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Ob in Zeltplanen, Bratpfannen, Regenjacken oder Kosmetik: per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen – kurz PFAS – stecken in vielen Gegenständen. Die sogenannten Ewigkeitschemikalien sind beliebt, weil sie beständig sind und hohen funktionellen Ansprüchen gerecht werden. Doch die Beständigkeit der fossil basierten Chemikalien ist nachweislich ein Problem für die Umwelt, da sie in der Natur nicht abgebaut werden. Ein Forschungsteam unter Leitung der Freien Universität (FU) Berlin will nun ein umweltfreundliches Verfahren entwickeln, um PFAS aus kontaminiertem Wasser zu filtern.

Das Projekt „Biogene und zirkuläre Ansätze zur Entfernung von PFAS mit ligninbasierten Adsorbermaterialien“ wird von der VolkswagenStiftung in den kommenden vier Jahren mit insgesamt 1,39 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt sind neben der Freien Universität Berlin, die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP).

Adsorbermaterialien aus biogenen Rohstoffen

Herkömmliche Filtermaterialien bestehen in der Regel aus synthetischen Harzen oder Aktivkohle. Im Fokus des Vorhabens steht daher die Entwicklung von Adsorbermaterialien auf Basis biogener Rohstoffe wie Lignin und Glycerol. Beide Rohstoffe sind Nebenprodukte, die bei der Papier- sowie Biodieselproduktion anfallen. Daraus will das Forschungsteam in den kommenden Jahren sogenannte funktionalisierte Adsorberperlen entwickeln. Dieses Filtermaterial wird speziell gestaltet, damit an der Oberfläche Schadstoffe wie PFAS binden und aus dem belastetem Wasser entfernt werden können.

Zirkulärer Ansatz im Blick

Darüber hinaus verfolgt das Forschungsteam einen zirkulären Ansatz und strebt die Regeneration der Adsorberperlen an. Ziel ist es, PFAS wieder vollständig aus dem Filtermaterial zu entfernen, um es wiederverwenden zu können. „Am Ende ihrer Lebensdauer können die Perlen in der Landwirtschaft zur Wasser- und Nährstoffrückhaltung im Boden genutzt werden“, schreiben die Forschenden.

Forschende der FU Berlin werden unterschiedliche Konzepte der Kombination von Lignin und Glycerol untersuchen, während am Fraunhofer-Institut die Verarbeitung und das Upscaling der biogenen Rohstoffe zu Adsorberperlen im Fokus steht. BAM und FU Berlin sind zudem gemeinsam für die Analytik verantwortlich. Sie untersuchen die Qualität der Rohlignine, die Oberflächenbeschaffenheit, Porosität und das Quellverhalten der fertigen Materialien und testen, wie viel PFAS die Perlen tatsächlich absorbieren können, sowie ihre Rezyklierbarkeit.

Als industrienahe Forschungseinrichtung arbeitet die Jenaer Innovent seit Jahren eng mit Unternehmen zusammen und unterstützt diese auf dem Weg von der Produktentwicklung bis zur Markteinführung mit fachlichem und technischem Know-how. Ein Schwerpunkt ist dabei die Forschung an innovativen und nachhaltigen Produkten und Verfahren für die Bioökonomie. Mit der Eröffnung des neuen S2-Labors stehen den Forschenden am Fachbereich Biomaterialien nun ganz neue Möglichkeiten für die Arbeit mit Mikroorganismen zur Verfügung.

Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen und Pilze sind seit langem wichtige Werkzeuge der industriellen Biotechnologie. Sie sind Meister der Stoffumwandlung. Sie verwerten nachwachsende Roh- oder Reststoffe und stellen daraus neue Substanzen her, die fossile Komponenten wie Erdöl in Produkten ersetzen können.

Pathogene Organismen und gentechnisch veränderte Organismen im Blick

Hinsichtlich der Verwertung von Reststoffströmen oder der Produktion neuer nachhaltiger Materialien bedarf es robuster Organismen. Mikroorganismen passen sich jedoch ihren Umweltbedingungen an, sodass bestehende Verfahren angepasst werden müssen. So fallen in Prozessen Nebenstoffströme an, die bisher nur unzureichend genutzt werden können, weil sie nicht wirtschaftlich genug sind.

