katalysator kann hingegen die Amine aus altem Speiseöl bei moderaten Temperaturen und in nur einem Schritt synthetisieren. Das primäre Amin werde aufgrund der hohen Effizienz des Katalysators mit „hervorragender Selektivität“ und zudem kosteneffizient durch den Einsatz von Kobalt als unedles Metall produziert, berichtet die Forscherin. In Laborversuchen wurde hierfür handelsübliches Sonnenblumenöl verwendet.

„Es war unser Ziel, den Prozess so einfach wie möglich zu halten und ein Ein-Topf-System zu entwickeln, mit dem wir alle Substanzen samt Katalysator als Lösung in einem Gefäß kombinieren. Dies verbessert die Ressourcen-, Atom- und Reaktionseffizienz signifikant“, sagt Fairoosa.

Sonnenblumenöl besteht, wie auch andere Speiseöle, aus verschiedenen Fettsäurekomponenten, die unterschiedlich lange Ketten von 16 bis 18 Kohlenstoffatomen besitzen. Poovan zufolge ist es wichtig, das Verhältnis der verschiedenen Fettsäuren im gebrauchten Speiseöl zu kennen, um Reaktion sowie Funktion und Effizienz des Katalysators beurteilen zu können.

Kohlenstoff im Kreislauf nutzen

Mithilfe des neuen Katalysators können demnach nicht nur Rohstoffe im Kreislauf geführt werden. Durch die Weiternutzung des Abfallstoffs wird auch verhindert, dass der im alten Speiseöl enthaltene atomare Kohlenstoff bei der Herstellung von Biospirit verbrannt wird und in die Umwelt gelangt. Den Forschenden zufolge kann der gleiche Prozess auch für das Upcycling von Kunststoffen verwendet werden.

Whether wood residues, wheat straw, dairy residues or microalgae: In the production of important chemicals, fossil raw materials are increasingly being replaced by bio-based raw and residual materials. The utilisation of industrial residues and waste materials in particular offers enormous potential for recycling resources and thus protecting the environment. One promising source of raw materials is used cooking oil, which is produced in large quantities in commercial kitchens and restaurants. Until now, used cooking oil has mainly been processed into biofuels. Researchers from the Leibniz Institute for Catalysis (LIKAT) in Rostock have now found a way to produce new bio-based chemicals from used frying oil.

Amines synthesised from used cooking oil

‘Our aim is to utilise used cooking oil as a useful chemical starting material for the manufacture of valuable products. Amines were an obvious choice,’ says Fairoosa Poovan, PhD student at LIKAT.

Amines are organic compounds derived from ammonia. These so-called derivatives are used in organic chemistry as starting materials for the manufacture of various products such as pharmaceuticals, detergents, cleaning agents and disinfectants.

Kobalt-basierter Katalysator entwickelt

In Matthias Beller's research group at LIKAT, Fairoosa Poovan developed a cobalt-based catalyser that can efficiently convert used cooking oil into primary fatty acid amines. The aim was to develop a catalyser that can produce these primary amines from biowaste cost-effectively and efficiently. Until now, fatty acid amines have been produced in three steps via the so-called nitrile pathway. This not only requires ‘harsh reaction conditions’ such as high temperatures. The end result is a product mixture of different amines that are structurally very similar and therefore difficult to separate.

Bio-based amines produced in one step

The catalyst developed at LIKAT, on the other hand, can synthesise the amines from used cooking oil at moderate temperatures and in just one step. The primary amine is produced with ‘excellent selectivity’ due to the high efficiency of the catalyst and also cost-effectively by using cobalt as a base metal, reports the researcher. Commercially available sunflower oil was used for this in laboratory tests.

‘Our aim was to keep the process as simple as possible and to develop a one-pot system in which we combine all substances including the catalyst as a solution in one vessel. This significantly improves resource, atomic and reaction efficiency,’ says Fairoosa.

Sunflower oil, like other edible oils, consists of various fatty acid components with chains of different lengths ranging from 16 to 18 carbon atoms. According to Poovan, it is important to know the ratio of the different fatty acids in the edible oil used in order to be able to assess the reaction as well as the function and efficiency of the catalyst.

