Aktuelle Veranstaltungen

Klimawandel, Ressourcenknappheit und Ernährungssicherheit sind die großen Herausforderungen der Zukunft. Die Bioökonomie bietet dafür Lösungsansätze. Doch der Wandel hin zu einer nachhaltigen Bioökonomie kann nur gelingen, wenn die gesellschaftlichen, wirtschaftlichen, technischen sowie ökologischen Zusammenhänge und Potenziale dieses tiefgreifenden Wandels besser verstanden und wissenschaftlich untersucht werden. 2014 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der „Nationalen Bioökonomiestrategie (NBÖS)“ daher die Fördermaßnahme „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ (BagW) ins Leben gerufen.

Anlässlich des zehnjährigen Jubiläums dieser Fördermaßnahme hatte das BMBF für eine Bestandsaufnahme am 26. November 2024 zu einer wissenschaftlichen Konferenz nach Bonn geladen. Rund 80 Forscherinnen und Forscher sowie Akteure aus Politik, Wirtschaft und Gesellschaft kamen in die Design Offices am Neuen Kanzlerplatz, um vergangene und laufende Projekte vorzustellen und Ergebnisse zu diskutieren.

Knapp 50 Forschungsprojekte in zehn Jahren gefördert

„Der Weg zu einer nachhaltigen Bioökonomie ist anspruchsvoll, aber machbar. Und mit der Forschungsförderung haben wir 2014 den Rahmen dafür geschaffen“, sagte Stefan Müller, Leiter der Abteilung Zukunftsvorsorge – Forschung für Grundlagen und nachhaltige Entwicklung im BMBF in seinem Grußwort. Seit dem Start der Fördermaßnahme vor zehn Jahren hat das Bundesministerium knapp 50 Forschungsverbünde sowie Einzelprojekte aus Akademie, Industrie und Gesellschaft mit mehr als 60 Mio. Euro gefördert. Das Konzept „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ wurde dabei in vier Modulen aufgesetzt und in drei Förderrunden 2015, 2017 und 2023 umgesetzt. 

Weltweit besteht ein riesiger Bedarf an kostengünstiger und effizienter Energiespeicherung im großen Maßstab. Das schwankende Angebot von Wind- und Solarstrom erfordert Speicherlösungen, die überschüssige Energie aufnehmen und bei Bedarf wieder bereitstellen können. Nachhaltiges E-Methan ist ein vielversprechender Ansatz: Es kann fossiles Erdgas im bestehenden Gasnetz ersetzen und gleichzeitig als speicherbare Energiequelle dienen oder direkt vor Ort gelagert und später als Kraftstoff, Wärme oder Strom genutzt werden.

Entwicklung einer mikrobiellen Elektrolysezelle 

Im Rahmen des Projektes PtG-MEC arbeitet die in Planegg bei München ansässige Electrochaea GmbH an der Entwicklung einer mikrobiellen Elektrolysezelle (MEC) für das sogenannte Power-to-Gas-Verfahren (PtG). Dieses Vorhaben mit dem vollständigen Titel „PtG-MEC – Entwicklung einer hochdichten mikrobiellen Power-to-Gas-Elektrolysezelle“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 400.000 Euro gefördert und läuft von Juli 2022 bis März 2025. Ziel ist eine kosteneffiziente Lösung der Energiespeicherung.

Mit dem Power-to-Gas-Verfahren kann überschüssiger Strom – beispielsweise aus Wind- oder Solarenergie – in E-Methan umgewandelt werden. Dieser bio-elektrochemische Prozess läuft in zwei Schritten in einer Elektrolysezelle, die aus zwei, durch eine Membran getrennten Elektroden in einer wässrigen Lösung besteht.

