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Synthetische Polyamide – besser bekannt als Nylon – stecken in Strumpfhosen, Fischernetzen und Sportkleidung. Doch ihre Recyclingquote liegt unter fünf Prozent. Viele Nylonabfälle landen auf Deponien, gelangen in der Umwelt oder werden verbrannt.

Das Recycling von Nylonmaterial stellt eine große Herausforderung dar. Herkömmliche Verfahren, bei denen das Material geschmolzen und neu geformt wird, erfordern reine Nylonabfälle in nicht zu großen Mengen. Chemische Methoden hingegen können Nylon zwar in seine Grundbausteine zerlegen, die sich wieder neu zusammensetzen lassen. Häufig entsteht hierbei jedoch ein Gemisch aus einzelnen Monomeren und kurzen Oligomerketten, das sich nur schwer weiterverarbeiten lässt.

Biotechnologisches Nylon-Upcycling

Hierfür hat das Forschungsteam um Nick Wierckx vom Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit der Firma Novonesis eine Lösung gefunden: ein Bakterium, das Nylonketten vollständig abbauen kann. Dafür entwickelten die Forschenden das Bodenbakterium Pseudomonas putida genetisch so weiter, dass es das Nylongemisch verstoffwechseln kann – wie sie nun im Fachmagazin „Nature Microbiology" beschreiben. 

Dabei gelingt es dem Bakterium nicht nur, verschiedene Nylonvarianten sowie lineare und zyklische Oligomerketten in ihre jeweiligen Monomere zu zerlegen. Die „Nylon-Fresser“ sind zudem in der Lage, durch ein mikrobielles Upcycling höherwertige Stoffe wie Polyhydroxybutyrat (PHB) herzustellen.

Möglich wurde diese Innovation durch eine Kombination aus Gentechnik und Labor-Evolution. „Manche Bakterien entwickeln durch zufällige Mutationen in ihrem Erbgut die Fähigkeit, Nylonbausteine besser zu verwerten. Diese Zellen haben einen Wachstumsvorteil gegenüber den anderen und können sich schneller vermehren“, erklärt Nick Wierckx. „Nach einigen Generationen im Labor, in denen die Nylonbausteine die einzige Nahrungsquelle sind, besteht die Bakterienkultur schließlich nur noch aus diesen spezialisierten Zellen.“

Durch detaillierte Genomanalysen gelang es dem Team, die verantwortlichen Mutationen zu identifizieren und gezielt in den Bakterienstamm einzubauen. Zusätzlich fügten sie Gene für sogenannte Nylonasen ein – spezielle Enzyme, die es den Bakterien ermöglichen, kurze Nylonketten als zusätzliche Nahrungsquelle zu nutzen.

Das Glaukos-Projekt: Nachhaltigkeit im Fokus

Die Ergebnisse der Studie sind Teil des europaweiten Projekts „Glaukos", das im Rahmen von Horizon 2020 durchgeführt wurde. Ziel des abgeschlossenen Projekts war es, den Lebenszyklus von Kleidung und Fischereiausrüstung durch neue Verfahren nachhaltiger zu gestalten. Dabei kamen biobasierte Textilfasern und Beschichtungen zum Einsatz, um die biologische Abbaubarkeit zu erhöhen und die Haltbarkeit zu verbessern.

Ein weiteres Ziel des Projekts, bei dem auch die aktuelle Studie ansetzt, war die Entwicklung spezieller Recyclingverfahren, die mit den neuen Materialien kompatibel sind. So sollen sowohl Plastikverschmutzung als auch CO₂-Emissionen verringert werden.

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Synthetic polyamides - better known as nylon - can be found in tights, fishing nets and sportswear. However, their recycling rate is less than five per cent. A lot of nylon waste ends up in landfill sites, in the environment or is incinerated.

Recycling nylon material is a major challenge. Conventional processes, in which the material is melted and remoulded, require pure nylon waste in quantities that are not too large. Chemical methods, on the other hand, can break down nylon into its basic building blocks, which can then be reassembled. However, this often results in a mixture of individual monomers and short oligomer chains, which is difficult to process further.

Biotechnological nylon upcycling

Together with the company Novonesis, the research team led by Nick Wierckx from Research Centre Jülich has found a solution to this problem: a bacterium that can completely break down nylon chains. The researchers genetically engineered the soil bacterium Pseudomonas putida so that it can metabolise the nylon mixture - as they now describe in the journal ‘Nature Microbiology’. 

The bacteria not only succeed in breaking down different nylon variants as well as linear and cyclic oligomer chains into their respective monomers. The ‘nylon eaters’ are also able to produce higher-value substances such as polyhydroxybutyrate (PHB) through microbial upcycling.

This innovation was made possible by a combination of genetic engineering and laboratory evolution. ‘Some bacteria develop the ability to better utilise nylon building blocks through random mutations in their genetic material. These cells have a growth advantage over the others and can multiply faster,’ explains Nick Wierckx. ‘After several generations in the laboratory, in which the nylon building blocks are the only source of nutrition, the bacterial culture eventually consists only of these specialised cells.’

