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Auf landwirtschaftlichen Flächen Nahrungsmittel produzieren und gleichzeitig Strom erzeugen – dieses Konzept ist nicht neu. Sogenannte Agri-Photovoltaik-Anlagen (Agri-PV-Anlage) werden bundesweit bereits an verschiedenen Orten getestet. Ein Vorteil: Durch die doppelte Nutzung landwirtschaftlicher Flächen entstehen neue Einkommensquellen für Landwirtinnen und Landwirte. Im Projekt MoorPower wird nun geprüft, ob ein solches Konzept auch die Wiedervernässung degradierter Moorböden für Landwirtschaftsbetriebe attraktiver machen kann. Das dreieinhalbjährige Verbundprojekt wird vom Bundesforschungsministerium mit 7 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt sind Forschende der Universitäten Greifswald und Hohenheim, des Johann Heinrich von Thünen-Instituts und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE.

Kopplung von PV und Wiedervernässung ist Neuland

Moor-Photovoltaik (Moor-PV) bezeichnet die gleichzeitige Nutzung wiedervernässter Moorböden für Klimaschutz und Stromerzeugung. Das Konzept ist neu und der Forschungsbedarf daher erheblich. „Die parallele Planung der Photovoltaik-Anlage und der Wiedervernässung ist absolutes Neuland. Im Rahmen des Projektes möchten wir durch die konkrete Implementierung, die beste Herangehensweise für Moor-PV-Anlagen erproben“, erklärt Agnes Wilke, Projektleiterin für Moor-Photovoltaik am Fraunhofer ISE.

Machbarkeit von Moor-PV

Im Projekt wird untersucht, ob die Errichtung von PV-Anlagen auf Moorböden bei gleichzeitiger Wiedervernässung überhaupt machbar ist. Ziel ist es, Handlungsempfehlungen zur konkreten Umsetzung von Moor-PV zu erarbeiten. Die Erforschung erfolgt zum einen auf einem sechs Hektar großen, noch landwirtschaftlich genutzten Niedermoor in Mecklenburg-Vorpommern. Hier werden verschiedene PV-Anlagen in Kombination mit drei unterschiedlichen Bedingungen der Wiedervernässung und deren ökologische Folgen untersucht. In Niedersachsen wird auf einer 200 Hektar großen Fläche die Treibhausgasbilanz von Photovoltaik auf wiedervernässtem Moorboden im Praxismaßstab erforscht.

Auswirkung der Beschattung auf Paludikultur und Boden

Die Auswirkung der Beschattung durch die Solarmodule auf Mikroklima, Bodenhydrologie, Verdunstung sowie Torfbildung sind nur einige Aspekte, die im Verbundprojekt geklärt werden. Gleichzeitig geht es um die Möglichkeit einer zusätzlichen landwirtschaftlichen Nutzung durch Paludikultur unter PV-Anlagen. „In natürlichen Mooren gibt es wenig Schatten, sodass Beschattung für viele Pflanzen dort ungewöhnlich ist. Den Landwirt interessiert deshalb, ob der Schatten das Wachstum von Paludikulturen wie Rohrkolben und Schilf verringert, da diese als Zusatzeinkommen geerntet werden könnten. Möglich ist aber auch, dass die Beschattung die frisch wiedervernässten Moore vor dem Austrocknen schützt“, berichtet Andreas Schweiger, Pflanzenökologe der Universität Hohenheim.

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Producing food on agricultural land and generating electricity at the same time - this concept is not new. So-called agri-photovoltaic systems (agri-PV systems) are already being tested at various locations across Germany. One advantage is that the dual use of agricultural land creates new sources of income for farmers. The MoorPower project is now investigating whether such a concept can also make the rewetting of degraded moorland more attractive for farms. The three-and-a-half-year joint project is being funded by the Federal Ministry of Education and Research with 7 million euros. Researchers from the Universities of Greifswald and Hohenheim, the Johann Heinrich von Thünen Institute and the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE are involved in the project.

Coupling PV and rewetting is uncharted territory

Moor photovoltaics (moor PV) refers to the simultaneous use of rewetted moorland for climate protection and electricity generation. The concept is new and the need for research is therefore considerable. "The parallel planning of the photovoltaic system and rewetting is completely new territory. As part of the project, we want to test the best approach for peatland PV systems through concrete implementation," explains Agnes Wilke, project manager for peatland photovoltaics at Fraunhofer ISE.