Im ersten Schritt, der Elektrolyse, wird der Strom über diese Elektroden verwendet, um Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu spalten. Im zweiten Schritt wird der so erzeugte Wasserstoff dann mit Kohlendioxid (CO₂) versetzt und beide Gase werden von dem Biokatalysator zu Methan (CH₄) umgewandelt. „Dieses E-Methan ist somit klimaneutral“, erklärt Jose Rodrigo, Director Product Development & Innovation. „Das Kohlendioxid, welches beim Methanverbrauch freigesetzt wird, wurde zuvor aus der Atmosphäre entnommen. Diese Art des CO₂-Recyclings stellt sicher, dass das E-Methan keine zusätzlichen Emissionen zur Erderwärmung beiträgt.“
 

Around the world, there is a huge demand for cost-effective and efficient energy storage on a large scale. The fluctuating supply of wind and solar power requires storage solutions that can absorb surplus energy and release it when needed. Sustainable e-methane is a promising approach. It can replace fossil natural gas in the existing gas grid and at the same time serve as a storable energy source or be stored directly on site and used later as fuel, heat or electricity.

Development of a microbial electrolysis cell

As part of the PtG-MEC project, Electrochaea GmbH, based in Planegg near Munich, is working on the development of a microbial electrolysis cell (MEC) for the so-called power-to-gas (PtG) process. This project with the full title “PtG-MEC – Development of a high-density microbial power-to-gas electrolysis cell” is being funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with around 400,000 euros and will run from July 2022 to March 2025. The aim is to find a cost-efficient solution for energy storage.

The power-to-gas process can be used to convert surplus electricity - for example from wind or solar energy – into e-methane. This bio-electrochemical process takes place in two steps in an electrolysis cell, which consists of two electrodes separated by a membrane in an aqueous solution.

In the first step of electrolysis, the current flowing through these electrodes is used to split water (H₂O) into its components hydrogen (H₂) and oxygen (O₂). In the second step, the hydrogen produced in this way is then mixed with carbon dioxide (CO₂) and both gases are converted into methane (CH₄) by the biocatalyst. “This e-methane is therefore climate-neutral,” explains Jose Rodrigo, Director Product Development & Innovation. “The carbon dioxide that is released during methane consumption was previously extracted from the atmosphere. This type of CO₂ recycling ensures that the e-methane does not contribute any additional emissions to global warming.” 

Die Agrarwirtschaft steht vor einer komplexen Transformation. Innovative Lösungen müssen entwickelt werden, um den Folgen des Klimawandels zu begegnen und die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung unter immer schwierigeren Bedingungen zu sichern. An der Hochschule Geisenheim soll im Jahr 2026 nun ein Innovationszentrum für Agrarsystemtransformation (IAT) entstehen, das sich mit drängenden agrar- und ernährungswissenschaftlichen Fragen beschäftigt.

Praxisnahe Agrarforschung an fünf Standorten

Das neue Innovationszentrum, das vom Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) mit Sitz im brandenburgischen Müncheberg geplant wird, soll der praxisnahen Agrarforschung dienen. An insgesamt fünf Standorten in Brandenburg und Hessen entstehen in Zusammenarbeit mit der Hochschule Geisenheim, der Justus-Liebig-Universität Gießen und der Universität Kassel sogenannte Reallabore. Auf den speziell für die Forschung eingerichteten Agrarflächen sollen künftig innovative Ansätze zur nachhaltigen Transformation von Agrarsystemen entwickelt und erprobt werden. 

„Nur unter real-praktischen Bedingungen lassen sich alle Facetten eines Transformationsprozesses abbilden und möglichst schnell in die Anwendung bringen“, sagt Hans Reiner Schultz, Präsident der Hochschule Geisenheim. Ziel ist es, praxistaugliche Lösungen für die Herausforderungen des Klimawandels, der Biodiversitätskrise und der Ressourcenschonung zu entwickeln.

Nach dieser Vision „entstehen gemeinsam mit Landwirten und weiteren, nichtwissenschaftlichen Akteuren in den Reallaboren Lösungen, die nicht nur wissenschaftlich fundiert, sondern von Beginn an gemeinsam entwickelt werden und damit schneller anwendbar sind“, erklärt Frank Ewert, Wissenschaftlicher Direktor des ZALF. 

Meilenstein für die Transformationsforschung

Die Einrichtung des Innovationszentrums sieht die Erprobung mulifunktionaler Agrarflächen vor. „Diese Entscheidung ist auch ein Meilenstein in der Transformationsforschung für Sonderkulturstandorte, wie Landschaften für den Wein- und Obstbau“, so Schultz.

