Aktuelle Veranstaltungen

Algae are not only masters of survival but also versatile organisms with significant potential for the bioeconomy. As head of the Competence Center Algal Biotechnology at Anhalt University of Applied Sciences, Carola Griehl aims to harness this potential to replace as much of the increasingly scarce petroleum resources as possible with algae. To achieve this, the chemist constantly seeks new strains to expand the algae portfolio and develop new bio-based products for the food, pharmaceutical, cosmetics, agricultural, and chemical industries. Her team is also working on integrating microalgae production into agricultural operations.

Mikroorganismen spielen eine Schlüsselrolle in der Bioökonomie – von der nachhaltigen Energiegewinnung bis zur Entwicklung neuer Materialien. Daher ist es essenziell, ihren Stoffwechsel zu verstehen und weiter zu optimieren. Forschende der Friedrich-Schiller-Universität und der Leibniz-Institute in Jena haben herausgefunden, wie stark die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ihren Stoffwechsel anpassen kann – allein durch neue Anzuchtbedingungen, ohne dass ein Eingriff in das Erbgut notwendig ist.

Die zehn Mikrometer kleine Alge ist in den nassen Böden von Reisfeldern zu Hause. Diese Umgebung stellten die Forschenden in ihrer Studie nach, die kürzlich in der Fachzeitschrift New Phytologist veröffentlicht wurde. Mithilfe von 3D-Drucktechnologie imitierten sie die struktur- und acetatreiche Umgebung von Reisfeldern und beobachteten, wie sich die Alge unter diesen Bedingungen veränderte.

Anpassungsfähigkeit ohne genetische Veränderungen

Der Studie zufolge verdickte sich die Zellwand der Alge unter den simulierten Bedingungen, während die Zelle kleiner und die Geißeln kürzer wurden. Der „Augenfleck“, mit dem die Alge Licht wahrnimmt, vergrößerte sich demnach und die Alge konnte sogar die Anzahl ihrer lichtempfindlichen Rezeptoren anpassen. Zusätzlich zu diesen äußerlichen Veränderungen stellte das Forschungsteam fest, dass die Alge vermehrt Kohlenhydrate in Form von Stärke produziert, was auf eine Umstellung des Stoffwechsels hinweist. Der Studie zufolge würden diese Anpassungen der Alge „das Überleben in der komplexen, von Mikroorganismen geprägten und teils anaeroben Umgebung erleichtern“ und somit helfen, mit Stressfaktoren wie Sauerstoffmangel und der Konkurrenz mit anderen Mikroorganismen klarzukommen.

Die Forschenden zeigten sich allerdings überrascht, dass all diese Anpassungen ohne Eingriff in das Erbgut des Einzellers zustande kamen. „Unsere Studie zeigt, wie wichtig es ist, Mikroorganismen nicht nur unter Laborbedingungen zu untersuchen, sondern auch in Umgebungen, die ihrer natürlichen Lebenswelt ähneln“, sagt Maria Mittag, Professorin für Allgemeine Botanik an der Uni Jena.

Exzellente Forschung im interdisziplinären Team

Für die Studie vereinten Forschende verschiedener Disziplinen ihre Expertise aus der Mikrobiologie, Botanik, Photonik und Bioinformatik. Zusammengebracht hat sie das Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ in Jena. Gemeinsam mit Pierre Stallforth, Professor für Bioorganische Chemie und Paläobiotechnologie an der Uni Jena, schuf das Team die komplexe, strukturierte 3D-Umgebung für die Studie. Forschende mit Expertise in Biophysik und Mikroskopie hielten anschließend die veränderte äußere Gestalt der Algen bildlich fest, während die Teams um Jürgen Popp und Maria Mittag die Stoffwechselvorgänge innerhalb der Zelle visualisierten.

„Die Kombination aus innovativen optischen Technologien und interdisziplinären Ansätzen hat es uns ermöglicht, einen umfassenden Einblick in die biologischen Anpassungen von Chlamydomonas reinhardtii zu gewinnen“, erklärt Jürgen Popp vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien.

Biotechnologisches Potenzial

Die Forschenden hoffen, dass die Erkenntnisse in Bereichen der Biotechnologie Anwendung finden können, zum Beispiel für die Produktion nachhaltiger Biokraftstoffe.

Microorganisms play a key role in the bioeconomy – from sustainable energy production to the development of new materials. It is therefore essential to understand and further optimise their metabolism. Researchers at Friedrich Schiller University and the Leibniz Institutes in Jena have discovered the extent to which the green alga Chlamydomonas reinhardtii can adapt its metabolism – simply through new cultivation conditions, without the need to intervene in the genetic material.

The algae, which is ten micrometres in size, is at home in the wet soil of rice fields. The researchers recreated this environment in their study, which was recently published in the journal New Phytologist. Using 3D printing technology, they imitated the structure- and acetate-rich environment of rice fields and observed how the algae changed under these conditions.

Adaptability without genetic changes

According to the study, the algae's cell wall thickened under the simulated conditions, while the cell became smaller and the flagella shorter. The 'eyespot', with which the alga perceives light, increased in size and the alga was even able to adjust the number of its light-sensitive receptors. In addition to these external changes, the research team found that the algae produced more carbohydrates in the form of starch, which indicates a change in metabolism. According to the study, these adaptations would ‘facilitate the survival of the alga in the complex, microorganism-rich and partly anaerobic environment’ and thus help it to cope with stress factors such as oxygen deficiency and competition with other microorganisms.