Utilising carbon in the cycle

The new catalyst can therefore not only be used to recycle raw materials. The further utilisation of the waste material also prevents the atomic carbon contained in the old cooking oil from being burnt during the production of biospirit and being released into the environment. According to the researchers, the same process can also be used to upcycle plastics.

Nutzpflanzen hinsichtlich ihrer Inhaltsstoffe zu optimieren, ist entscheidend für die Ernährung künftiger Generationen. Um besser nachzuvollziehen, welche Stoffwechselveränderungen etwa durch Züchtung oder Gentechnik in Kulturpflanzen bewirkt werden, wird in der Pflanzenbiologie schon länger nach bildgebenden Methoden gesucht. Forschende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben haben nun eine Methode entwickelt, die ganz neue Einblicke in das Metabolom lebender Pflanzen ermöglicht.

Bildgebende Prozesse zur Analyse des Metaboloms

Als Metabolom bezeichnet man die Gesamtheit aller kleinen Moleküle, die in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organismus zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden sind. Diese Moleküle, auch Metaboliten genannt, sind Zwischen- oder Endprodukte von biochemischen Reaktionen im Stoffwechsel und umfassen eine Vielzahl von Substanzen wie Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Vitamine.

In tierischem Gewebe kann die räumliche und zeitliche Verteilung von Metaboliten mittels Kernspintomografie (NMR) oder Magnetresonanztomografie (MRT) sichtbar gemacht werden. Bei Pflanzen funktioniert das bisher nicht, weil pflanzliche Gewebe deutlich mehr verschiedene Zelltypen und Metaboliten beinhalten, deren Signale von NMR und MRT nicht gut voneinander getrennt werden können.

Nicht-invasiver Zugang zum Stoffwechsel von Pflanzen

Für dieses Problem hat die Forschungsgruppe nun eine Lösung gefunden. In Kombination mit einem Chemical Exchange Saturation Transfer – kurz CEST – kann mittels MRT ein gut auflösendes Bild von Pflanzengewebe bewerkstelligt werden. Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, ermöglicht CEST „einen nicht-invasiven Zugang zum Stoffwechsel von Zuckern und Aminosäuren in sogenannten komplexen Speicherorganen wie Samen, Früchten, Pfahlwurzeln und Knollen, oder anderen wichtigen Nahrungspflanzen wie Mais, Gerste, Erbse, Kartoffel, Zuckerrübe und Zuckerrohr“.

Durch CEST wird „die winzige Magnetisierung der Metabolitmoleküle mehrfach auf die Wassermoleküle übertragen, sodass effektiv ein Verstärkungseffekt um den Faktor 10 bis 1000 auftritt, der mittels Wasser-MRT dann effizient beobachtet werden kann. Auf diese Weise ermöglicht CEST den Nachweis verschiedener Metaboliten aufgrund ihrer Fähigkeit, Protonen mit Wasser auszutauschen, und liefert so einen zusätzlichen MRT-Kontrast“, erklärt Simon Mayer, Erstautor der Studie und Forscher sowohl am IPK als auch an der JMU.

Leistungsfähige Pflanzen-MRT

In ihrer Studie untersuchte das Forschungsteam konkret die Dynamik von Metaboliten in sich entwickelnden Samen. „Unsere Studien zeigen, dass CEST ein leistungsfähiger MRT-Ansatz ist, der die In-vivo-Stoffwechselanalyse in Pflanzen erleichtert und trotz der magnetischen Heterogenität der Proben eine mikroskopische Auflösung und dynamische Bewertung der Zucker- und Aminosäureverteilung ermöglicht", sagt Mitautorin Ljudmilla Borisjuk vom IPK. Diese nichtinvasive Visualisierung von Metaboliten kann der Forscherin zufolge in unterschiedlichen Pflanzenarten, Pflanzensorten und zur diagnostischen Analyse von Organen genutzt werden, ohne dass eine vorherige Markierung oder aufwendige Probenaufbereitung erforderlich ist.