Die Hochschule Geisenheim hat im hessischen Rheingau, einem der fünf künftigen Standorte des Innovationszentrums, bereits ein Reallabor zur Erforschung und Anwendung moderner Züchtungsmethoden für den Weinbau errichtet. Gemeinsam mit der Justus-Liebig-Universität Gießen sollen hier technologische Innovationen für eine multifunktionale Nutzung erforscht werden, wie etwa der Weinanbau unter schattenspendenden Solaranlagen. 

Mit dem neuen Zentrum werden auch zwei Arbeitsgruppen für Mischkultursysteme im Weinbau eingerichtet, die den gleichzeitigen Anbau von Weinreben, Obst, Gemüse und auch Holz zur Gewinnung von Biomasse und Wertholz testen, um die Agrarproduktion klimaresilienter und wirtschaftlich tragfähiger zu gestalten.

Finanzierung durch Bund und Länder 

Der Antrag für das Innovationszentrum für Agrarsystemtransformation wurde Ende November 2024 von der Gemeinsamen Wissenschaftskonferenz bewilligt. Bund und Länder finanzieren das IAT, dessen Eröffnung für 2026 geplant ist, jährlich mit 9,5 Mio. Euro. Ab 2027 sollen zudem zwei Koordinationsbüros an den ZALF-Standorten in Müncheberg und Gießen eingerichtet werden. 

am/bb

Land, Moor und Meer sind die drei Kompetenzfelder, auf die Mecklenburg-Vorpommern (MV) beim biobasierten Strukturwandel setzen kann. Im Fokus steht die hochwertige Veredelung von pflanzlichen Rohstoffen wie Ackerfrüchten, Schilf oder Algen. Bis 2030 sollen aus diesen nachwachsenden Rohstoffen Produkte entstehen, die der Region zum wirtschaftlichen Aufschwung verhelfen und sie zur Musterregion der Bioökonomie machen. Eine wichtige Rolle beim Strukturwandel spielen Moore. Sie machen gegenwärtig etwa 13 % der gesamten Fläche des Bundeslandes aus. Mit der Renaturierung einst trockengelegter Moore können nicht nur verloren gegangene CO₂-Speicher und die Biodiversität wiederbelebt, sondern auch Anbauflächen für nachwachsende Rohstoffe erschlossen werden.

Analyse komplexer Prozesse bei Wiedervernässung von Niedermooren 

Im Projekt Wetscapes 2.0 „Neuartige Ökosysteme in wiedervernässten Niedermoorlandschaften“ wollen sich Forschende der Universitäten Greifswald und Rostock gemeinsam mit Partnern nun der umfassenden Analyse von Prozessen widmen, die bei der Wiedervernässung von Niedermoorlandschaften ablaufen. Mit einer Förderung von 10 Mio. Euro wird die Moorforschung im Rahmen des Sonderforschungsbereiches Transregio von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) nun über vier Jahre unterstützt.

Bei der Wiedervernässung der Moore werden den Forschenden zufolge nicht ursprüngliche Moore wiederhergestellt. Vielmehr entstehen völlig neuartige Ökosysteme, deren Funktionsweise bisher nur teilweise verstanden wird. Ziel des Projektes Wetscapes 2.0 ist es daher, die Funktionsweise und komplexen ökologischen, biogeochemischen und hydrologischen Prozesse in wiedervernässten Niedermooren besser zu verstehen. Langfristig sollen dabei auch konkrete Beiträge zum Management dieser Flächen sowie zur nachhaltigen Nutzung durch Paludikultur erarbeitet werden.

MV als weltweiter Vorreiter für Moorforschung

„Das Moorforschungsprojekt der beiden Universitäten Greifswald und Rostock kann in seiner Bedeutung nicht hoch genug eingeschätzt werden“, so Bettina Martin, Wissenschaftsministerin des Landes Mecklenburg-Vorpommern. „Mit dem erfolgreich eingeworbenen Sonderforschungsbereich wird sich Mecklenburg-Vorpommern als ein weltweiter Vorreiter in der Moorforschung etablieren.“

An dem Projekt beteiligt sich neben den Universitäten Greifswald und Rostock auch das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, das Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum, die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), das Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena sowie die Humboldt-Universität zu Berlin.