Through detailed genome analyses, the team was able to identify the responsible mutations and incorporate them specifically into the bacterial strain. In addition, they inserted genes for so-called nylonases - special enzymes that enable the bacteria to utilise short nylon chains as an additional food source.

The Glaukos project: focus on sustainability

The results of the study are part of the Europe-wide ‘Glaukos’ project, which was carried out as part of Horizon 2020. The aim of the completed project was to make the life cycle of clothing and fishing equipment more sustainable through new processes. Bio-based textile fibres and coatings were used to increase biodegradability and improve durability.

Another aim of the project, which is also the focus of the current study, was to develop special recycling processes that are compatible with the new materials. In this way, both plastic pollution and CO₂ emissions are to be reduced.

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Die Grünalge Chlamydomonas nutzt Licht als Energiequelle, indem sie Sonnenlicht in chemische Energie umwandelt und dadurch Sauerstoff produziert und Kohlenstoff speichert. Deshalb wird sie häufig in technologischen Anwendungen für eine klimafreundlichere Industrie eingesetzt - etwa in sogenannten Photobioreaktoren. Dort stellt sie chemische Verbindungen für erneuerbare Biokraftstoffe und Wasserstoff für Brennstoffzellen her. 

Um ihren Einsatz zu verbessern, haben Forschende der Universität Bayreuth und des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen die Bewegungsmuster der Algen unter verschiedenen Lichtintensitäten untersucht. Die Studie ist im Fachjournal PNAS erschienen.

Die Bewegungsmuster der Algen verstehen 

Der Stoffwechsel der einzelligen Grünalge Chlamydomonas schaltet automatisch in eine Art Energiesparmodus, wenn kein Licht und Sauerstoff vorhanden sind. Als Nebenprodukt entsteht molekularer Wasserstoff. Die Bewegungsfähigkeit der einzelnen Zellen wird von der Lichtintensität gesteuert. Je stärker das Licht, desto schneller bewegen sie sich im Wasser. Das bedeutet, dass Lichtintensität und Schwimmgeschwindigkeit zusammenhängen: Umweltbedingungen beeinflussen die Beweglichkeit einzelner Mikroorganismen, was sich wiederum auf die kollektive Schwimmbewegung der gesamten Population auswirkt. Dies war laut dem Forschungsteam bisher so nicht bekannt. Ein besseres Verständnis dieser Bewegungsmuster soll dabei helfen, die biotechnologischen Anwendungen, in denen die Algen eingesetzt werden, effizienter zu designen. 

Weitere Verhaltensmuster

Die Studie hat außerdem gezeigt, dass sich die Grünalgen bei hoher Lichtintensität bevorzugt an der Wasseroberfläche aufhalten. Oliver Bäumchen vom Lehrstuhl für Experimentalphysik V der Universität Bayreuth erklärt warum: „Dieses Verhalten ist auf die Neigung der Mikroorganismen zurückzuführen, sich gegen die Schwerkraft zu bewegen. Dies bietet in einem natürlichen Gewässer einen evolutionären Vorteil, da die Einzeller an der Wasseroberfläche bessere Chancen auf eine gute Lichtausbeute vorfinden als in größeren Tiefen“. Zudem hat das Team herausgefunden, dass bei geringer Photosynthese – und somit weniger Bewegung der einzelnen Zellen – ein kollektiv gerichtetes Strömungsmuster entsteht. 

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Die Herstellung von Pharma- und Biotechprodukten geht in der Regel mit einem hohen Materialverbrauch einher. Aus diesem Grund hat das Gießener Start-up Green Elephant Biotech recyclebare Zellkulturgefäße entwickelt. Diese ermöglichen nicht nur eine Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks um bis zu 90 % im Vergleich zu herkömmlichen Einwegartikeln, sondern verbessern auch die Wachstumsbedingungen der Zellen. Ab sofort wird diese Lösung in einer strategischen Partnerschaft mit dem Familienunternehmen Bürkert Fluid Control Systems weiterentwickelt.

Single-Use vs. CellScrew

„Klassische Single-Use-Zellkulturgefäße sind deutlich größer, werden nach einmaliger Nutzung entsorgt und aus regulatorischen Gründen oft verbrannt – dabei entsteht sehr viel CO₂“, erklärt Felix Wollenhaupt, Mitgründer von Green Elephant Biotech. Das neue Zellkultursystem CellScrew hingegen benötige weniger Rohmaterial und reduziere dadurch den Abfall. Zudem besteht es aus Polymilchsäure (PLA), einem biobasierten Kunststoff, der aus Pflanzen gewonnen wird und sich für den 3D-Druck eignet. „Dadurch ist die CO₂-Bilanz im Vergleich zu konventionellen Systemen um etwa 90 % reduziert“, so Wollenhaupt weiter.