Materialentwicklungen zur Wirtschaftlichkeit führen

Das neue Innovent-Labor am Fachbereich Biomaterialien bietet den Forschenden zufolge nun die Möglichkeit, mit potenziell pathogenen Organismen wie Bakterien, Viren und Pilzen zu arbeiten und mit gentechnisch veränderten Organismen (GVO) zu forschen. Mithilfe der molekularen Mikrobiologie und der Möglichkeit der gentechnischen Veränderung sei es möglich, die bestehenden Herausforderungen zu meistern und potenzielle Materialentwicklungen zur Wirtschaftlichkeit zu führen, schreiben die Forschenden.

So können beispielsweise mithilfe von fluoreszenz-markierten Organismen neu entwickelte Biomaterialien effektiver auf ihre Eigenschaften wie antimikrobielle Aktivität oder Anti-Biofilm-Eigenschaften untersucht und die rekombinante Herstellung von Proteinen, die die Biofunktionalität eines Materials maßgeblich bestimmen, durchgeführt werden. „So wird es möglich, natürliche Quellen von Makromolekülen zu ersetzen und somit auch ethischen Aspekten bei der Herstellung von Material gerecht zu werden“, so die Forschenden.

Neue Ansätze für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit

Zur modernen Ausstattung des neuen Labors gehören neben der Fluoreszenzmikroskopie auch PCR-Geräte zum Nachweis oder der Quantifizierung von biologischen Prozessen sowie Inkubationsschränke und Schüttler, in denen das Wachstum von Mikroorganismen wie Mikroalgen gezielt gefördert werden kann.

Nicht nur für die Bioökonomie, auch für die Entwicklung biobasierter Materialien im Bereich Medizintechnik bietet das Labor neue Ansätze für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

Der Mensch nutzt den Boden seit Jahrtausenden als Ressource. Doch Klimawandel und intensive Landwirtschaft setzen dem Ökosystem zu. Vor allem die Zahl der Bodentiere, die wichtige Funktionen im Stoffkreislauf übernehmen und den Boden fruchtbar machen, schrumpft. Forschende des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung Halle-Jena-Leipzig (iDiv) und der Universität Leipzig zeigen nun, wie das Bodenökosystem von einer nachhaltigen Bewirtschaftung profitiert.

Energietransfer von Bodenlebewesen als Indikator

Im Rahmen der Studie hatte ein Team um Marie Sünnemann untersucht, wie sich intensive und nachhaltige Landnutzung heute und unter künftigen Klimabedingungen auf die Vielfalt der Bodenlebewesen in Acker- und Grünlandflächen auswirken. Dabei ging es vor allem um die sogenannten Energiekreisläufe und die Aktivitäten von Zersetzern, Pflanzenfressern und Räubern im Bodennahrungsnetz. Dieser Energietransfer diente den Forschenden zufolge als Indikator, um bewerten zu können, wie gut diese Kleinstlebewesen im Ökosystem ihre jeweilige Funktion erfüllen.

Während Zersetzer organisches Material zersetzen und den Boden fruchtbar machen, können Mikrobenfresser beispielsweise verhindern, dass sich schädliche Pilze vermehren. Räuber halten wiederum die Anzahl der Pflanzenfresser wie Blattläuse in Schach und helfen so, Ertragseinbußen bei den Pflanzen zu vermeiden. Auch die Auswirkungen von Hitze und Dürre auf Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze, Fadenwürmer, Springschwänze, Milben sowie größere Tiere wie Käfer, Spinnen, Tausendfüßer und Hundertfüßer wurden untersucht.

Bodenökosystem bei nachhaltiger Landnutzung widerstandsfähiger

Wie die Forschenden im Fachmagazin Global Change Biology berichten, lassen sich bei einer nachhaltigen Bewirtschaftung unterirdische Pflanzenfresser sowie Bodenmikroben besser kontrollieren, wodurch das Bodenökosystem widerstandsfähiger und besser gegen Störungen geschützt ist als bei einer intensiven Landnutzung.

Aktivität der Mikrobenfresser bei nachhaltiger Landnutzung größer

Bei einer nachhaltigen Landnutzung kam es „zu einer höheren Aktivität der Mikrobenfresser und zu einer stärkeren Kontrolle der Mikroorganismen durch diese“. Das heißt, kleine Räuber wie Nematoden regulieren die Mikrobenpopulation und halten sie im Gleichgewicht. Zudem sei die Kontrolle von Pflanzenfressern durch natürliche Gegenspieler in nachhaltig bewirtschafteten Acker- und Grünlandflächen insgesamt stärker ausgeprägt, wodurch eine übermäßige Vermehrung von Pflanzenfressern verhindert werde, berichten die Forschenden.