Feasibility of peatland PV

The project is investigating whether the construction of PV systems on peat soils is feasible at all with simultaneous rewetting. The aim is to develop recommendations for the concrete implementation of peatland PV. The research is being carried out on a six-hectare area of fenland in Mecklenburg-Western Pomerania that is still used for agriculture. Here, various PV systems in combination with three different conditions of rewetting and their ecological consequences are being investigated. In Lower Saxony, the greenhouse gas balance of photovoltaics on rewetted peatland is being researched on a 200-hectare area on a practical scale.

Impact of shading on paludiculture and soil

The effect of shading by the solar modules on microclimate, soil hydrology, evaporation and peat formation are just some of the aspects that are being clarified in the joint project. At the same time, it is about the possibility of additional agricultural use through paludiculture under PV systems. "There is little shade in natural moors, so shading is unusual for many plants there. The farmer is therefore interested in whether the shade reduces the growth of paludicultures such as cattails and reeds, as these could be harvested as additional income. However, it is also possible that the shade protects the freshly rewetted moors from drying out," reports Andreas Schweiger, plant ecologist at the University of Hohenheim.

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Methanol ist eine begehrte Chemikalie, die unter anderem zur Treibstoffproduktion genutzt wird und aus fossilen Rohstoffen besteht. Das Start-up Icodos – eine Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) – hat eine umweltfreundliche Alternative zur Herstellung der Allzweckchemikalie entwickelt: Statt Erdöl und Erdgas wird Biogas aus Abfallströmen wie Klärschlamm als Rohstoffquelle in Verbindung mit erneuerbarem Strom zur Erzeugung von Biomethan und e-Methanol genutzt. Im Mannheimer Klärwerk wurde am 24. März die erste Demonstrationsanlage zur Herstellung von klimaneutralem Methanol als Schiffstreibstoff feierlich eröffnet.

Kombiniertes Verfahren zur Herstellung von e-Methanol

Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von sogenanntem e-Methanol erfolgt die CO₂-Abscheidung und die Methanolsynthese getrennt. Um das Methanol als Treibstoff nutzen zu können, muss das Gas aufwendig aufbereitet werden. Mit der von Icodos entwickelten Technologie kann das aus dem Abwasser der Kläranlage erzeugte Biogas zu hochwertigem Biomethan aufbereitet und gleichzeitig aus dem anfallenden CO₂ grünes e-Methanol hergestellt werden. Dafür wird Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus dem Biogas abgetrennt und mit zusätzlichem grünem Wasserstoff (H₂) aus einer Wasserelektrolyse in einem kombinierten Verfahren zu Methanol umgewandelt. Icodos zufolge ist diese Methode die derzeit „effizienteste CO₂-Abscheidungstechnologie“.

Kläranlagen für Kraftstoffproduktion nutzen

„Mit unserer Technologie gewinnen wir aus einer vorhandenen Quelle einen hochwertigen Energieträger“, erklärt Vidal Vazquez, Mitgründer von Icodos. „Das aktuelle Projekt zeigt, dass Kläranlagen als Herzstück einer nachhaltigen Kraftstoffproduktion dienen können – ein Potenzial, das bislang ungenutzt geblieben ist.“ Rund 9.000 Klärwerke gibt es in Deutschland. Vazquez zufolge könnten diese allein jährlich mehrere Millionen Tonnen nachhaltiges Methanol produzieren. 

Praxisnahe Lösung für die nachhaltige Transformation

„Die neue Anlage demonstriert eindrucksvoll, wie Forschung und Unternehmergeist praxisnahe Lösungen für die nachhaltige Transformation unserer Wirtschaft hervorbringen können“, sagte Thomas Hirth, Vizepräsident Transfer und Internationales des KIT bei der Eröffnung der Anlage.  Bundesverkehrsminister Volker Wissing verwies auf die Notwendigkeit solcher Innovationen, damit Deutschland von Energieimporten unabhängiger wird. „Dieses Projekt kann beispielgebend für viele weitere Standorte in Deutschland und Europa sein.“

Mithilfe der Icodos-Technologie, die Biogas und CO₂ als Rohstoffquellen nutzt, können neben Kraftstoffen auch nachhaltige und klimaneutrale Chemikalien erzeugt werden. Aufgrund seiner kompakten und skalierbaren Bauweise sei das Verfahren besonders für die dezentrale Umsetzung geeignet, heißt es. Dem Start-up zufolge gibt es bereits erste Gespräche mit anderen Klärwerken zur Errichtung einer Produktionsanlage.