However, the researchers were surprised that all of these adaptations came about without interfering with the protozoa's genetic material. ‘Our study shows how important it is to investigate microorganisms not only under laboratory conditions, but also in environments that resemble their natural habitat,’ says Maria Mittag, Professor of General Botany at the University of Jena.

Excellent research in an interdisciplinary team

For the study, researchers from various disciplines combined their expertise in microbiology, botany, photonics and bioinformatics. They were brought together by the Cluster of Excellence ‘Balance of the Microverse’ in Jena. Together with Pierre Stallforth, Professor of Bioorganic Chemistry and Palaeobiotechnology at the University of Jena, the team created the complex, structured 3D environment for the study. Researchers with expertise in biophysics and microscopy then captured the changed external shape of the algae in images, while the teams led by Jürgen Popp and Maria Mittag visualised the metabolic processes within the cell.

‘The combination of innovative optical technologies and interdisciplinary approaches has enabled us to gain a comprehensive insight into the biological adaptations of Chlamydomonas reinhardtii,’ explains Jürgen Popp from the Leibniz Institute of Photonic Technology.

Biotechnological potential

The researchers hope that the findings can be applied in areas of biotechnology, for example for the production of sustainable biofuels.

Zahlreiche Alltagsprodukte – von Zahnpasta über Frühstücksflocken bis hin zu Elektronikartikeln – werden in sogenannten Faltschachteln verpackt. Sie bestehen in der Regel aus Papier und Pappe und lassen sich gut recyceln. Wenig nachhaltig sind jedoch die hier verwendeten Klebstoffe, die meist aus fossilen Rohstoffen bestehen. Im Projekt SUGRA will ein Team des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit Industriepartnern den Weg für umweltfreundliche und nachhaltige Verpackungen ebnen.

Biobasierter Klebstoff für Faltschachteln

Im Fokus steht die Entwicklung biobasierter Klebstoffe auf Basis von Stärke, die auch den hohen industriellen Anforderungen zur Herstellung von Faltschachteln gerecht werden. „Die Auftragsqualität, die Abbindezeit und die Anfangsklebkraft des Klebstoffs, der sogenannte Anfangstack, sind wichtige Faktoren, damit die Fertigung von Faltschachteln auf schnell laufenden Produktionsmaschinen gelingt“, erläutert Jens Buller vom Fraunhofer IAP.

Das Auftragen der Klebstoffe auf die Verpackungen erfolgt an sogenannten Hochgeschwindigkeitsmaschinen über eine Düse. Hier werden Produktionsgeschwindigkeiten bis zu 600 Meter pro Minute erreicht, die den Forschenden zufolge nur wenige Sekunden Zeit bieten, um eine stabile Klebeverbindung zu erzeugen. Zudem muss der Klebstoff präzise aufgetragen werden, ohne zu spritzen und so andere Bereiche zu verkleben.

Dispersionsklebstoff aus modifizierter Stärke

Zur Herstellung von Faltschachteln werden wiederum Dispersionsklebstoffe genutzt, die aus synthetischen Polymeren bestehen. Diese fossilen Rohstoffe haben die Forschenden im Projekt nun durch Stärke ersetzt. „Schon die Wahl des Rohstoffs, wirkt sich auf die Eigenschaften des Klebstoffs aus. Er beeinflusst beispielsweise maßgeblich, ob der Klebstoff Fäden bildet“, erklärt Buller.

Stärkeklebstoff besteht erste Tests

Durch die immer „weitere Modifizierung der Stärkeprodukte und die Formulierung zu Stärkeklebstoffen“ entstand den Forschenden zufolge eine nachhaltige Klebstoffvariante, die den hohen industriellen Anforderungen gerecht wird und auch „lebensmittelkonform“ ist. Erste Tests bei Industriepartnern waren erfolgreich. Demnach überzeugte der neue Stärkeklebstoff nicht nur beim Auftragen und der Haftung, auch die Klebenaht blieb bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur stabil. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass biobasierte Stärkeklebstoffe geeignet sind, um synthetische Polymere in der Faltschachtelherstellung zu ersetzen. Zudem können sie Recyclingprozesse aufgrund ihrer guten Löslichkeit erheblich vereinfachen“, resümiert Buller.

Das Vorhaben „Sustainable Gluing With Renewable Adhesives“ (SUGRA) wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.

bb

Süßigkeiten wie Schokolade, Plätzchen oder Baiser gehören für viele Menschen zur Weihnachtszeit dazu. Doch auch hier geht der Trend zu veganen Leckereien, die gesund und nachhaltig sind. Doch gerade bei Backwaren ist es mitunter schwer, gänzlich auf tierische Produkte wie Eier zu verzichten. Forschende vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising wollen das ändern. Im Projekt „LeguFoam“ hat ein Team um Maike Föste eine pflanzliche Alternative zum traditionellen Eiweiß aus Hühnereiern entwickelt.

Proteinschaum aus Leguminosen als Ei-Alternative

Im Fokus stand die Herstellung eines veganen Eiweißschaums, der Backwaren wie Baiser, Biskuits oder Tortenböden locker und fluffig macht. Bei der Suche nach einer Ei-Alternative konzentrierten sich die Fraunhofer-Forschenden auf Hülsenfrüchte wie Lupine, Erbsen und Linsen – und vor allem deren pflanzliche Proteine. Ziel war es, ein Proteinkonzentrat aus Leguminosen zu entwickeln, das den Forschenden zufolge „mit verbesserten Schaumbildungs- und Stabilisierungseigenschaften“ für schaumbasierte Lebensmittel wie Baiser als Ei-Ersatz genutzt werden kann.