Die im Rahmen der Studie durchgeführten Feldexperimente fanden auf der Freiland-Versuchsanlage „Global Change Experimental Facility“ (GCEF) des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Bad Lauchstädt bei Halle (Saale) statt. Hier kann auf unterschiedlich intensiv genutzten Acker- und Grünland-Parzellen das Klima der Zukunft simuliert werden.

Ob Weizen, Tomate oder Erdbeere: Bei der Züchtung von Nutzpflanzen war bisher der Ertrag ein wichtiges Kriterium. Durch die gezielte Züchtung ging jedoch nicht nur die genetische Vielfalt verloren. Auch Merkmale, die Pflanzen vor Hitze, Trockenheit oder Kälte schützen, blieben auf der Strecke. Der Genpool von Wildpflanzen und älteren Sorten rückt daher zunehmend in den Fokus der Forschung. So auch am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort wurde das Genom der Walderdbeere (Fragaria vesca) unter die Lupe genommen, um kältetolerante Gene aufzuspüren.

In Folge des Klimawandels verschieben sich Jahreszeiten, sodass Nutzpflanzen wie Erdbeeren immer häufiger durch plötzlichen Frost geschädigt werden. „Durch den Klimawandel fällt es selbst der modernen Landwirtschaft immer schwerer, die fehlende Widerstandsfähigkeit der Nutzpflanzen durch Düngung und Feldpflege aufzufangen“, erklärt Peter Nick vom Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften des KIT. „Wildpflanzen und deren Resilienzgene werden für die Landwirtschaft deshalb immer wichtiger.“

Ursachen für Widerstandskraft entschlüsselt

Die Forschenden identifizierten zunächst Genotypen von Walderdbeeren, die gegen Kälte tolerant und empfindlich sind. Dazu nutzten die Forschenden die Genbank Südwest im Netzwerk „Wildpflanzen mit Nutzungspotenzial für Ernährung und Landwirtschaft“. Dabei fand das Team „ein Paar von Genotypen“, das auf Kältestress völlig gegensätzlich reagierte.

Der Studie zufolge gab es zum einen Unterschiede, die bereits vor dem Kältestress sichtbar wurden. „Gewisse kälteregulierte Gene werden im kältetoleranten Genotyp viel stärker ausgelesen. Diese sorgen für die Produktion von Proteinen, die als zelleigenes Frostschutzmittel wirken und die Membran vor Gefrierschäden schützen“, erläutert Nick. Zum anderen wurden Unterschiede beobachtet, die erst durch den Kältestress verursacht werden. Wie die Forschenden im Journal of Experimental Botany schreiben, wird durch die Kälte die Membran der Pflanzenzelle steifer, was Auswirkungen auf Transportvorgänge und Enzymaktivität hat.

Kälteresiliente Erdbeeren züchten

„Wir haben nun Gene identifiziert, die bei dieser Kältesignalkaskade besondere Bedeutung haben und für die erfolgreiche Reaktion der robusten Walderdbeere sorgen“, berichtet der Botaniker. Damit haben die Karlsruher Forschenden die Voraussetzungen für zukünftige resilientere Züchtungen geschaffen. „In Zukunft können wir auf Basis dieser Ergebnisse Kulturerdbeeren züchten, die beispielsweise das Frostschutz-Protein verstärkt bilden. Dafür müssen wir keine Gentechnik hinzuziehen, sondern können auf natürliche Weise kreuzen“, so Nick. Auf Basis dieses molekularen Wissens sei es nun auch möglich, sehr schnell die dafür passenden Individuen auszusuchen. „Das Beispiel der Walderdbeere zeigt, dass wir die Landwirtschaft durch die Analyse von Wildarten zukünftig nachhaltiger und resilienter gestalten können“, resümiert der Forscher.

In der konventionellen Landwirtschaft gehört der Einsatz von Düngemitteln zur täglich Praxis. Sie versorgen Pflanzen mit Nährstoffen und sorgen für gute Erträge. Den exakten Bedarf an Dünger für eine Pflanze abzuschätzen, ist schwer möglich, wodurch mehr Chemikalien in die Umwelt gelangen als nötig. Hier setzt das Pilotprojekt 5G-PreCiSe an. Darin untersuchen Forschende der Hochschule Reutlingen unter realen Bedingungen, wie ein ressourceneffizienter und bedarfsorientierter Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft durch die Vernetzung von Systemen und Prozessen mithilfe von 5G gelingen kann.