Kostengünstigere Produktion lebensrettender Therapeutika

Neben der deutlichen CO₂-Einsparung bietet CellScrew weitere Vorteile: Im Vergleich zu klassischen Zellkulturgefäßen stellt es bei gleichem Volumen eine größere Wachstumsoberfläche für Zellkulturen bereit. Die Herstellungsprozesse sollen dadurch insgesamt effizienter und flexibler werden. „Gemeinsam wollen wir eine prozesssichere und nachhaltigere Produktionsplattform für die pharmazeutische Industrie entwickeln – insbesondere für die personalisierte Medizin“, sagt Green-Elephant-Biotech-Mitgründer Joel Eichmann. Dies könnte dazu beitragen, lebensrettende Therapeutika kostengünstiger herzustellen.

Zukunftsvision: CellScrew als vollwertiger Bioreaktor

Langfristiges Ziel der neuen Partnerschaft ist es, CellScrew zu einem vollwertigen Bioreaktor weiterzuentwickeln. Bürkert Fluid Control Systems wird dafür essenzielle technische Komponenten sowie seine Expertise beisteuern. Gleichzeitig erhält Bürkert Zugang zu aktuellen biopharmazeutischen Trends.

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The manufacture of pharmaceutical and biotech products is usually associated with high material consumption. For this reason, the Giessen-based start-up Green Elephant Biotech has developed recyclable cell culture vessels. These not only reduce the carbon footprint by up to 90% compared to conventional disposable items, but also improve the growth conditions of the cells. This solution is now being further developed in a strategic partnership with the family-owned company Bürkert Fluid Control Systems.

Single-Use vs. CellScrew

‘Traditional single-use cell culture vessels are significantly larger, are disposed of after the first use and are often incinerated for regulatory reasons - this generates a lot of CO₂,’ explains Felix Wollenhaupt, co-founder of Green Elephant Biotech. The new CellScrew cell culture system, on the other hand, requires less raw material and therefore reduces waste. It also consists of polylactic acid (PLA), a bio-based plastic that is obtained from plants and is suitable for 3D printing. ‘This reduces the carbon footprint by around 90% compared to conventional systems,’ Wollenhaupt continues.

More cost-effective production of life-saving therapeutics

In addition to the significant CO₂ savings, CellScrew offers further advantages: Compared to conventional cell culture vessels, it provides a larger growth surface for cell cultures with the same volume. This should make manufacturing processes more efficient and flexible overall. ‘Together, we want to develop a process-reliable and more sustainable production platform for the pharmaceutical industry - especially for personalised medicine,’ says Green Elephant Biotech co-founder Joel Eichmann. This could help to produce life-saving therapeutics more cost-effectively.

Vision for the future: CellScrew as a fully-fledged bioreactor

The long-term goal of the new partnership is to further develop CellScrew into a fully-fledged bioreactor. Bürkert Fluid Control Systems will contribute essential technical components and its expertise. At the same time, Bürkert will gain access to current biopharmaceutical trends.

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Pilzmyzel wird mittlerweile in vielen Bereichen als vielseitiges, biobasiertes Material eingesetzt: Lautsprecherboxen, Dämmplatten oder auch Bühnenbilder. Ein weiteres Einsatzfeld sind proteinreiche Fleischersatzprodukte, für die einzellige Pilze vermehrt und geerntet werden. Mit dieser Methode möchte das Start-up Kynda die Grundlage für eine neue Generation veganer Produkte schaffen und zugleich die Kreislaufwirtschaft in der Agrar- und Lebensmittelindustrie fördern. 

Diesen Zielen kommen die Gründer Daniel MacGowan von Holstein und Franziskus Schnabel mit 3 Mio. Euro Finanzierungskapital nun noch ein Stück näher. Angeführt wurde die Finanzierungsrunde von Enjoy Ventures, gefolgt von einer Beteiligung der PHW-Gruppe und Clima Now. In einer zweiten Runde wird sich der neuen Investorengruppe außerdem C.E.L.L. Investment anschließen.

Innovativer Fermentationsprozess 

Wie in einer Brauerei stellt Kynda Myzel, das wurzelartige Geflecht von Pilzen, in großen Stahltanks her. Diese, auch Mykoprotein genannte, nährstoffreiche Biomasse soll anschließend zu Fleischersatzprodukten verarbeitet werden. Im Vergleich zur Proteinproduktion über Tiere lassen sich unter anderem der Wasserverbrauch und die Treibhausgasemissionen deutlich reduzieren. Dafür kombiniert das Start-up eine neue Generation von Fermentationsreaktoren mit biotechnologischem Know-how. Als Futter für die Pilze können landwirtschaftliche Nebenprodukte aus der Region genutzt werden, was lokale Stoffkreisläufe schließen und den Prozess ressourcenschonender machen kann.

Neuer strategischer Partner und neue Anlage

Kynda hat die PHW-Gruppe nicht nur als Investor, sondern auch als strategischen Partner gewonnen. Mit Marken wie WIESENHOF und Green Legend hat sich die Gruppe in den letzten Jahren im Markt für alternative Proteine etabliert.

Im zweiten Quartal 2025 möchte das Start-up eine neue Produktionsanlage in Jelmstorf bei Hamburg eröffnen und plant schon jetzt, diese zu erweitern, um die wachsende Nachfrage seiner Kunden zu erfüllen.