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Methanol is a sought-after chemical that is used for fuel production, among other things, and is made from fossil raw materials. The start-up Icodos - a spin-off of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) - has developed an environmentally friendly alternative for the production of this all-purpose chemical: instead of crude oil and natural gas, biogas from waste streams such as sewage sludge is used as a raw material source in combination with renewable electricity to produce biomethane and e-methanol. The first demonstration plant for the production of climate-neutral methanol as a marine fuel was officially opened at the Mannheim sewage treatment plant on March 24.

Combined process for the production of e-methanol

In conventional processes for the production of so-called e-methanol, CO₂ capture and methanol synthesis take place separately. In order to be able to use the methanol as a fuel, the gas has to be processed at great expense. With the technology developed by Icodos, the biogas produced from the wastewater of the sewage treatment plant can be processed into high-quality biomethane and at the same time green e-methanol can be produced from the CO₂ produced. To do this, carbon dioxide (CO₂) is separated from the biogas and converted into methanol with additional green hydrogen (H₂) from water electrolysis in a combined process. According to Icodos, this method is currently the “most efficient CO₂ capture technology”.

Using wastewater treatment plants for fuel production

“With our technology, we are extracting a high-quality energy resource from an existing source,” explains Vidal Vazquez, co-founder of Icodos. “The current project shows that wastewater treatment plants can serve as the heart of sustainable fuel production - a potential that has so far remained untapped.” There are around 9,000 wastewater treatment plants in Germany. According to Vazquez, these alone could produce several million tons of sustainable methanol every year.

Practical solution for sustainable transformation

“The new facility impressively demonstrates how research and entrepreneurial spirit can produce practical solutions for the sustainable transformation of our economy,” said Thomas Hirth, Vice President Transfer and International Affairs at KIT, at the opening of the facility. Federal Minister of Transport Volker Wissing referred to the need for such innovations to make Germany less dependent on energy imports. “This project can set an example for many other locations in Germany and Europe.”

The Icodos technology, which uses biogas and CO₂ as raw material sources, can be used to produce sustainable and climate-neutral chemicals in addition to fuels. Due to its compact and scalable design, the process is particularly suitable for decentralized implementation, they say. According to the start-up, initial talks are already underway with other sewage treatment plants to set up a production plant.

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Stickstoff ist für das Wachstum von Pflanzen unverzichtbar. Darum haben sich Hülsenfrüchte (Leguminosen) wie Bohnen und Kichererbsen an ein Leben auf stickstoffarmen Böden angepasst. Sie bilden Wurzelknöllchen, in denen spezielle Bakterien Stickstoff aus der Luft aufnehmen können. Diese Rhizobien erhalten im „Tauschgeschäft“ für den fixierten Stickstoff Zucker von der Pflanze.

Eine Studie von Forschenden der Universität zu Köln, der Universität Kopenhagen und des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat nun diese Symbiose genauer beleuchtet. Im Fachmagazin Science beschreiben sie die entscheidende Rolle von Wurzelbarrieren bei der Regulation des empfindlichen Stoffwechsels zwischen Pflanzen und Bakterien.

Wurzelbarriere als Schaltzentrale

Der Caspary-Streifen, eine wasserdichte Barriere in Pflanzenwurzeln, entscheidet als „Türsteher“ darüber, wie viel Wasser und welche Nährstoffe in das Gefäßsystem der Pflanze gelangen. Diese Wurzelbarriere entwickelt sich gleichzeitig mit den außerhalb liegenden Knöllchen. Auch die Bildung dieser Knöllchen ist ein fein regulierter Vorgang: Ist zu wenig Stickstoff vorhanden, senden die Wurzeln ein Alarmsignal in Form des Peptids CEP1 an die Blätter, die daraufhin die Knöllchenbildung verstärken.