Zusammenspiel von Technologien dank 5G

Die Feldversuche finden auf dem Ihinger Hof statt, einem Versuchsfeld der Universität Hohenheim in der Nähe von Stuttgart. Hier wurde für die Studie Winterweizen angebaut. Um den optimalen Zeitpunkt und die optimale Menge für die Düngung zu ermitteln, nutzen die Forschenden verschiedene Systeme, Programme und Cloud-Server, die mithilfe von 5G in Echtzeit miteinander kommunizieren können.

Im ersten Schritt lassen die Forschenden Drohnen über das Feld fliegen, die mit hochauflösenden Kameras Bilder der Pflanzen aufnehmen und diese über ein Softwaresystem an einen Edge-Cloud-Server senden. Dort werden die Bilder von der Software durch sogenanntes Stitching zu einem Gesamtbild zusammengefügt. So kann die Technik den Zustand und das Wachstum der Pflanzen erfassen.

Sensoren erfassen Umweltdaten

Direkt vor und während der Düngung übermitteln Sensoren weitere Umweltdaten wie Bodentemperatur und Bodenfeuchte an den Server. Den Forschenden zufolge wurde dafür im Rahmen des Projektes ein Sensorsystem entwickelt, das diese Parameter in 10, 20, 40 und 50 cm Bodentiefe ermittelt. Die Sensoren sind wiederum mit einer oberirdisch installierten Kontrolleinheit verbunden, die die Bodenwerte erfasst, aufbereitet und an den Server sendet. Durch den so ermittelten tatsächlichen Biomassewert pro Fläche könnten Landwirte den Düngeprozess optimal an die Gegebenheiten anpassen, um maximale Effizienz und Erträge zu erzielen, schreiben die Forschenden.

Wasser- und Pestizideinsatz optimieren

Im Pilotprojekt wird die Hightech-Methode zur Düngeoptimierung zunächst an Weizen erprobt. Ziel des Vorhabens ist es jedoch, mithilfe dieser Technik künftig auch den Einsatz von Wasser und Pestiziden in der Landwirtschaft zu optimieren. Das Pilotprojekt 5G-PreCiSe ist 2021 gestartet und wird bis Ende 2024 vom Bundesministeriums für Digitales und Verkehr gefördert.

am/bb

Proteine sind neben Fetten und Kohlenhydraten die Hauptnährstoffe, die der menschliche Körper braucht. Die Eiweiße dienen als Baustoff für Zellen und Gewebe, können Knochen und Gewebe reparieren oder steuern als Enzym Stoffwechselvorgänge im Körper. Forschende sind daher seit Jahren bestrebt, Proteine am Computer nachzubauen und mit besseren Eigenschaften zu versehen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) hat nun eine neue Methode entwickelt, um Proteine zu designen.
Am Projekt waren neben der TUM auch Forschende aus China und den USA beteiligt.

Proteindesign mit Nobelpreis-Software

Den Forschenden zufolge nutzten sie für ihre Arbeit auch die Fähigkeiten der KI-basierten Software AlphaFold2. Deren Entwickler, Demis Hassabis und John Jumper, wurden in diesem Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet. Die Software ermöglicht es, die Struktur sogenannter De-novo-Proteine mit hoher Genauigkeit am Computer vorherzusagen.

Wie das Team im Fachjournal Science berichtet, wurde für die neue Proteindesign-Methode „die akkurate Strukturvorhersage von Alphafold2 zusammen mit einem sogenannten Gradient-Descent-Ansatz“ für effizientes Proteindesign kombiniert. Gradient Descent ist eine etablierte Methode zur Modelloptimierung, mit deren Hilfe Abweichungen zur gewünschten Zielfunktion der Proteine sichtbar und die Parameter schrittweise bis zum optimalen Ergebnis angepasst werden können. Die durch AlphaFold2 vorhergesagte Proteinstruktur neuer Proteine habe so mit der gewünschten Proteinstruktur abgeglichen werden können, berichten die Forschenden.

Proteinstruktur virtuell optimiert

Sie konnten auf diese Weise die neu entworfenen Aminosäureketten sowie die für Stabilität und Funktion des Proteins entscheidende Struktur virtuell immer weiter optimieren. „Über mehrere Wiederholungen hinweg verbessern wir die Anordnung der Aminosäuren, bis das neue Protein sehr nah an der Struktur dran ist, die wir gerne hätten“, sagt Christopher Frank, Doktorand am Lehrstuhl für Biomolekulare Nanotechnologie und Erstautor der Studie. Aus dieser optimierten Struktur könne dann die Abfolge von Aminosäuren ermittelt werden, die sich auch tatsächlich im Labor umsetzen lasse, heißt es.