Zur Herstellung der Eischaum-Alternative wurde schließlich das Mehl von Erbsen verwendet. „Diese sind bei richtiger Verarbeitung geschmacklich sehr neutral und deshalb gut geeignet“, erklärt Föste. Doch bis zum stabilen Erbsenschaum waren einige Hürden zu nehmen. So musste zunächst das Proteinkonzentrat aus einem Mehl-Wasser-Gemisch gewonnen werden. Diese Proteine wurden dann durch Lauge gelöst und mithilfe spezieller Trennverfahren weiter aufkonzentriert.

Leguminosenproteine funktionalisiert und optimiert

Im nächsten Schritt wurde das Erbsenprotein auf seine Fähigkeiten untersucht, Schaum zu bilden und als solcher lange stabil zu bleiben. Schaum besteht aus Luftbläschen, an deren Grenzflächen sich die Proteine wie ein Film legen und sie damit stabil machen. Hier kam es den Forschenden zufolge darauf an, dass die funktionellen Eiweißgruppen bestmöglich an den Bläschen andocken, sodass viel schaumige Masse entsteht, die den Schaum stabil hält. Mithilfe der Homogenisierung unter hohem Druck gelang es den Forschenden eigenen Angaben nach, die Proteinstruktur gezielt zu funktionalisieren und die Fähigkeit zur Schaumbildung zu steuern.

Geschmack überzeugt Feinschmecker

Proben zur Konsistenz der schaumigen Masse ergaben, dass der „Schaum in einem Gefäß mit definierter Größe für einen festgelegten Zeitraum stehen“ blieb. „Inzwischen kommt unsere Verfahrenstechnik mit den Leguminosen der Qualität von tierischem Eiweißschaum schon recht nahe“, berichtet Föste. Der Erbsenschaum kann aber nicht nur mit der Qualität des tierischen Eiweißes mithalten. In ersten sensorischen Tests hat die pflanzliche Alternative demnach auch Feinschmecker und Liebhaber von süßem Gebäck geschmacklich überzeugt, obwohl Unterschiede zum tierischen Vorbild durchaus bemerkt wurden.

Als Nächstes will das Fraunhofer-Team die Langzeitstabilität des Erbsenschaums weiter verbessern. Das Team ist jedoch überzeugt, dass der pflanzliche Proteinschaum als Ei-Alternative dienen und insbesondere Herstellern von Süß- und Backwaren neue Chancen eröffnet, um die wachsende Nachfrage nach veganen Produkten zu bedienen.

For many people, sweets such as chocolate, biscuits and meringue are part of the Christmas season. But the trend is also moving towards vegan treats that are healthy and sustainable. However, when it comes to baked goods in particular, it can be difficult to completely avoid animal products such as eggs. Researchers at the Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV in Freising want to change that. In the ‘LeguFoam’ project, a team led by Maike Föste has developed a plant-based alternative to traditional egg whites from hens' eggs.

Protein foam from legumes as an egg alternative

The focus was on the production of a vegan protein foam that makes baked goods such as meringue, sponge cakes or cake bases light and fluffy. In their search for an egg alternative, the Fraunhofer researchers focussed on pulses such as lupins, peas and lentils – and especially their plant-based proteins. The aim was to develop a protein concentrate from legumes which, according to the researchers, can be used as an egg substitute ‘with improved foaming and stabilising properties’ for foam-based foods such as meringue.

Finally, pea flour was used to produce the egg foam alternative. ‘When processed correctly, peas have a very neutral flavour and are therefore very suitable,’ explains Föste. However, there were a few hurdles to overcome before stable pea foam was achieved. For example, the protein concentrate first had to be extracted from a mixture of flour and water. These proteins were then dissolved using lye and further concentrated using special separation processes.

Legume proteins functionalised and optimised

In the next step, the pea protein was analysed for its ability to form foam and remain stable as such for a long time. Foam consists of air bubbles on the interfaces of which the proteins form a film, making them stable. According to the researchers, it was important for the functional protein groups to dock to the bubbles in the best possible way so that a lot of foamy mass is formed, which keeps the foam stable. According to the researchers, homogenisation under high pressure enabled them to specifically functionalise the protein structure and control the ability to form foam.

Flavour convinces gourmets

Tests on the consistency of the foamy mass showed that the ‘foam remained in a container of a defined size for a set period of time’. ‘In the meantime, our process technology with the legumes comes quite close to the quality of animal protein foam,’ reports Föste. However, the pea foam can not only keep up with the quality of animal protein. In initial sensory tests, the plant-based alternative also impressed gourmets and lovers of sweet pastries in terms of flavour, although differences to the animal model were certainly noticed.

The next step for the Fraunhofer team is to further improve the long-term stability of the pea foam. However, the team is convinced that the plant-based protein foam could serve as an egg alternative and open up new opportunities for manufacturers of confectionery and baked goods in particular to meet the growing demand for vegan products.

Humus ist bekanntermaßen gut für den Boden. Das komplexe Gemisch aus organischen Stoffen, wie abgestorbene Tier- und Pflanzenreste, dient Pflanzen und Bodenmikroben gleichermaßen als Nahrungsquelle und ist damit ein Treiben für das Pflanzenwachstum und die Bodengesundheit. Hier sind es vor allem die im Humus enthaltenen Huminstoffe, die dafür sorgen, dass Feuchtigkeit und Nährstoffe im Boden gebunden werden, Mikroben-Biomasse in nährstoffreiche Biostimulanzien umwandeln und diese für Pflanzen verfügbar machen können. In der Praxis sieht es jedoch oft anders aus. Mithilfe von Düngern versuchen Landwirtinnen und Landwirte den fehlenden Nährstoffgehalt im Boden zu kompensieren.