Möglicher Einsatz bei Kulturpflanzen

Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse hofft das Team, dass die durch CEST gewonnenen Erkenntnisse zukünftig genutzt werden, um Kulturpflanzen zu verbessern. „Die Visualisierung der Metabolitendynamik in lebenden Pflanzen ist ein hervorragendes Instrument, um strukturelle und metabolische Interaktionen bei der Reaktion von Pflanzen auf sich ständig verändernde Umweltbedingungen besser zu verstehen“, sagt Borisjuk. „Daher ist die Einführung von CEST, das die interne Gewebestruktur und die Metabolitendynamik sichtbar macht, ein wichtiger Meilenstein.“

am/bb

Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft, Papierindustrie oder Lebensmittelproduktion sind längst zu einer wertvollen Rohstoffquelle für neue biobasierte und nachhaltige Produkte geworden. Damit können nicht nur fossile Rohstoffe ersetzt, sondern auch Ressourcen und Umwelt geschont werden. Ein zentrales Anliegen der Bioökonomie ist es, Produkte zu entwickeln, deren Rohstoffe wiederverwendet und somit in den Kreislauf zurückgeführt werden.

Solche innovativen Ansätze werden von der Volkswagenstiftung im Rahmen der Förderinitiative „Zirkularität mit recycelten und biogenen Rohstoffen“ gefördert. Konkret wurden sechs praxisrelevante Forschungsansätze ausgewählt, die geschlossene Rohstoff-Produkt-Kreisläufe anstreben und mit insgesamt 7,8 Mio. Euro unterstützt werden. 6,6 Mio. Euro fließen davon allein in Innovationen zur Bioökonomie.

Lignin als Pflanzenschutz und PFAS-Absorber

So wird die Freie Universität Berlin bei gleich zwei Projekten von der Volkswagenstiftung gefördert. Im Projekt LignoCide wollen Forschende das pflanzliche Biopolymer Lignin nutzen, das bei der Papierproduktion als Reststoff anfällt. Daraus soll eine Sprühbeschichtung entwickelt werden, die Pflanzen vor mikrobiellen Schadorganismen wie Bakterien und Viren schützt und chemische Pestizide in der Landwirtschaft ersetzen kann.

Lignin dient auch dem Projekt Sustainable Solutions for PFAS Removal als Rohstoff. Auf Basis des Biopolymers wollen die Berliner Forschenden mit Partnern funktionalisierte Adsorberperlen entwickeln, die per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen – kurz PFAS – effizient aus kontaminiertem Wasser entfernen können. PFAS sind sogenannte Ewigkeitschemikalien. Sie werden beispielsweise zur Beschichtung von Qutdoorkleidung eingesetzt, weil sie wasser-, fett- und schmutzabweisend und vor allem langlebig sind.

Mulchfolie aus pflanzlichen Proteinen

Abfälle aus der Geflügelproduktion, Gärreste aus Biogasanlagen oder Raps stehen wiederum im Fokus des Projektes ReProFilm. Forschende der Technischen Universität Hamburg-Harburg wollen mit Partnern aus den Abfällen Proteine für gleich zwei Produkte gewinnen: Neben einer Sprühbeschichtung, die Obst und Gemüse länger haltbar macht, wird auf Basis der pflanzlichen Proteine eine funktionalisierte Mulchfolie für den Einsatz in der Landwirtschaft entwickelt.

Kunststoffrecycling mit Enzymen

Im Projekt BioLoop wollen Forschende der Universität Kassel gemeinsam Partnern das Recycling von Kunststofffolien durch mikrobielle Zersetzung verbessern. Mithilfe von Enzymen sollen hier Polymere aus Polyethylen – kurz PE – in kleinere Teile zerlegt und anschließend in hochwertige Produkte umgewandelt werden.

Die Entwicklung eines zirkulären Produktionsweges für biobasiertes PE steht wiederum im Fokus eines an der Technische Universität Clausthal etablierten Vorhabens. Ziel ist es, eine neuartige, molekular maßgeschneiderte verzweigte PE-Sorte einzuführen. Als Rohstoff dient Biobutadien, das aus Reststoffen aus der Landwirtschaft sowie Lebensmittelabfällen gewonnen wird.

Die Volkswagenstiftung ist eine eigenständige, gemeinnützige Stiftung privaten Rechts. Mit einem Fördervolumen von insgesamt 150 Mio. Euro pro Jahr ist sie eigenen Angaben nach die größte private wissenschaftsfördernde Stiftung in Deutschland. Seit ihrer Gründung vor mehr als 60 Jahren wurden rund 33.000 Projekte mit insgesamt mehr als 5,5 Mrd. Euro gefördert.