Proteine mit bis zu 1.000 Aminosäuren entworfen

Dass die Methode funktioniert, hat das Team um den Münchner Molekularbiologen Hendrik Dietz bereits in der Praxis bewiesen: Der Studie zufolge wurden über 100 Proteine mithilfe der neuen Methode nicht nur virtuell entworfen, sondern auch im Labor hergestellt und experimentell überprüft. „Wir konnten beweisen, dass unsere designten Strukturen der echten Umsetzung sehr genau entsprechen“, so Christopher Frank. Entworfen wurden Proteine, die bis zu 1.000 Aminosäuren enthalten. „Wir nähern uns damit der Größe von Antikörpern an und können – wie bei Antikörpern auch – dann mehrere gewünschte Funktionen in ein solches Protein integrieren. Das könnten beispielsweise Motive zur Erkennung und Unterdrückung von Krankheitserregern sein“, ergänzt Dietz.

Alongside fats and carbohydrates, proteins are the main nutrients that the human body needs. Proteins serve as a building material for cells and tissue, can repair bones and tissue or control metabolic processes in the body as an enzyme. Researchers have therefore been endeavouring for years to recreate proteins on the computer and give them better properties. An international research team led by the Technical University of Munich (TUM) has now developed a new method for designing proteins.
In addition to TUM, researchers from China and the USA were also involved in the project.

Protein design with Nobel Prize software

According to the researchers, they also utilised the capabilities of the AI-based software AlphaFold2 for their work. Its developers, Demis Hassabis and John Jumper, were honoured with the Nobel Prize in Chemistry this year. The software makes it possible to predict the structure of so-called de novo proteins with high accuracy on the computer.

As the team reports in the journal Science, the new protein design method combines ‘the accurate structure prediction of Alphafold2 together with a gradient descent approach’ for efficient protein design. Gradient descent is an established method for model optimisation, with the help of which deviations from the desired target function of the proteins can be made visible and the parameters can be adjusted step by step until the optimum result is achieved. The researchers report that the protein structure of new proteins predicted by AlphaFold2 could thus be compared with the desired protein structure.

Protein structure virtually optimised

This allowed them to virtually optimise the newly designed amino acid chains and the structure that is crucial for the stability and function of the protein. ‘Over several repetitions, we improve the arrangement of the amino acids until the new protein is very close to the structure we would like to have,’ says Christopher Frank, PhD student at the Chair of Biomolecular Nanotechnology and first author of the study. This optimised structure can then be used to determine the sequence of amino acids that can actually be implemented in the laboratory.

Proteins designed with up to 1,000 amino acids

The team led by Munich-based molecular biologist Hendrik Dietz has already proven that the method works in practice: According to the study, over 100 proteins were not only virtually designed using the new method, but also produced in the laboratory and tested experimentally. ‘We were able to prove that our designed structures correspond very closely to the real implementation,’ says Christopher Frank. Proteins were designed that contain up to 1,000 amino acids. ‘This brings us close to the size of antibodies and - as with antibodies - we can then integrate several desired functions into such a protein. These could be, for example, motifs for recognising and suppressing pathogens,’ adds Dietz.

Böden zählen zu unseren wichtigsten Lebensgrundlagen und erfüllen für Mensch und Umwelt vielfältige Funktionen: Sie sind die zentrale Ressource für die landwirtschaftliche Produktion. Als Kohlenstoffspeicher sind Böden unverzichtbar für den Klimaschutz. Sie filtern und speichern Wasser und sind ein Hotspot der Biodiversität. Böden sind jedoch auch eine stark beanspruchte und nur in langen Zeiträumen erneuerbare Ressource. Der Erhalt und der Schutz dieses komplexen Ökosystems ist daher zu einem elementaren Baustein internationaler Nachhaltigkeitsstrategien geworden. Gesunde Böden tragen etwa zum Erreichen der UN-Nachhaltigkeitsziele bei und sind wichtiges Fundament für ein nachhaltiges, kreislauforientiertes Wirtschaften im Sinne des European Green Deal.

Böden stehen am Anfang der Wertschöpfungsketten

Bewirtschaftete Böden und die auf ihnen wachsenden Pflanzen stehen am Anfang der Wertschöpfungsketten der Bioökonomie. Dieses Konzept nutzt biologische Ressourcen und das Wissen darüber, um mithilfe innovativer Technologien Produkte und Prozesse zu entwickeln. Deutschland ist international Vorreiter in Sachen Bioökonomie. Seit 2010 fördert die Bundesregierung den Wandel hin zum biobasierten nachhaltigen Wirtschaften. Die 2020 veröffentlichte „Nationale Bioökonomiestrategie“ setzt den Rahmen für eine nachhaltige Erschließung und Nutzung biologischer Ressourcen sowie für umweltschonende und naturverträgliche Produktionsverfahren in allen Wirtschaftsbereichen.