Künstliche Huminstoffe für die Landwirtschaft

Am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) ist es Forschenden nun gelungen, Huminstoffe aus biologischen Reststoffen künstlich herzustellen und für die Landwirtschaft nutzbar zu machen. Möglich wurde das durch den Einsatz eines neuen, bisher wenig etablierten Verfahrens – die sogenannte hydrothermale Humifizierung. „Was die Natur in Jahren mithilfe von Mikroorganismen schafft, können wir in Minuten bis Stunden in einem kontrollierbaren Prozess mit Hitze, Druck und Wasser erreichen“, erklärt Nader Marzban, Post-Doktorand am ATB und Experte für Biokohle und Huminstoffe.

Reststoffverwertung mittels hydrothermaler Humifizierung

Im Rahmen von Studien hat der ATB-Forscher bereits nachgewiesen, dass mithilfe der hydrothermalen Humifizierung biologische Reststoffe wie organische Abfälle aus Landwirtschaft und Privathaushalten vollständig verwertet werden können. In einem Hochdruckreaktor wurde demnach die Biomasse mit Wasser in einem Verhältnis von etwa 0,1 zu 0,4 gemischt. „Die Faserbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin werden dann unter hohem Druck (zwischen 6 und 60 bar) und bei hoher Temperatur (zwischen 160 und 240° C) aufgeschlossen. Je nach pH-Wert und Temperatur im Reaktor erhalten wir entweder mehr Hydrokohle oder künstliche Huminsäure. Beides sind Feststoffe, deren Farbe von bräunlich bis schwarz reicht“, erklärt Marzban.

Diese Feststoffe könnten Marzban zufolge als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt werden, wie Versuche mit einem Mikrodünger auf Huminstoffbasis belegen. „Die ersten Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von nur 0,01 % unserer Humifizierungsprodukte in den Boden den Keimungsindex deutlich erhöhen und die Pflanzen bei der Aufnahme von mehr Nährstoffen, wie Phosphor, unterstützen kann.“

Großes Potenzial für nachhaltige und zirkuläre Bioökonomie

Das Team um den Potsdamer Experten ist vom Potenzial der hydrothermalen Humifizierung für die Bioökonomie überzeugt. „Wir schließen Kreisläufe und ersetzen fossile Ressourcen im Sinne einer nachhaltigen und zirkulären Bioökonomie. Wenn wir sicherstellen, dass unsere Huminsäuren den natürlichen Vorkommen in Qualität und Nutzen in nichts nachstehen – und das können wir nachweisen –, haben wir ein schnelles, kontrollierbares Verfahren, das nachwachsende Rohstoffe nutzt und eine kaskadische, also mehrstufige Nutzung dieser Biomasse ermöglicht“, sagt Marzban.

Auch andere Prozesse könnten dem Huminstoffexperten zufolge von dem neuen Verfahren profitieren – etwa durch die Integration in Bioraffinerien, um feste und flüssige Rückstände in Huminstoffe umzuwandeln.

Humus is known to be good for the soil. The complex mixture of organic matter, such as dead animal and plant remains, serves as a food source for plants and soil microbes alike and is therefore a driving force for plant growth and soil health. It is primarily the humic substances contained in humus that ensure that moisture and nutrients are bound in the soil, convert microbial biomass into nutrient-rich biostimulants and make these available to plants. In practice, however, things often look different. Farmers try to compensate for the lack of nutrients in the soil with the help of fertilisers.

Artificial humic substances for agriculture

Researchers at the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB) have now succeeded in artificially producing humic substances from biological residues and making them usable for agriculture. This was made possible by using a new, previously little-established process known as hydrothermal humification. ‘What nature can do in years with the help of microorganisms, we can achieve in minutes to hours in a controllable process with heat, pressure and water,’ explains Nader Marzban, post-doctoral researcher at the ATB and expert in biochar and humic substances.

Residue utilisation using hydrothermal humification

The ATB researcher has already demonstrated in studies that biological residues such as organic waste from agriculture and private households can be fully utilised using hydrothermal humification. In a high-pressure reactor, the biomass was mixed with water in a ratio of around 0.1 to 0.4. ‘The fibre components cellulose, hemicellulose and lignin are then broken down under high pressure (between 6 and 60 bar) and at a high temperature (between 160 and 240° C). Depending on the pH value and temperature in the reactor, we obtain either more hydrochar or artificial humic acid. Both are solids that range in colour from brownish to black,’ explains Marzban.

According to Marzban, these solids could be used as a fertiliser in agriculture, as tests with a humic-based microfertiliser have shown. ‘The initial results showed that adding just 0.01% of our humification products to the soil can significantly increase the germination index and help plants absorb more nutrients, such as phosphorus.’

Great potential for a sustainable and circular bioeconomy

The team led by the Potsdam expert is convinced of the potential of hydrothermal humification for the bioeconomy. ‘We are closing cycles and replacing fossil resources in the sense of a sustainable and circular bioeconomy. If we ensure that our humic acids are in no way inferior to natural deposits in terms of quality and benefits – and we can prove this – we have a fast, controllable process that uses renewable raw materials and enables cascading, i.e. multi-stage utilisation of this biomass,’ says Marzban.

According to the humic substances expert, other processes could also benefit from the new method - for example, by integrating it into biorefineries to convert solid and liquid residues into humic substances.