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Mushroom mycelium is now used in many areas as a versatile, bio-based material: loudspeaker boxes, insulation panels or even stage sets. Another field of application is protein-rich meat substitutes, for which single-cell mushrooms are propagated and harvested. With this method, the start-up Kynda wants to create the basis for a new generation of vegan products and at the same time promote the circular economy in the agricultural and food industry.

Founders Daniel MacGowan von Holstein and Franziskus Schnabel are now one step closer to achieving these goals with €3 million in financing capital. The financing round was led by Enjoy Ventures, followed by an investment from the PHW Group and Clima Now. C.E.L.L. Investment will also join the new group of investors in a second round.

Innovative fermentation process

As in a brewery, Kynda produces mycelium, the root-like network of fungi, in large steel tanks. This nutrient-rich biomass, also known as mycoprotein, is then processed into meat substitute products. Compared to protein production using animals, water consumption and greenhouse gas emissions can be significantly reduced. To achieve this, the start-up combines a new generation of fermentation reactors with biotechnological expertise. Agricultural by-products from the region can be used as feed for the mushrooms, which can close local material cycles and make the process more resource-efficient.

New strategic partner and new plant

Kynda has not only gained the PHW Group as an investor, but also as a strategic partner. With brands such as WIESENHOF and Green Legend, the group has established itself in the market for alternative proteins in recent years.

The start-up plans to open a new production facility in Jelmstorf near Hamburg in the second quarter of 2025 and is already planning to expand it in order to meet the growing demand from its customers.

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Bioreaktoren werden für eine Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, um Zellkultur- und Fermentationsprozesse unter kontrollierten Bedingungen zu ermöglichen – etwa für die Produktion von Medikamenten, die Abfallverwertung, die Entwicklung alternativer Proteine oder die Herstellung biobasierter Chemikalien.

Um die Bedingungen innerhalb von Bioreaktoren präzise steuern zu können, sind kontinuierliche und exakte Messungen mit Biosensoren erforderlich. Das nun vorgestellte System kann mehrere Parameter gleichzeitig überwachen und die Daten mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) in Echtzeit analysieren. So lässt sich laut Hersteller die Dynamik der Bioprozesse detailliert nachverfolgen, und notwendige Anpassungen können sofort umgesetzt werden.

Echtzeit-Überwachung für präzise Prozesssteuerung

Mit der neuen Sensortechnologie von The Cultivated B können wichtige Parameter während der laufenden Prozesse direkt im Bioreaktor gemessen werden, wodurch eine Probenentnahme entfällt und das Risiko einer Kontamination der Kultur erheblich reduziert wird. Zudem lassen sich die Biosensoren flexibel auf eine Vielzahl von Molekülen – wie Glukose, Aminosäuren und Milchsäure – abstimmen und können diese unterhalb des Pikomolarbereichs, also in sehr geringen Konzentrationen, messen. Die KI-unterstützte Analyse der Sensordaten soll dann praxisnahe Empfehlungen für die optimale Medienzusammensetzung liefern und so auch den Verbrauch von Betriebsmaterialien minimieren.

„Unsere Sensortechnologie für Bioreaktoren beschleunigt die Lernkurve im Bioprozessmanagement, sorgt für qualitativ hochwertige Ergebnisse und garantiert eine außergewöhnliche Produktqualität“, so Namid Noori, CEO von The Cultivated B.

Die präzisen Messungen und die KI-gestützte Analyse machen den gesamten biotechnologischen Produktionsprozess effizienter und zuverlässiger. Arbeitsabläufe sollen so weiter optimiert und skalierbare Prozesse durch erweiterte Automatisierung ermöglicht werden.

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Fleisch, Käse oder auch Obst und Gemüse sind in Supermärkten oft in Kunststoffmaterialien eingepackt. Somit befinden sie sich in einer Schutzgasatmosphäre, in der sich Keime nur schwer vermehren können und die Lebensmittel länger halten. Um diese Atmosphäre lange aufrechtzuerhalten, sind Gasbarrieren der Verpackungsmaterialien notwendig – über solche verfügen biobasierte Kunststoffe bisher nicht. Deswegen haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) und der Hochschule Albstadt-Sigmaringen im Verbundprojekt PLA4MAP daran gearbeitet. 

Polylactide, Sojaprotein und Sonnenblumenwachs

Um die Anforderungen der Gasbarrieren zu erfüllen, haben die Forschenden ein Materialverbund aus vier Schichten entwickelt: jeweils zwei Deckschichten aus Polylactide (PLA), dazwischen eine Proteinschicht aus Sojaproteinkonzentrat und eine Wachsschicht aus Sonnenblumensamenwachs, ein Nebenprodukt der Speiseölherstellung. 

PLA ist ein biologisch abbaubarer Kunststoff, da er aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr besteht. Sein Anteil im entwickelten Material liegt bei knapp 82 %. Dieser ließe sich recyceln, gäbe es geeignete und etablierte Sortier- und Recyclingströme für PLA. Weniger als ein Prozent des PLA in Kunststofflebensmittelverpackungen wird in Deutschland recycelt. 