Einzigartiger Förderschwerpunkt auf Bodenforschung

Ein Schlüssel für die nachhaltige Nutzung der Böden liegt in den Erkenntnissen aus der anwendungsorientierten Forschung. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat auf den Boden frühzeitig einen Fokus seiner Forschungs- und Innovationsförderung gelegt: Mit der Initiative „Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie – BonaRes“ ging 2015 ein europaweit einzigartiger Förderschwerpunkt für angewandte Bodenforschung an den Start. Zehn interdisziplinäre Forschungsverbünde und das koordinierende BonaRes-Zentrum widmeten sich neun Jahre lang der Frage, wie auf landwirtschaftlich genutzten Böden langfristig und nachhaltig hohe Erträge erzielt werden können, ohne die anderen Bodenfunktionen zu beeinträchtigen.

Insgesamt 128 Mio. Euro Förderung durch das BMBF

Mit einem systemischen Ansatz und einer langfristigen Forschungsperspektive hat BonaRes international neue Maßstäbe in der Bodenforschung gesetzt. Mit „Rhizo4Bio“ ging zudem im Jahr 2020 eine Fördermaßnahme an den Start, in der sechs Projektverbünde die Bedeutung der Wurzel-Boden-Kontaktzone – der sogenannten Rhizosphäre – untersuchen und ihr Potenzial für eine nachhaltige Landwirtschaft erschließen wollen.

Die neue Broschüre stellt die beiden Fördermaßnahmen, die mit insgesamt 128 Mio. Euro durch das BMBF gefördert werden, genauer vor. Sie porträtiert die Forschungsverbünde in ihrer Vielfalt der Ansätze und stellt die zentralen Ergebnisse kompakt und verständlich dar. So wird das entstandene Know-how anschaulich und unter anderem auch für die landwirtschaftliche Praxis zugänglich. Zudem bettet die Broschüre die Aktivitäten in den europäischen Forschungsraum ein. Denn der Weg zu fruchtbaren und gesunden Böden ist eine internationale Aufgabe – für eine zukunftsfähige Landwirtschaft und eine nachhaltige Bioökonomie.

Die Landwirtschaft der Zukunft steht vor großen Herausforderungen: Klimawandel, Ressourcenknappheit und der Bedarf an nachhaltigen Produktionsmethoden erfordern innovative Lösungen. Besonders im Weinbau, einer traditionsreichen Branche, die stark von Umweltbedingungen abhängt, bieten neue Technologien enorme Chancen. Zwei wegweisende Projekte der Universität Koblenz zeigen, wie moderne digitale Innovationen und präzise, datengetriebene Ansätze den Weinbau nicht nur effizienter, sondern auch widerstandsfähiger gegenüber den Veränderungen des Klimas machen können.

Smarter Weinberg: Präzisionstechnologien für eine nachhaltige Landwirtschaft

„Dort, wo die Arbeit von Hand an ihre Grenzen stößt, hilft die Erforschung und Entwicklung smarter Technologien dabei, das jahrhundertealte Weinbauhandwerk zu unterstützen“, sagt Claudia Quaiser-Pohl, Vizepräsidentin für Forschung und Transfer der Universität Koblenz, bei der Abschlussveranstaltung der beiden Projekte in Cochem. Am 19. November 2024 trafen sich hier Vertreter aus Wirtschaft, Politik und Wissenschaft, um die zukunftsweisenden Ergebnisse zu diskutieren.

Im Projekt Smarter Weinberg standen ökologische und digitale Lösungen im Mittelpunkt. Das Projektteam entwickelte eine teilautonome Robotikplattform, die unter Nutzung von 5G-Technologie Aufgaben wie das Entlauben und die Beikrautentfernung an steilen Hängen in Echtzeit umsetzen kann. Zudem wurden verschiedene Rebsorten auf ihre Hitze- und Trockenheitsresistenz erprobt sowie ein KI-basiertes Weinbergs-Informationsmanagementsystem (KIWI) entwickelt, das Winzern hilft, Düngemittel und Spritzmittel optimal einzusetzen.