Wie können Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff, die der Umwelt durch den Anbau und Verzehr von Lebensmitteln entzogen werden, wieder zurückgegeben werden? Diese Frage stand im Fokus des Projektes „zirkulierBAR“, das in den Jahren 2021 bis 2024 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme REGION.innovativ unterstützt wurde. Nach Abschluss des dreijährigen Vorhabens, welches das Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) koordinierte, hat das Konsortium nun seine Ergebnisse und Erkenntnisse in einem Handbuch zusammengefasst.

Leitfaden für die Sanitär- und Nährstoffwende

Das „Handbuch für die Sanitär- und Nährstoffwende“ soll Kommunen sowie Landwirtinnen und Landwirte auf dem Weg in eine zirkuläre Zukunft als Praxisleitfaden dienen. Auf 124 Seiten wird gezeigt, wie mithilfe neuer Sanitärsysteme und Aufbereitungsanlagen Nährstoffe, die über die Nahrung aufgenommen wurden, wieder in den natürlichen Kreislauf zurückgeführt werden können. Im Fokus des Projektes stand hier die Aufbereitung von Urin und Feststoffen aus sogenannten Trockentoiletten zu Recyclingdünger und -kompost.

Dafür wurde im Rahmen des Vorhabens auf dem Gelände der Stadtwerke Barnim in Eberswalde eine Recyclinganlage aufgebaut, um menschliche Ausscheidungen zu sammeln, zu säubern und als Recyclingdünger aufzubereiten. Es ist die erste ihrer Art in Deutschland. In dem Reallabor wurde erforscht, ob diese Art der Nährstoffrückgewinnung technisch machbar und auch ökologisch sinnvoll ist. In dem Handbuch beschreiben die Forschenden nun, wie viel Potenzial in dem Recyclingdünger steckt.

Beitrag zur Düngemittelversorgung und Umweltschutz

„Wenn Nährstoffe aus Kot und Urin getrennt gesammelt und aufbereitet werden und qualitätsgesichert auf den Äckern landen, können sie einen wichtigen Beitrag zur Versorgung mit Düngemitteln leisten“, resümiert Projektkoordinatorin Ariane Krause vom Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ). „Außerdem können wir Wasser sparen und die Belastung der Gewässer reduzieren. Zudem verringern Recyclingdünger die Abhängigkeit von Rohphosphat- und Erdgasimporten, die zur Herstellung synthetischer Dünger gebraucht werden.“

Durch die getrennte Aufbereitung von Urin und Kot lassen sich nicht nur wichtige Nährstoffe recyceln. Den Forschenden zufolge können mithilfe des Recyclingdüngers auch bis zu 25 % des Mineraldüngers in Deutschland ersetzt werden und somit der CO₂-Fußabdruck und Druck auf natürliche Ressourcen wie Boden, Wasser, Luft und Nährstoffe gemindert werden.

How can nutrients such as phosphorus and nitrogen, which are removed from the environment through the cultivation and consumption of food, be returned? This question was the focus of the ‘zirkulierBAR’ project, which was supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) from 2021 to 2024 as part of the REGION.innovativ funding programme. Following the completion of the three-year project, which was coordinated by the Leibniz Institute of Vegetable and Ornamental Crops (IGZ), the consortium has now summarised its results and findings in a handbook.

Guidelines for the sanitary and nutrient transformation

The ‘Handbook for the sanitary and nutrient transformation’ is intended to serve as a practical guide for municipalities and farmers on the path to a circular future. Its 124 pages show how new sanitation systems and treatment plants can be used to return nutrients absorbed through food to the natural cycle. The project focused on the processing of urine and solids from dry toilets into recycled fertiliser and compost.

As part of the project, a recycling plant was set up on the premises of Stadtwerke Barnim in Eberswalde to collect and clean human excrement and process it as recycled fertiliser. It is the first of its kind in Germany. In the real-life laboratory, research was carried out into whether this type of nutrient recovery is technically feasible and also ecologically sensible. In the handbook, the researchers now describe how much potential there is in the recycled fertiliser.

Contribution to fertiliser supply and environmental protection

‘If nutrients from faeces and urine are collected and processed separately and end up on the fields in a quality-assured manner, they can make an important contribution to the supply of fertilisers,’ summarises project coordinator Ariane Krause from the Leibniz Institute of Vegetable and Ornamental Crops (IGZ). ‘We can also save water and reduce water pollution. Recycled fertilisers also reduce our dependence on imports of rock phosphate and natural gas, which are used to produce synthetic fertilisers.’

The separate processing of urine and faeces not only allows important nutrients to be recycled. According to the researchers, the recycled fertiliser can also be used to replace up to 25% of mineral fertilisers in Germany, thereby reducing the carbon footprint and pressure on natural resources such as soil, water, air and nutrients.

Biobasierte Materialien bieten viel Potenzial als Grundstoffe für die Industrie, insbesondere für die Herstellung vielseitiger Kunststoffe. Ein neu gestartetes EU-Projekt verfolgt das Ziel, diese Kunststoffe mithilfe von Bakterien aus Holzresten zu produzieren. Im Fokus des Projekts „BIOPYRANIA“ stehen Pyrazin-basierte Kunststoffe. Das Forschungskonsortium wird im Rahmen des EU-Programms Horizon Europe 2021-2027 mit rund 5 Mio. Euro gefördert. In neun europäischen Ländern sind 13 Firmen und Forschungseinrichtungen beteiligt. Mit dabei ist aus Deutschland auch eine Forschungsgruppe der Universität des Saarlandes, die mit 471.000 Euro in ihrem Vorhaben unterstützt wird.