Deutliches Optimierungspotenzial

Neben der fehlenden Recyclinginfrastruktur für PLA müsste an weiteren Stellschrauben für die praxistaugliche Umsetzung justiert werden: Die Herstellung des biobasierten Kunststoffs ist energieintensiv und dessen Verarbeitungsprozess fand bisher nur im Pilotmaßstab statt. Für eine breite Anwendung bedarf es laut dem Institut für Energie- und Umweltforschung (ifeu) noch deutlicher Optimierung. Etwa könnten die derzeit hohen Herstellungskosten durch eine Ausweitung der globalen PLA-Produktion und insbesondere durch eine Reduzierung des Verpackungsgewichts gesenkt werden.

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Meat, cheese, fruit and vegetables are often packaged in plastic materials in supermarkets. This means they are in a protective gas atmosphere in which germs have difficulty multiplying and the food lasts longer. In order to maintain this atmosphere for a long time, the packaging materials need gas barriers - which bio-based plastics do not yet have. Researchers from the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging (IVV) and the Albstadt-Sigmaringen University of Applied Sciences have therefore been working on this in the joint project PLA4MAP.

Polylactides, soya protein and sunflower wax

In order to fulfil the requirements of the gas barriers, the researchers have developed a composite material consisting of four layers: two top layers made of polylactide (PLA), a protein layer made of soya protein concentrate and a wax layer made of sunflower seed wax, a by-product of edible oil production.

PLA is a biodegradable plastic as it is made from renewable raw materials such as corn starch or sugar cane. Its share in the developed material is just under 82%. PLA could be recycled if suitable and established sorting and recycling streams for this material existed. Less than one per cent of the PLA in plastic food packaging is recycled in Germany.

Significant potential for optimisation

In addition to the lack of recycling infrastructure for PLA, further adjustments need to be made for practical implementation: The production of the bio-based plastic is energy-intensive and its processing has so far only taken place on a pilot scale. According to the Institute for Energy and Environmental Research (ifeu), significant optimisation is still required for widespread use. For example, the current high manufacturing costs could be reduced by expanding global PLA production and, in particular, by reducing the weight of the packaging.

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In der Landwirtschaft und im Gartenbau werden Beikräuter oft mit Pflanzenschutzmitteln entfernt, weil sie mit den Hauptpflanzen um Nährstoffe, Wasser und Licht konkurrieren. Dabei sind nicht alle Beikräuter schädlich, sie können sogar nützlich sein. Forschende des Technologie- und Förderzentrums (TFZ) in Straubing haben daran gearbeitet, sogenannte Herbizide mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) und Drohnenaufnahmen gezielter und automatisiert einzusetzen. 

Breite Datenbasis als Grundlage 

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines KI-Modells, das auf Bildern Kulturpflanzen von Beikräutern unterscheiden kann. Dafür fütterte man es mit einer großen Datenmenge: Über 121.000 Bilder nahmen Drohnen von Sorghumflächen in Straubing auf. Die gesammelten Daten wurden für das KI-Modell per Hand gekennzeichnet – laut Projektleiter Michael Grieb „ein unglaublich zeitaufwändiger Prozess“. Doch nur so kann die KI lernen, wie die wärmebevorzugende Energiepflanze Sorghum aussieht, in welchen Reihen sie steht und wie sie sich von Beikräutern unterscheiden lässt. 

Spezielles Training wegen Umwelteinflüssen

Eine besondere Herausforderung waren Wind, Bewegungsunschärfe und direkte Sonneneinstrahlung, da sich diese negativ auf die Bildqualität auswirkten. Das erschwerte der KI die Auswertung, denn die Pflanzen wachsen und verändern sich. Deshalb musste die Forschungsgruppe das Modell zusätzlich auf die verschiedenen Wachstumsstadien der Pflanze trainieren. Mit Erfolg: Laut TFZ kann die KI mittlerweile Sorghum und Beikräuter fast ohne Fehler voneinander unterscheiden. 

In diesem Forschungsprojekt wurden zusammen mit der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, der Technischen Universität München, Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit und der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft die Grundlagen gelegt. In einem Folgeprojekt soll nun die Technik in Feldroboter integriert werden.  

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In agriculture and horticulture, weeds are often removed with pesticides because they compete with the main plants for nutrients, water and light. However, not all weeds are harmful, they can even be beneficial. Researchers at the Technology and Support Centre (TFZ) in Straubing have been working on using artificial intelligence (AI) and drone images to apply herbicides in a more targeted and automated manner.

Broad database as a basis

The aim of the project was to develop an AI model that can distinguish crops from weeds in images. To achieve this, it was fed with a large amount of data: drones took over 121,000 images of sorghum fields in Straubing. The collected data was labelled by hand for the AI model which was ‘an incredibly time-consuming process’ according to project manager Michael Grieb. However, this is the only way the AI can learn what the heat-preferring energy crop sorghum looks like, which rows it grows in and how it can be distinguished from weeds.

Special training due to environmental influences

Wind, motion blur and direct sunlight were a particular challenge, as these had a negative impact on the image quality. This made it difficult for the AI to analyse the data, as the plants grow and change. The research group therefore had to additionally train the model for the different growth stages of the plant. With success: according to the TFZ, the AI can now differentiate between sorghum and weeds with almost no errors.