Nun zeigte sich, dass es der Caspary-Streifen ist, der die beteiligten Signalwege steuert. Das Forschungsteam untersuchte dafür die Hülsenfrucht Lotus japonicus, eine Form des Gewöhnlichen Hornklees. Entfernten die Wissenschaftler den Caspary-Streifen, bildeten die Pflanzen auf stickstoffarmem Boden nur sehr langsam Knöllchen. Das lag jedoch nicht an der undichten Barriere, sondern daran, dass kein CEP1-Signal mehr produziert wurde. Die Pflanzen konnten den Stickstoffmangel also nicht erkennen und darauf reagieren.

Grundlage einer fairen Partnerschaft

In den Knöllchen selbst fanden die Forschenden außerdem eine kompakte Version des Caspary-Streifens, die den Austausch zwischen Pflanze und Bakterien reguliert. Ohne diese Barriere gelangt Zucker ungehindert aus der Pflanze in die Knöllchen. Dadurch vermehren sich Bakterien zwar weiter, produzieren jedoch keine Stickstoffverbindungen mehr als Nährstoffe für die Pflanze.

„Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen und Mikroben miteinander interagieren, und etabliert ein neues Modellsystem, um zu untersuchen, wie eine vorteilhafte Partnerschaft auf engstem Raum stattfinden kann“, fasst Hauptautor Tonni Grube Andersen zusammen. Den Forschenden zufolge haben Pflanzen dieses fein abgestimmte Kontrollsystem entwickelt, damit die Partnerschaft fair bleibt.

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Nitrogen is essential for plant growth. This is why legumes such as beans and chickpeas have adapted to life on nitrogen-poor soils. They form root nodules in which special bacteria can absorb nitrogen from the air. These rhizobia receive sugar from the plant in exchange for the fixed nitrogen.

A study by researchers from the University of Cologne, the University of Copenhagen and the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne has now shed more light on this symbiosis. In the journal Science, they describe the crucial role of root barriers in regulating the sensitive metabolism between plants and bacteria.

Root barrier as a control center

The Caspary strip, a watertight barrier in plant roots, acts as a “bouncer”, deciding how much water and which nutrients enter the plant's vascular system. This root barrier develops at the same time as the external nodules. The formation of these nodules is also a finely regulated process: if too little nitrogen is available, the roots send an alarm signal in the form of the peptide CEP1 to the leaves, which then increase nodule formation.

It has now been shown that it is the Caspary stripe that controls the signaling pathways involved. The research team investigated the legume Lotus japonicus, a form of the common hornwort. When the scientists removed the Caspary strip, the plants were very slow to form nodules on nitrogen-poor soil. However, this was not due to the leaky barrier, but to the fact that CEP1 was no longer being produced. The plants were therefore unable to recognize the nitrogen deficiency and react to it.

Basis for a fair partnership

The researchers also found a compact version of the Caspary strip in the nodules themselves, which regulates the exchange between the plant and bacteria. Without this barrier, sugar passes unhindered from the plant into the nodules. As a result, bacteria continue to multiply, but no longer produce nitrogen compounds as nutrients for the plant.

“The study provides new insights into how plants and microbes interact with each other and establishes a new model system to investigate how a beneficial partnership can take place in a confined space,” summarizes lead author Tonni Grube Andersen. According to the researchers, plants have developed this finely tuned control system to keep the partnership fair.

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Zwischenfrüchte wie Ackersenf oder Leguminosen sind für die Landwirtschaft kleine Multitalente: Sie dienen als Tierfutter oder verbleiben als Gründüngung auf dem Acker, um den Boden für die nächste Hauptfrucht fit zu machen oder zu verbessern. Auf diese Weise werden Pflanzen mit Nährstoffen versorgt, die Humusbildung gefördert, Wasser-, Nährstoff- und Kohlenstoffhaushalt im Boden stabilisiert und Erosionen verhindert. Ihr Potenzial als Schadstoffentferner wurde bisher aber unterschätzt. 

Phytosanierung in der Landwirtschaft

Welche Pflanzen sich zur sogenannten Phytosanierung in der Landwirtschaft eignen und welche Schadstoffe mit welchen Pflanzen entfernt werden können, das zeigt eine Untersuchung von Forschenden des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ). Ein Team um Erstautorin Pooja Sharma hat dafür mehr als 100 wissenschaftliche Studien durchforstet. In ihrer Studie, die im Fachmagazin Trends in Plant Sciences erschienen ist, zeigen die Forschenden auf, welche Pflanzen sich eignen, um Schadstoffe zu entfernen oder im Wurzelraum zu fixieren. Nicht nur die grundsätzliche Fähigkeit der Pflanze zum Schadstoffabbau war für die Forschenden ein Kriterium. „Darüber hinaus haben wir ausgehend von sechs Schadstoffkategorien – Nitrat, Salze, Metalle, Pestizide, Plastik und Antibiotikaresistenzgene – nach Pflanzen gefahndet, die in der Lage sind, diese Schadstoffe abzubauen oder zu fixieren“, erklärt Sharma.