Pyrazine aus Holzresten: Basis für nachhaltige Kunststoffe

Christoph Wittmann, Professor für Biotechnologie an der Universität des Saarlandes, und sein Team möchten herausfinden, wie sie das Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum dazu bringen können, aus Holzresten die passenden „Ausscheidungsprodukte“ zu produzieren. Diese beinhalten bestimmte aromatische Verbindungen – die Pyrazine.

Sie sollen als monomere Grundstoffe für die Herstellung von Hochleistungspolymeren wie Polyamiden (PA) und Polybenzimidazolen (PBI) dienen, die sich durch geringes Gewicht, mechanische und chemische Beständigkeit sowie Vielseitigkeit auszeichnen. Diese Kunststoffe könnten in Leichtbauteilen von Elektroautos oder in speziellen Elektrolysemembranen für die grüne Wasserstoffproduktion verwendet werden. „Unser Beitrag besteht darin, den Bakterien das Holz schmackhaft zu machen, damit sie aus dessen Bestandteilen die gewünschten Biobausteine für die Polymere produzieren können“, erklärt Wittmann.

Bakterien als Motor für die skalierbare Produktion

Das Holz erhalten die Saarbrücker Biotechnologen von ihren Partnern in Estland. In der Hauptstadt Tallinn betreibt eine große Bioraffinerie die Aufspaltung von Birkenholz in Zucker- und Ligninfraktionen. Mit ihrer Expertise auf diesem Gebiet untersucht das Team nun, wie die festen Bestandteile des Holzes und der Holz-Zucker von den Bakterien verwertet werden können.

Dafür wollen die Forschenden die Mikroben so manipulieren, dass ihr Stoffwechsel Biobausteine produziert, die im industriellen Maßstab nutzbar sind. Ihr Ziel ist es, die gesamte Produktionskette – vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt – CO₂-neutral und wiederverwertbar zu gestalten, um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu fördern. „Wenn uns das gelingt, werden weitere Partner dieses Verfahren auf größere Maßstäbe skalieren“, erklärt Wittmann. An der Universität Maastricht, bei der die Projektleitung liegt, sollen die Bausteine dann zu belastbaren und leichten Pyrazin-Polymeren verarbeitet werden.

Dass die Produktion bis Ende der Förderperiode im Oktober 2028 bereits im großen Maßstab anlaufen wird, hält Wittmann jedoch für unwahrscheinlich: „Aber ich bin guter Dinge, dass wir bis dahin entscheidende Grundlagen dafür gelegt haben, dass diese Vision mittelfristig tatsächlich Realität wird.“ Im Vordergrund steht zunächst die Demonstration der technischen Machbarkeit und Skalierbarkeit.

chk

Die Fruchtbarkeit von Ackerböden einschließlich ihrer Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern, wird maßgeblich vom Humusgehalt bestimmt. Wie hoch der Anteil der abgestorbenen organischen Stoffe aus pflanzlichem, tierischem und mikrobiellem Material ist, hängt Fachleuten zufolge wiederum von der Art der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung ab. Monokultur und Düngepraxis haben jedoch dazugeführt, dass der Humusvorrat in Deutschland auf Äckern und Grünland abnimmt. Das soll sich ändern. Mit dem „Verordnungsentwurf über einen freiwilligen Zertifizierungsrahmen zur CO₂-Entnahme und Carbon Farming“ hat die EU im vergangenen Jahr den Rahmen geschaffen, um Maßnahmen zum Aufbau von Humus und zur Reduzierung der Treibhausgasemission aus Böden zu honorieren.

Humusveränderungen aus dem All nachweisen

Wie hoch der Humusgehalt ist, wird derzeit anhand von regelmäßigen Bodenproben ermittelt – eine Maßnahme, die nicht nur sehr langwierig und teuer ist. Auch Veränderungen des Humusgehaltes lassen sich damit schwer abbilden. Forschende am Thünen-Institut für Betriebswirtschaft haben nun eine Methode entwickelt, mit deren Hilfe der Humusauf- und -abbau in Böden gemessen werden kann. Um Humusveränderungen im Boden nachzuweisen, wurden demnach Satellitenbilder und Daten der Bodendauerbeobachtung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL) an hundert Ackerstandorten in Bayern verwendet.

Bodenfarbe macht Humusveränderung sichtbar

Wie das Team im Fachjournal Global Change Biology berichtet, sind aufgrund der hohen Qualität und Aufnahmedichte der Satellitenbilder nun erstmals Humusveränderungen in Ackerböden anhand „kleinster Veränderungen der Bodenfarbe“ aus dem All nachweisbar. „Ackerschläge, in denen am Boden eine Zu- oder Abnahme des Humusgehalts gemessen wurde, konnten aus den Satellitendaten mit hoher Genauigkeit voneinander unterschieden werden“, berichten die Forschenden.

Humusaufbau unabhängig überprüfbar

Mit der neuen Methode liefert das Team um Tom Brög auch einen Schlüssel, um künftig unabhängig überprüfen zu können, wo Maßnahmen zum Humusaufbau tatsächlich erfolgreich sind.

Corynebacterium glutamicum ist der sogenannte hidden champion unter den Bakterien. Im Vergleich zu den Laktobazillen, die als Milchsäurebakterium bekannt sind, erfährt das „Keulenbakterium“ weniger Aufmerksamkeit. Mit der Wahl zur Mikrobe des Jahres 2025 stellt die Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) nun dieses eher unbekannte Bakterium ins Rampenlicht und unterstreicht damit sein großes Potenzial für die industrielle Produktion.