NoLa: Nomadische 5G-Netze für ländliche Räume

Um die für das Projekt benötigte Echtzeitdatenübertragung zu ermöglichen, wurde parallel das Projekt NoLa (Nomadische 5G-Netze für kleinteilige ländliche Räume) ins Leben gerufen. Für die 5G-Netzabdeckung wurde auf den Weinbergen eine nomadische 5G-Campusnetzanlage aufgebaut. Solche innovativen Netztechnologien sowie Robotik- und KI-Anwendungen würden einen wichtigen Beitrag zum Erhalt der so wichtigen Kulturlandschaft und der 2.000 Jahre alten Tradition des Weinbaus in Steil- und Steilstlagen an der Mosel leisten, sagte Maria Wimmer, Projektkoordinatorin von NoLa. Gleichzeitig forschte das NoLa-Team an einer autarken Energieversorgung der Anlage durch Wasserstoff.

Wirtschaftlicher Mehrwert für ländliche Regionen

Die Ergebnisse beider Projekte, die mit rund 5,7 Millionen Euro vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert wurden, bieten nicht nur Ausblicke für den Weinbau, sondern auch für weitere Landschaftsnutzungsformen in ländlichen Regionen. „Die Erkenntnisse aus den Projekten zu nomadischen 5G-Campusnetzen und zur Automatisierung mithilfe von 5G sind auf andere Bereiche übertragbar und stellen somit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Innovation dar“, erklärte Projektkoordinatorin Wimmer.

Beim regen Austausch während der Abschlussveranstaltung wurde deutlich, dass nachhaltiger Weinbau sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich sinnvoll ist. Volker Wissing, Bundesminister für Digitales, betonte in seiner Videobotschaft: Die Projekte „haben gezeigt, dass Innovation selbst in den kleinsten Strukturen unserer Wirtschaft echten Mehrwert schaffen kann. Vor allem aber haben sie gezeigt, wie aus Tradition Zukunft werden kann: nämlich mithilfe modernster Technologien".

The agriculture of the future faces major challenges: Climate change, scarcity of resources and the need for sustainable production methods require innovative solutions. New technologies offer enormous opportunities, particularly in viticulture, a traditional industry that is heavily dependent on environmental conditions. Two pioneering projects at the University of Koblenz show how modern digital innovations and precise, data-driven approaches can make viticulture not only more efficient, but also more resilient to climate change.

Smart vineyard: precision technologies for sustainable agriculture

‘Where manual labour reaches its limits, the research and development of smart technologies is helping to support the centuries-old craft of winegrowing,’ says Claudia Quaiser-Pohl, Vice President for Research and Transfer at the University of Koblenz, at the closing event for the two projects in Cochem. Representatives from business, politics and science met here on 19 November 2024 to discuss the forward-looking results.

The Smarter Vineyard project focussed on ecological and digital solutions. The project team developed a semi-autonomous robotic platform that uses 5G technology to perform tasks such as defoliation and weed removal on steep slopes in real time. In addition, various grape varieties were tested for their resistance to heat and drought and an AI-based vineyard information management system (KIWI) was developed to help winegrowers optimise the use of fertilisers and sprays.

NoLa: Nomadic 5G networks for rural areas

In order to enable the real-time data transmission required for the project, the NoLa project (nomadic 5G networks for small rural areas) was launched in parallel. A nomadic 5G campus network system was set up in the vineyards to provide 5G network coverage. Such innovative network technologies as well as robotics and AI applications would make an important contribution to preserving the important cultural landscape and the 2,000-year-old tradition of viticulture in steep and steeply sloping vineyards on the Moselle, said Maria Wimmer, NoLa project coordinator. At the same time, the NoLa team researched a self-sufficient energy supply for the plant using hydrogen.

Added economic value for rural regions

The results of both projects, which were funded with around 5.7 million euros by the Federal Ministry for Digital and Economic Affairs and Transport, not only offer prospects for viticulture, but also for other forms of landscape utilisation in rural regions. ‘The findings from the projects on nomadic 5G campus networks and automation with the help of 5G are transferable to other areas and therefore represent an important contribution to the further development of innovation,’ explained project coordinator Wimmer.

During the lively discussion at the closing event, it became clear that sustainable viticulture makes both ecological and economic sense. Volker Wissing, Federal Minister for Digital Affairs, emphasised in his video message: The projects ‘have shown that innovation can create real added value even in the smallest structures of our economy. Above all, however, they have shown how tradition can become the future: namely with the help of state-of-the-art technologies’.