The foundations were laid in this research project together with the Weihenstephan-Triesdorf University of Applied Sciences, the Technical University of Munich, Straubing Campus for Biotechnology and Sustainability and the Bavarian State Research Centre for Agriculture. In a follow-up project, the technology is now to be integrated into field robots.

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Seit dem 19. Jahrhundert wird Phosphor als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt, damit Pflanzen wachsen und gedeihen. Dafür muss das Material abgebaut oder künstlich hergestellt werden, was einige Ressourcen verbraucht. Um Ressourcen zu sparen, kommt das Recycling von menschlichen Fäkalien in Betracht. Aufgrund der Düngemittelverordnung dürfen diese jedoch nur zu Forschungszwecken und nicht in der Landwirtschaft genutzt werden. Ein Team der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat nun neue Daten geliefert, um die Verordnung anzupassen.

Fäkalkompost als effektiver Phosphordünger

In einer dreijährigen Versuchsreihe hat das Forschungsteam erstmals neuartige Dünger in der Landwirtschaft an Maispflanzen getestet: Sie wurden mit Kompost aus menschlichen Fäkalien und einem aus menschlichem Urin gewonnenen Flüssigdünger behandelt. Das Ausgangsmaterial stammte aus Trockentoiletten. Sieben Tage lang wurde der Kot in einem Container erhitzt und anschließend kompostiert. Die Resultate der Studie zeigten: Der Urindünger erwies sich als wirksamer Stickstofflieferant, der Fäkalkompost als effektiver Phosphordünger. Sowohl im Boden als auch in den Pflanzen stieg die Phosphor-Konzentration. Beim Kalium-Gehalt war das Ergebnis ähnlich. 

Grundlage für Neubewertung

Diese Ergebnisse bieten laut den Forschenden eine Datengrundlage, um die Düngemittelverordnung neu zu bewerten. „Aufgrund der erhobenen Daten können wir sagen, dass diese Dünger als Naturprodukte eine sinnvolle Ergänzung im Nährstoffkreislauf in der Landwirtschaft sein können“, meint Jan-Ole Boness vom Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften der HU. Ihre Forderung: In die Liste der für Düngemittel zulässigen Ausgangsstoffe sollen auch menschliche Ausscheidungen aufgenommen werden. 

In einem Folgeprojekt möchte das Forschungsteam weitere Eigenschaften der neuartigen recycelten Düngemittel wie etwa mögliche Schadstoffrückstände sowie Auswirkungen auf das Klima untersuchen.

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Since the 19th century, phosphorus has been used as a fertilizer in agriculture to help plants grow and thrive. To do this, the material has to be mined or artificially produced, which consumes resources. In order to save resources, the recycling of human faeces can be considered. However, due to the Fertilizer Ordinance, this may only be used for research purposes and not in agriculture. A team from Humboldt-Universität zu Berlin (HU) has now provided new data to adapt the regulation.

Faecal compost as an effective phosphorus fertilizer

In a three-year series of experiments, the research team tested novel agricultural fertilizers on maize plants for the first time: They were treated with compost made from human faeces and a liquid fertilizer derived from human urine. The starting material came from dry toilets. The excrement was heated in a container for seven days and then composted. The results of the study showed that the urine-based fertilizer proved to be an effective source of nitrogen, while the faecal compost was an effective phosphorus fertilizer. The phosphorus concentration increased both in the soil and in the plants. The result was similar for the potassium content. 

A basis for reassessment

According to the researchers, these results provide a data basis for re-evaluating the Fertilizer Ordinance. “Based on the data collected, we can say that these fertilizers, as natural products, can be a useful addition to the nutrient cycle in agriculture,” says Jan-Ole Boness from the Albrecht Daniel Thaer Institute of Agricultural and Horticultural Sciences at HU. Their demand: human excrement should also be included in the list of permitted source materials for fertilizers.

In a follow-up project, the research team would like to investigate further properties of the new recycled fertilizers, such as possible pollutant residues and effects on the climate.

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Braunkohleregionen wie Garzweiler II oder Hambach sind bekannt für ihre riesigen Baggerlöcher. Mit dem Kohleausstieg 2038 steht die nordrhein-westfälische Region Rheinisches Revier vor einem Strukturwandel, den das neue Transformationscluster BioökonomieREVIER vorantreiben soll: intelligente Infrastruktur und neue Arbeitsplätze in Zukunftsbranchen statt Umweltzerstörung und Klimaschäden. Die Förderzusage von 5,8 Mio. Euro wurde am 24. Februar 2025 von NRW-Wissenschaftsministerin Ina Brandes und dem Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) überreicht. 