Weltmarktführer für Natriumglutamat-Herstellung

Vor allem für die Lebensmittel- und Futtermittelproduktion ist Corynebacterium glutamicum zu einem unverzichtbaren Produktionsorganismus geworden. Die Mikrobe erzeugt nicht nur große Mengen Aminosäuren und Proteine. Mit einer weltweiten Jahresproduktion von 3,5 Millionen Tonnen des Geschmacksstoffs Natriumglutamat ist sie nach Angaben der VAAM auch der „unbekannte Weltmarktführer“ unter den Produktionsorganismen.

Mit Natriumglutamat wird die neben süß, sauer, salzig und bitter als herzhaft geltende fünfte Geschmacksrichtung umami von speziellen Sinneszellen auf der Zunge ausgelöst. Reife Tomaten, Parmesan und Schinken enthalten den Geschmacksstoff von Natur aus. Natriumglutamat wird aber auch als Würzmittel eingesetzt, vor allem in der asiatischen Küche und in Fertigprodukten.

Potenzial für eine kreislauffähige Bioökonomie

Darüber hinaus spielt Corynebacterium glutamicum auch in der Forschung seit vier Jahrzehnten eine große Rolle. So haben Forschende den Produktionsorganismus so verändert, dass er in der Lage war, Aminosäuren auch aus Resten der Biodieselproduktion oder aus Pflanzenabfällen wie Orangenschalen zu erzeugen. „Dies mindert unsere fossile Abhängigkeit und erlaubt einen bioökonomischen Kreislauf aus nachwachsenden Rohstoffen“, begründet das VAAM-Gremium seine Wahl. Die intensive Forschung an den Corynebakterien liefere damit die Grundlage für weitere spannende Anwendungen.

Mikrobielle Produktion von Naturstoffen, Antioxidantien und Peptiden

So werden durch gentechnische Methoden und neue Ansätze der synthetischen Biologie mithilfe der Mikrobe nicht nur Aminosäuren, sondern auch andere Produkte wie gesundheitsfördernde Naturstoffe, Antioxidantien und antimikrobielle Peptide hergestellt.

Aufgrund der länglichen Keulenform der Corynebakterien zählt die Mikrobe zu den sogenannten Keulenbakterien. Die im Boden lebende Mikrobe sei robust und produktiv und für den Menschen völlig harmlos, heißt es. Zwar gibt es auch einige toxische Verwandte unter den Corynebakterien-Arten, die gefährliche Krankheiten wie Diphtherie oder Tuberkulose verursachen. Die Ähnlichkeit im Zellenaufbau mit dem verwandten Mycobacterium tuberculosis, dem Erreger der Lungentuberkulose, bietet jedoch auch einen Ansatz, um mithilfe der „Mikrobe des Jahres“ neue Medikamente zu identifizieren. „So deckt Corynebacterium glutamicum die gesamte Bandbreite vom winzigen Forschungsobjekt bis zum Industrieproduzenten im Tonnenmaßstab ab“, resümiert die VAAM.

Blumenerden enthalten gewöhnlich Torf, der durch abgestorbene Pflanzenreste in Mooren entsteht. Mit dem Torfabbau werden jedoch Lebensräume vieler Pflanzen und Tiere und auch ein wertvoller Kohlenstoffspeicher zerstört. Zwar gibt es mittlerweile alternative Pflanzsubstrate wie Kokosmark und -fasern. Doch die Rohstoffe müssen aus Indien oder Sri Lanka importiert werden. Im Projekt TOPKO wollen Forschende der Hochschule Oldenburg mit Industriepartnern nun beweisen, dass auch regionale Rohstoffe als Torfersatz für Pflanzsubstrate geeignet sind.

Regionale Biokohle-Kompost-Mischungen als torffreies Pflanzsubstrat

Im Fokus des Projektes steht die Herstellung verschiedener Pflanzen- und Hydrokohlen aus landwirtschaftlichen Rest- und Abfallstoffen. Den Forschenden zufolge wird hierfür Grünschnitt aus der Landschaftspflege und insbesondere aus der extensiven Moorbewirtschaftung wie der Paludikultur verwendet. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines marktreifen, torffreien und regionalen Gartensubstrates, das in der Landwirtschaft, in Baumschulen sowie im privaten Gartenbau eingesetzt werden kann.

Bei der Herstellung von Hydrokohle mittels Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) stehen flüssige landwirtschaftliche Reststoffe wie Gülle oder Gärreste aus Biogasanlagen im Fokus. Für die mittels Pyrolyse erzeugte Pflanzenkohle wird wiederum Grünschnitt eingesetzt. Hydro- und Pflanzenkohlen werden den Forschenden zufolge anschließend einzeln, aber auch zusammen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen mit Kompost vermengt, sodass neue Pflanzsubstrate entstehen.

Nachhaltigkeit und Marktchancen ermitteln

Ob sich die neuartigen Kohle-Kompost-Mischungen als torffreie Blumenerde eignen, wird im Rahmen des Projektes zunächst unter kontrollierten Bedingungen im Gewächshaus und später in sogenannten Containerversuchen mit typischen Gehölzen aus der Baumschule geprüft. Darüber hinaus wollen die Forschenden mithilfe von Umweltbilanzen auch die Nachhaltigkeit des Kohlenstoffkreislaufs bewerten sowie Akzeptanz und Marktchancen der neuen Pflanzsubstrate im Rahmen sozio-ökonomischer Untersuchungen ermitteln.