Es ist eine vielversprechende Technologie, mit der die Electrochaea GmbH die Produktion und vor allem die Speicherung von nachhaltig erzeugtem Gas noch effizienter machen will. Im Fokus stehen Milliarden Jahre alte Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, die als Biokatalysator bei der Umwandlung von Strom in Gas agieren. Nach Demonstrationsanlagen in Dänemark, der Schweiz und den USA wird nun auch in Japan eine Biomethanisierungsanlage entstehen. Nach Angaben von Electrochaea wurde eine entsprechende fünfjährige Vereinbarung zur Lizenzierung mit dem japanischen Energieunternehmen Hitachi getroffen.

Hitachi erhält Lizenz zur Nutzung der Power-to-Gas-Technologie

Die Biomethananlage soll demnach bis 2027 in Japan in Betrieb gehen. Mit der Lizenzvereinbarung erhält Hitachi außerdem die Option, weitere Lizenzen für den Einsatz von Electrochaeas Power-to-Gas Technologie in Japan zu erwerben. Zu finanziellen Einzelheiten äußerten sich die Unternehmen nicht.

Die Power-to-Gas-Technologie des 2014 gegründeten bayrischen Unternehmens nutzt methanogene Archaeen als Biokatalysator, um bei der Gasfermentation im Bioreaktor aus Wasserstoff und CO₂ erneuerbares Methan in Netzqualität zu erzeugen. Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien kann in der Elektrolyse für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt werden, während das CO₂ aus verschiedenen Quellen wie Abgasen stammen kann. Auf diese Weise will Electrochaea das Speicherproblem erneuerbarer Energien lösen. Das so erzeugte klimaneutrale E-Methan soll fossiles Erdgas kostengünstig ersetzen und somit Treibhausgasemissionen reduzieren.

Anschub für Expansion in Asien

„Die Partnerschaft mit einem global führenden Energieunternehmen stärkt unsere weltweite Präsenz und wird für unsere Expansion in ganz Asien von entscheidender Bedeutung sein“, sagte Doris Hafenbradl, CTO und Geschäftsführerin von Electrochaea mit Blick auf die neue Kooperation in Japan.

Mithilfe einer EU-Förderung konnte das in Planegg bei München ansässige Unternehmen seine Technologie zur mikrobiellen Biomethanproduktion erfolgreich in den Industriemaßstab bringen.

ck/bb

Electrochaea GmbH is using a promising technology to make the production and, above all, storage of sustainably produced gas even more efficient. It involves microorganisms that are billions of years old, known as archaea, which act as biocatalysts in the conversion of electricity into gas. Following demonstration plants in Denmark, Switzerland and the USA, a biomethanisation plant will now also be built in Japan. According to Electrochaea, a corresponding five-year licence agreement has been concluded with the Japanese energy company Hitachi.

Hitachi receives licence to use power-to-gas technology

The biomethane plant is scheduled to go into operation in Japan by 2027. The licence agreement also gives Hitachi the option to acquire further licences for the use of Electrochaea's power-to-gas technology in Japan. The companies did not comment on financial details.

Founded in 2014, the Bavarian company's power-to-gas technology uses methanogenic archaea as a biocatalyst to produce grid-quality renewable methane from hydrogen and CO₂ during gas fermentation in the bioreactor. Surplus electricity from renewable energies can be used to generate hydrogen and oxygen in the electrolysis process, while the CO₂ can come from various sources such as exhaust gases. In this way, Electrochaea aims to solve the storage problem of renewable energies. The climate-neutral e-methane produced in this way is intended to replace fossil natural gas at low cost and thus reduce greenhouse gas emissions.

Boost for expansion in Asia

‘The partnership with a leading global energy company strengthens our global presence and will be crucial for our expansion throughout Asia,’ said Doris Hafenbradl, CTO and Managing Director of Electrochaea, referring to the new cooperation in Japan.

With the help of EU funding, the company, which is based in Planegg near Munich, was able to successfully bring its technology for microbial biomethane production to industrial scale.

chk/bb

Die Bauwirtschaft ist mit 38 % für einen Großteil der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Nachhaltige Baustoffe sind daher dringend gefragt, um Umwelt und Klima nicht weiter zu belasten. Das Berliner Start-up Carbon Instead hat eine Technologie parat, um Baustoffe wie Dämmmaterialien zu Kohlenstoffsenken zu machen. Das Team um Geschäftsführerin Julia Roth setzt dabei auf den Einsatz von Biokohle, die für den industriellen Einsatz im Bausektor maßgeschneidert wird.