Nahrungspflanzen als Schadstoffentferner

Im Ergebnis der umfangreichen Recherche entwickelte das Team für die sechs Schadstoffkategorien Phytosanierungskonzepte. Hier zeigte sich: Nicht nur bekannte Zwischenfrüchte eignen sich als Schadstoffentferner. Auch Roggen und Sonnenblume können demnach als Zwischenfrüchte dienen. Der Grund: Sie nehmen Nitrat auf, weil sie es zum Wachsen brauchen, und verhindern so, dass der Nährstoff im Ackerboden ausgewaschen wird und ins Grundwasser gelangt. 

Kleesorten, Roggen und Raps, aber auch Sonnenblumen können der Studie zufolge dem Boden auch unerwünschte Metalle wie etwa Cadmium entziehen. „Die Zwischenfrüchte, die man zur Entfernung von Metallen nutzt, eignen sich in der Regel nicht als Tierfutter. Dafür könnten sie bei der Produktion von Biogas eine Rolle spielen“, sagt Sharma. Da sich die Metalle vor allem in den Blättern der Sonnenblume festsetzen, könnten hier die Samen geerntet werden. Das Gleiche gilt für Ackersenf – eine Zwischenfrucht, die dem Boden insbesondere Pestizide entzieht – ebenso wie Süßgras oder Ostindischer Hanf.

Ein Zukunftskonzept für gesündere Böden

Auch wenn für Plastik und Antibiotikaresistenzgene keine geeigneten Pflanzen gefunden wurden – das Team ist überzeugt: „Zwischenfrüchte auch zum Management von Bodenschadstoffen zu nutzen, ist aus unserer Sicht ein effizientes Zukunftskonzept für gesündere Böden und eine nachhaltigere Landwirtschaft“, so Mitautorin Maria Muehe.

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Catch crops such as field mustard or legumes are small all-rounders for agriculture: they serve as animal feed or remain on the field as green manure to prepare or improve the soil for the next main crop. In this way, plants are supplied with nutrients, humus formation is promoted, the water, nutrient and carbon balance in the soil is stabilized and erosion is prevented. However, their potential as pollutant removers has so far been underestimated. 

Phytoremediation in agriculture

A study by researchers at the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) shows which plants are suitable for so-called phytoremediation in agriculture and which pollutants can be removed with which plants. A team led by first author Pooja Sharma combed through more than 100 scientific studies. In their study, which has been published in the journal Trends in Plant Sciences, the researchers show which plants are suitable for removing pollutants or fixing them in the root zone. The basic ability of the plant to break down pollutants was not the only criterion for the researchers. “We also looked for plants that are able to break down or fix these pollutants based on six pollutant categories - nitrate, salts, metals, pesticides, plastics and antibiotic resistance genes,” explains Sharma.

Food plants as pollutant removers

As a result of the extensive research, the team developed phytoremediation concepts for the six pollutant categories. This showed that not only known catch crops are suitable as pollutant removers. Rye and sunflower can also be used as catch crops. The reason: they absorb nitrate because they need it to grow, thus preventing the nutrient from being washed out of the soil and entering the groundwater.

According to the study, clover varieties, rye and rapeseed, as well as sunflowers, can also remove unwanted metals such as cadmium from the soil. "The catch crops that are used to remove metals are generally not suitable as animal feed. However, they could play a role in the production of biogas," says Sharma. As the metals are mainly deposited in the leaves of the sunflower, the seeds could be harvested here. The same applies to field mustard - a catch crop that removes pesticides from the soil in particular - as well as sweet grass or East Indian hemp.

A future concept for healthier soils

Even if no suitable plants were found for plastic and antibiotic resistance genes, the team is convinced: “We believe that using catch crops to manage soil pollutants is an efficient future concept for healthier soils and more sustainable agriculture,” says co-author Maria Muehe.

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