Das Vorhaben „Torffreie klimafreundliche Pflanzsubstrate aus Hydro- und Pyrolysekohlen“ (TOPKO) läuft bis 2027 und wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) mit rund 633.000 Euro gefördert.

Potting soils usually contain peat, which is formed from dead plant remains in bogs. However, peat extraction destroys the habitats of many plants and animals as well as a valuable carbon store. There are now alternative plant substrates such as coconut pulp and fibres. However, the raw materials have to be imported from India or Sri Lanka. In the TOPKO project, researchers at Oldenburg University of Applied Sciences and industrial partners now want to prove that regional raw materials are also suitable as a peat substitute for plant substrates.

Regional biochar-compost mixtures as a peat-free planting substrate

The project focuses on the production of various plant and hydro carbons from agricultural residues and waste materials. According to the researchers, green waste from landscape conservation and in particular from extensive peatland management such as paludiculture is used for this purpose. The aim of the project is to develop a market-ready, peat-free and regional garden substrate that can be used in agriculture, tree nurseries and private horticulture.

The production of hydrochar by means of hydrothermal carbonisation (HTC) focuses on liquid agricultural residues such as liquid manure or fermentation residues from biogas plants. Green cuttings are used for the biochar produced by pyrolysis. According to the researchers, hydrochar and biochar are then mixed with compost individually or together in different ratios to create new plant substrates.

Determining sustainability and market opportunities

Whether the novel coal-compost mixtures are suitable as peat-free potting soil will be tested as part of the project, initially under controlled conditions in the greenhouse and later in so-called container trials with typical trees and shrubs from the nursery. The researchers also want to use life cycle assessments to evaluate the sustainability of the carbon cycle and determine the acceptance and market opportunities of the new plant substrates as part of socio-economic analyses.

The ‘Peat-free, climate-friendly plant substrates from hydro and pyrolysis coal’ (TOPKO) project will run until 2027 and is being funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) with around 633,000 euros.

Fisch zählt zu den beliebtesten Nahrungsmitteln in Deutschland. Um die große Nachfrage zu bedienen und eine Überfischung zu vermeiden, werden Fische wie Lachs und Forelle häufig in Aquakulturen gezüchtet. Für die Aufzucht werden jedoch enorme Mengen an Wildbeständen zu Fischmehl und -öl verarbeitet und dem Futter beigemischt. Auf diese Weise werden die Zuchtfische mit den lebenswichtigen und mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren wie Docosahexaensäure (DHA) versorgt, die für eine gesunde Ernährung essenziell sind.

Nachhaltige Kost für Aquakulturfische

Bioverfahrenstechniker der Technischen Universität Berlin zeigen nun, dass die kostbaren Omega-3-Fettsäuren mithilfe von Bakterien und Algen auch aus pflanzlichen Reststoffen gewonnen werden können. Mit der nachhaltigen Kost für Aquakulturfische will das Berliner Forschungsteam verhindern, dass Zuchtfische auch weiterhin mit Wildfischen „gemästet“ werden.

Das Team um Stefan Junne setzt dabei auf sogenannte heterotrophe Mikroalgen, die in der Lage sind, DHA aus organischem Material zu synthetisieren. „Damit die Algen das DHA produzieren, müssen sie mit einem Substrat gefüttert werden. Das kann Zucker sein, der zum Beispiel aus Getreide wie Mais stammt“, erklärt Junne. „Da wir hier am Fachgebiet jedoch die Philosophie verfolgen, Nahrungsmittel möglichst nicht in biotechnologischen Prozessen zu verwenden, experimentieren wir unter anderem mit Stallstroh. Denkbar sind aber auch Essensreste und andere biologische Reststoffe wie Laub oder Grünschnitt“, betont der Forscher.

Mikroben verwandeln Stroh in Fettsäure und Dünger

Wie das Team um Junne berichtet, konnten mit Stroh bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Dafür wurden die pflanzlichen Reststoffe in einem 200-Liter-Bioreaktor aus Plexiglas mithilfe von Bakterien in kurzkettige Carboxylsäuren wie Essigsäure zersetzt und anschließend an die Mikroalgen verfüttert, damit diese es zu DHA verstoffwechseln und in ihren Zellen anreichern.

„Da wir mit Reststoffen arbeiten, müssen wir die mikrobielle Hydrolyse, also die Zersetzung des Strohs durch Bakterien, der eigentlichen Synthese der DHA in den Algen vorschalten. Wir koppeln also zwei Bioprozesse“, erklärt Stefan Junne. Bei der mikrobiellen Hydrolyse entstand den Forschenden zufolge neben flüssiger Essigsäure auch ein Feststoff, der als Dünger genutzt werden kann.

Fettsäureanteil in Fischfutterersatz mit kommerziellen Mischungen vergleichbar

Im Rahmen des Projektes „FENA – Fischmehl und -ölersatz für eine nachhaltige Aquakultur“ konnte das Team eigenen Angaben zufolge bereits knapp vier Tonnen Fischfutterersatz auf Basis von Algen herstellen. „Der Ersatz hatte eine Konzentration von circa 20 % DHA. Die Zusammensetzung der Omega-3-Fettsäuren ähnelte damit der von kommerziellen Fischöl- und Fischmehl-Mischungen“, berichtet Junne. Auch erste Fütterungsversuche waren erfolgreich und zeigen, dass Fettsäuren aus pflanzlichen Reststoffen und Algen herkömmliches Fischmehl und -öl ersetzen und Aquakulturen nachhaltig machen können.