Entwicklungsfeld Bioökonomie

Für den Strukturwandel im Rheinischen Revier sind Entwicklungsfelder wie die Bioökonomie entscheidend. In ganz NRW haben sich Forschungseinrichtungen mit Partnern aus der Landwirtschaft, Lebensmittel- und Tierfutterindustrie, Papier-, Textil- und Chemieindustrie und weiteren Branchen zusammengeschlossen, um die Modellregion Bioökonomie im Rheinischen Revier aufzubauen. Das neue Transformationscluster BioökonomieREVIER erweitert diese Vereinigung. „Damit wird nicht nur die Region, sondern auch die nachhaltige Entwicklung Deutschlands unterstützt“, erklärt BAFA-Präsidentin Mandy Pastohr. 

Ziel ist es, mit dem neuen Cluster die Transformation der Region voranzutreiben, Innovationskräfte zu entfalten und internationales Vorbild zu werden: „Das Rheinische Revier soll zum Leuchtturm für biobasierte Innovationen werden“, sagt Peter Jansens, Vorstandsmitglied des Forschungszentrums Jülich. So sollen zum Beispiel Seen als Energiespeicher, aber auch Naherholungsgebiete entstehen.

Spitzenforschung „Made in NRW“

Mit dem Kohleausstieg stehen laut Wissenschaftsministerin Brandes ganze Generationen vor einem historischen Umbruch, die mit fossilen Energien als Garantie für Wohlstand aufgewachsen sind: „Was einst die Kohle war, ist heute Wissen – das Rheinische Revier bietet Forscherinnen und Forschern die einmalige Gelegenheit, mit ihrer Arbeit eine ganze Region zu prägen.“ Brandes ist davon überzeugt, dass Spitzenforschung „Made in NRW“ die Lebensqualität der Menschen verbessern wird.

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Sachsen-Anhalt war ein bedeutendes Braunkohlerevier in Deutschland, insbesondere im sogenannten Mitteldeutschen Revier. Hier wurde und wird noch immer Braunkohle abgebaut, vor allem im Süden des Bundeslandes. Der Kohleausstieg bis 2038 erfordert den Umbau der Wirtschaft, den Ausbau erneuerbarer Energien und neue Arbeitsfelder. Deshalb fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) den Strukturwandel in Sachsen-Anhalt mit bis zu 105 Mio. Euro. 

Strukturwandel ehemaliger Kohleregionen

In den kommenden Jahren wird das BMBF auf Grundlage des Investitionsgesetzes Kohleregionen (InvKG) die Region dabei unterstützen, eine digitalisierte und klimaneutrale Bioökonomie aufzubauen. Konkret fördert das Ministerium im Rahmen der Bundesmaßnahme „Modellregion der Bioökonomie zur Digitalisierung der pflanzlichen Wertschöpfungskette im Mitteldeutschen Revier in Sachsen-Anhalt“ (DiP)" 19 Projekte, die den Weg in eine wettbewerbsfähige Zukunft bereiten sollen. Bei der Auftaktveranstaltung in Gatersleben am 4. März 2025 erklärte BMBF-Staatssekretär Dr. Karl Eugen Huthmacher dazu: „Wir setzen auf die Stärken der Region, wie Spitzenforschung, eine starke Agrarwirtschaft und chemische Industrie, um innovative Technologien zu fördern und gleichzeitig attraktive Arbeitsplätze zu schaffen.“ 

Digitale Innovationen 

Die Projekte innerhalb der Modellregion Bioökonomie fokussieren sich auf die Digitalisierung pflanzlicher Wertschöpfungsketten und sollen zur Sicherung der Produktion von Nahrungs- und Futtermitteln sowie biobasierten Rohstoffen beitragen. Übergeordnetes Ziel ist es, die gesamte Region als Modell für eine klimafreundliche und zukunftsfähige Bioökonomie zu etablieren. „Das stärkt langfristig die wirtschaftliche Entwicklung und kommt direkt bei den Menschen vor Ort an“, so Huthmacher. 

Mehr dazu im neuen Dossier Transformation des Kohlereviers in Sachsen-Anhalt zur Modellregion für die Bioökonomie. 

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In der Natur wird CO₂ vor allem über den Calvin-Zyklus fixiert, der Teil der Photosynthese ist. Der Marburger Mikrobiologe und Leibniz-Preisträger Tobias Erb arbeitet seit Längerem daran, natürliche Fixierungswege mithilfe der synthetischen Biologie effizienter zu gestalten.

Jetzt ist einem Team um Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und Nico Claassens an der niederländischen Wageningen University ein entscheidender Durchbruch gelungen: Erstmals konnten die Forschenden zeigen, dass die synthetische Kohlenstoff-Fixierung im lebenden System effizienter arbeiten kann als ihre natürlichen Vorbilder. Wie nun im Fachjournal Nature Microbiology beschrieben ist, gelang es ihnen, einen künstlichen Stoffwechselweg in ein genetisch verändertes Bakterium einzubauen. Daraufhin konnte dieses aus Ameisensäure (Formiat) und CO₂ deutlich mehr Biomasse erzeugen als natürliche Bakterienstämme.

Synthetische Biologie verbessert CO₂-Fixierung

„Es ist faszinierend, dass wir mithilfe der synthetischen Biologie innerhalb weniger Jahre neue Lösungen entwerfen können, die effizienter funktionieren als das, was sich in der Natur über Milliarden Jahre entwickelte“, so Erb. Für ihn stellt die Arbeit einen bedeutenden Schritt für das junge Feld der synthetischen Biologie dar.