Die Arbeit des interdisziplinären Verbundprojekts Wetscapes zum Ökosystem Moor wurde im Vorfeld vom Land Mecklenburg-Vorpommern im Rahmen des Landesforschungsprogramms mit 5 Mio. Euro unterstützt. 

bb

Land, moor and sea are the three areas of expertise that Mecklenburg-Vorpommern (MV) can rely on for bio-based structural change. The focus is on the high-quality refinement of plant-based raw materials such as arable crops, reeds and algae. By 2030, these renewable raw materials are to be turned into products that will help the region to achieve an economic upturn and make it a model region for the bioeconomy. Peatlands play an important role in structural change. They currently make up around 13% of the total area of the federal state. The renaturation of once drained moors can not only revitalise lost CO₂ reservoirs and biodiversity, but also open up areas for the cultivation of renewable raw materials.

Analysing complex processes in the rewetting of fens

In the Wetscapes 2.0 project ‘Novel ecosystems in rewetted fenland landscapes’, researchers from the Universities of Greifswald and Rostock, together with partners, now want to dedicate themselves to the comprehensive analysis of processes that take place during the rewetting of fenland landscapes. The German Research Foundation (DFG) is now providing funding of 10 million euros over four years for peatland research as part of the Transregio Collaborative Research Centre.

According to the researchers, the rewetting of moors does not restore original moors. Rather, completely new ecosystems are created, the functioning of which is still only partially understood. The aim of the Wetscapes 2.0 project is therefore to better understand the functioning and complex ecological, biogeochemical and hydrological processes in rewetted fens. In the long term, concrete contributions to the management of these areas and sustainable utilisation through paludiculture are also to be developed.

MV as a global pioneer for peatland research

‘The importance of the peatland research project of the two universities of Greifswald and Rostock cannot be overestimated,’ says Bettina Martin, Minister of Science of the state of Mecklenburg-Vorpommern. ‘With the successfully acquired Collaborative Research Centre, Mecklenburg-Vorpommern will establish itself as a global pioneer in peatland research.’

In addition to the Universities of Greifswald and Rostock, the Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries, the Helmholtz Centre Potsdam German Research Centre for Geosciences, the Ludwig Maximilian University of Munich (LMU), the Max Planck Institute for Biogeochemistry in Jena and the Humboldt University of Berlin are also involved in the project.

The work of the interdisciplinary joint project Wetscapes on the peatland ecosystem was supported in advance by the state of Mecklenburg-Vorpommern with 5 million euros as part of the state research programme.

bb

Böden sind unerlässlich für Pflanzenwachstum, Nahrungsmittelproduktion und den Erhalt der biologischen Vielfalt. Zudem können sie CO₂ speichern und so zur Reduktion der Treibhausgase in der Atmosphäre beitragen. Als Leiter des Fachbereichs Bodenkunde an der Technischen Universität Berlin forschen Carsten Müller und sein Team daran, wie Böden in Natur und Landwirtschaft qualitativ verbessert und gleichzeitig als CO₂-Speicher genutzt werden können. Ihr Arbeitsfeld erstreckt sich dabei von der arktischen Tundra bis zu Äckern und Weiden in hiesigen Regionen. Dabei nimmt der promovierte Bodenkundler grundlegende Mechanismen wie den Auf- und Abbau von Humus ins Visier, um den Prozess der Kohlenstoffspeicherung im Boden besser zu verstehen.

Es mag nur eine dünne Schutzschicht sein, aber die Beschichtung im Inneren von Metalldosen hat es in sich. Sie leistet einen entscheidenden Beitrag zur Konservierung von Lebensmitteln, hält Aromen frisch und verhindert schädliche chemische Reaktionen zwischen Lebensmitteln und Metall. Allerdings enthalten diese Beschichtungen häufig Bisphenol A (BPA), eine höchst umstrittene Substanz, die in einigen Ländern bereits verboten ist. 

Verwertung von Abfällen aus der Tomatenverarbeitung

Ein italienisches Start-up-Unternehmen hat ein Bioresin entwickelt, das aus Tomatenschalen hergestellt wird, einem Nebenprodukt, das in Italien reichlich anfällt. Bei der Verarbeitung von Tomaten zu Püree, Soßen und anderen Produkten werden die Schalen entfernt. Diese Schalen enthalten Cutin, ein natürliches Wachspolymer, das zur Herstellung eines ungiftigen, biologisch abbaubaren, hydrophoben Biolacks verwendet werden kann. Dieses Bioresin ist ideal für die Beschichtung von Lebensmittelverpackungen, wie Metalldosen oder Pappbechern.

Beitrag zu einer Kreislaufwirtschaft

Dieses Bioresin bietet eine BPA-freie Beschichtungslösung für Lebensmittelverpackungen, die ähnlich haltbar und korrosionsbeständig ist wie herkömmliche Lösungen. Zur Unterstützung der Kreislaufwirtschaft können die nach der Cutinextraktion verbleibenden Schalenreste für die Produktion von Biogas weiterverwendet werden.

Marktreife

Der Biolack wird derzeit direkt an Hersteller von Beschichtungen und Lebensmittelverpackungen verkauft.

It may be just a thin protective layer, but the coating inside metal cans plays a crucial role in preserving food, keeping flavors fresh and preventing harmful chemical reactions between food and metal. However, these linings often contain bisphenol A (BPA), a substance banned by some governments due to concerns over health and environmental impacts.

Utilising Tomato Processing Waste

An Italian start-up has developed a bio-resin made from tomato peels, an abundant byproduct in Italy. The European Union produces about 15.4 million tonnes of tomatoes annually, with Italy contributing nearly 40% of this total. In the processing of tomatoes into purees, sauces, and other products, peels are removed. These peels contain cutin, a natural wax polymer extracted from tomato skins, which can be used to produce a non-toxic, biodegradable, hydrophobic bio-lacquer. This bio-resin is ideal for coating food packaging, like metal cans or paper cups.

Contribution to a Circular Economy

This bio-resin offers a BPA-free coating option for food packaging with durability and corrosion resistance similar to conventional options. Supporting the circular economy, residual peels left after cutin extraction can be exploited further in the production of biogas.

Market readiness

The bio-lacquer is currently sold directly to lacquer manufacturers and food packaging producers.
 

Klimawandel und schwindende Ressourcen stellen die Industrie schon heute vor große Herausforderungen. Die industrielle Bioökonomie bietet Lösungsansätze, um fossile durch erneuerbare Rohstoffe zu ersetzen, Kreisläufe zu schließen und damit zu einer ressourceneffizienten und klimaneutralen Industrie beizutragen. Mit der neuen Förderrichtlinie „Zukunftstechnologien für die industrielle Bioökonomie“ will das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) daher die Entwicklung innovativer Bioprozesse und biotechnologischer Produkte fördern und die Transformation der Industrie zu mehr Nachhaltigkeit vorantreiben sowie die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft stärken.

Förderung industriell relevanter Bioprodukte 

Im Rahmen dieser Richtlinie hat das BMBF zeitgleich eine erste Förderrunde zum Thema „Innovative Bioproduktion für eine klimaneutrale Industrie“ gestartet. Die Förderung adressiert dabei gezielt die Bereiche „Nachhaltige Bioprozesse für die Industrie“ und „Neuartige bioökonomische Produkte“.

Gefördert werden vorwettbewerbliche Forschungs- und Entwicklungsvorhaben (F&E), die innovative biotechnologische Verfahren auf ihrem Weg in die industrielle Anwendung entscheidend voranbringen. Die Projekte sollten sich daher auf „industriell relevante Produkte mit hohem Impact für eine ressourceneffiziente und klimaneutrale Industrie“ konzentrieren. Mit der Förderung will das BMBF die Innovationskraft Deutschlands und die Rolle als Technologieentwickler in der Bioökonomie stärken.

Innovationen für die chemische Industrie im Fokus

Entscheidend für eine Förderung ist jedoch, dass die biotechnologischen Prozesse sowohl nachhaltig als auch skalierbar sind. Sie müssen sich am Bedarf der Industrie ausrichten und eine „realistische Perspektive für die Anwendung im großen Maßstab aufweisen“. Die Wahl der dabei genutzten (BIO)-Katalysatoren und Produktionsorganismen ist beliebig. Hier werden sowohl zellfreie oder enzymbasierte Ansätze als auch Konzepte, die Bakterien, Pilze, Algen oder Pflanzen nutzen, unterstützt. Die Nutzung von Abfallströmen sowie CO₂ als Rohstoffquelle ist von besonderem Interesse. Der Förderaufruf ist für alle Branchen offen, wobei die chemische Industrie eine Schlüsselrolle spielt.