Erb und sein Team haben bereits synthetische Zyklen zur CO₂-Fixierung entwickelt, die effizienter sind als der natürliche Calvin-Zyklus – darunter den sogenannten CETCH-Zyklus oder den THETA-Zyklus. Diese Stoffwechselwege funktionieren unter Laborbedingungen bereits zuverlässig, der Einbau in den lebenden Organismus bleibt jedoch eine Herausforderung. 

Die Forschenden untersuchten einen bakteriellen Stoffwechselweg zur Umsetzung von Ameisensäure. In einem Hybridprozess wird CO₂ zunächst durch elektrochemische Reduktion zu Ameisensäure umgewandelt, welche einigen Bakterien als Wachstumsgrundlage dient. Für den mikrobiellen Teil des Hybridprozesses setzte das Team den sogenannten reduktiven Glyzinweg ein, den bisher effizientesten solcher künstlichen Stoffwechselwege zur Kohlenstoff-Fixierung.

Bakterienoptimierung durch Laborevolution

Dem Partnerlabor in Wageningen war bereits gelungen, den reduktiven Glyzinweg in Cupriavidus necator zu integrieren – ein nicht-phototrophes Bakterium, das den Calvin-Zyklus zur CO₂-Fixierung braucht, aber nicht für die Photosynthese. Bisher war es jedoch noch nicht gelungen, den neuen Stoffwechselweg effizienter als den Calvin-Zyklus zu gestalten.

Hier setzten Erb und seine Kollegen an, die bereits erfolgreich die adaptive Laborevolution zur Optimierung einzelner Stoffwechselschritte nutzen. Sie transferierten die Gene für den Stoffwechselweg in das Bakterium mithilfe mobiler DNA-Elemente, die sich zufällig ins Genom einbauen. Danach wurden die Bakterienzellen selektiert, die besser als andere wuchsen. Beim Vergleich im Bioreaktor zeigte sich, dass der künstlich veränderte und optimierte Bakterienstamm mit der Verwertung von Ameisensäure deutlich mehr Biomasse bilden kann als der natürliche Ursprungsstamm oder andere vergleichbaren Organismen.

Durch weitere Laborevolution wollen die Forschenden den Stoffwechselweg nochmals beschleunigen. Die Ergebnisse könnten laut den Autoren die nachhaltige Bioproduktion aus Ameisensäure noch effizienter gestalten und den Stoff somit als chemischen Energieträger besser nutzbar machen.

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In nature, CO₂ is mainly fixed via the Calvin cycle, which is part of photosynthesis. Marburg microbiologist and Leibniz Prize winner Tobias Erb has been working for some time on making natural fixation pathways more efficient with the help of synthetic biology.

Now a team led by Erb at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg and Nico Claassens at Wageningen University in the Netherlands has achieved a key breakthrough: For the first time, the researchers have been able to show that synthetic carbon fixation can work more efficiently in living systems than its natural counterparts. As now described in the journal Nature Microbiology, they succeeded in integrating an artificial metabolic pathway into a genetically modified bacterium. As a result, it was able to produce significantly more biomass from formic acid and CO₂ than natural bacterial strains.

Synthetic biology improves CO₂ fixation

“It is fascinating that we can use synthetic biology to design new solutions within a few years that work more efficiently than what has evolved in nature over billions of years,” says Erb. For him, the work represents a significant step forward for the young field of synthetic biology.

Erb and his team have already developed synthetic cycles for CO₂ fixation that are more efficient than the natural Calvin cycle - including the so-called CETCH cycle or the THETA cycle. These metabolic pathways already function reliably under laboratory conditions, but their incorporation into living organisms remains a challenge. 

The researchers investigated a bacterial metabolic pathway for the conversion of formic acid. In a hybrid process, CO₂ is first converted to formic acid by electrochemical reduction, which serves as a basis for growth for some bacteria. For the microbial part of the hybrid process, the team used the so-called reductive glycine pathway, the most efficient artificial metabolic pathway for carbon fixation to date.

Optimizing bacteria through laboratory evolution

The partner laboratory in Wageningen had already succeeded in integrating the reductive glycine pathway in Cupriavidus necator - a non-phototrophic bacterium that needs the Calvin cycle for CO₂ fixation, but not for photosynthesis. However, it had not yet been possible to make the new metabolic pathway more efficient than the Calvin cycle.

This is where Erb and his colleagues came in, having already successfully used adaptive laboratory evolution to optimize individual metabolic steps. They transferred the genes for the metabolic pathway into the bacterium using mobile DNA elements that insert themselves randomly into the genome. The bacterial cells that grew better than others were then selected. A comparison in the bioreactor showed that the artificially modified and optimized bacterial strain was able to produce significantly more biomass than the natural original strain or other comparable organisms by utilizing formic acid.

The researchers want to further accelerate the metabolic pathway through continued laboratory evolution. According to the authors, the results could make sustainable bioproduction from formic acid even more efficient and thus make the substance more usable as a chemical energy source.

chk