Mögliche Themen für F&E-Vorhaben können beispielsweise sein: 
•    die Nutzung erneuerbarer Kohlenstoffquellen (zum Beispiel biogene Rest- und Abfallstoffe, Sekundärrohstoffe, CO₂ zur Herstellung von Plattformchemikalien der chemischen Industrie wie Alkohole, Ketone, Säuren
•    die ressourceneffiziente Herstellung von Feinchemikalien (beispielsweise Building Blocks für Pharmazeutika, Agrochemikalien oder Zusatzstoffe für die Kunststoffindustrie)
•    die Entwicklung nachhaltiger Schmierstoffe, Kleber oder Beschichtungen
•    die Entwicklung biobasierter Inhaltsstoffe (zum Beispiel für die Anwendung als Nahrungsmittelzusatzstoff oder als Wirkstoff in Wasch- und Reinigungsmitteln)
•    die nachhaltige, industrielle Produktion von Fasern für kreislauffähige Textilien

Climate change and dwindling resources are already posing major challenges for industry today. The industrial bioeconomy offers solutions for replacing fossil fuels with renewable raw materials, closing cycles and thus contributing to a resource-efficient and climate-neutral industry. With the new funding guideline ‘Future Technologies for the Industrial Bioeconomy’, the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) therefore aims to promote the development of innovative bioprocesses and biotechnological products, drive forward the transformation of industry towards greater sustainability and strengthen the competitiveness of the German economy.

Funding for industrially relevant bioproducts

As part of this guideline, the BMBF has simultaneously launched a first round of funding on the subject of ‘Innovative bioproduction for a climate-neutral industry’. The funding specifically addresses the areas of ‘Sustainable bioprocesses for industry’ and ‘Novel bioeconomic products’.

Funding is provided for pre-competitive research and development (R&D) projects that decisively advance innovative biotechnological processes on their way to industrial application. The projects should therefore focus on ‘industrially relevant products with a high impact for a resource-efficient and climate-neutral industry’. With this funding, the BMBF aims to boost Germany's innovative strength and its role as a technology developer in the bioeconomy.

Focus on innovations for the chemical industry

However, it is crucial for funding that the biotechnological processes are both sustainable and scalable. They must be geared towards the needs of industry and have ‘realistic prospects for large-scale application’. The choice of (organic) catalysts and production organisms used is arbitrary. Both cell-free or enzyme-based approaches and concepts that utilise bacteria, fungi, algae or plants are supported. The utilisation of waste streams and CO₂ as a source of raw materials is of particular interest. The call for funding is open to all sectors, with the chemical industry playing a key role.

• Possible topics for R&D projects could be, for example 
• the utilisation of renewable carbon sources (e.g. biogenic residual and waste materials, secondary raw materials, CO₂ for the production of platform chemicals in the chemical industry such as alcohols, ketones, acids)
• the resource-efficient production of fine chemicals (e.g. building blocks for pharmaceuticals, agrochemicals or additives for the plastics industry)
• the development of sustainable lubricants, adhesives or coatings
• the development of bio-based ingredients (for example for use as a food additive or as an active ingredient in detergents and cleaning agents)
• the sustainable, industrial production of fibres for recyclable textiles

Die Bioökonomie bietet vielfältige Lösungsansätze für den Übergang von einer fossilbasierten hin zu einer biobasierten und nachhaltigen Wirtschaftsweise. Sie leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung der globalen Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen. Doch wie nachhaltig ist die Bioökonomie in Deutschland? Wo sind ihre Potenziale und Grenzen? Welche Auswirkungen ergeben sich in anderen Ländern? Das sind Fragen, die Forschende in zwei Monitoring-Projekten zur Bioökonomie in den vergangenen Jahren analysiert haben. Im Rahmen einer Statuskonferenz am 3. und 4. Dezember in Berlin wurden Ergebnisse aus den beiden Projekten präsentiert und mit Forschenden und Stakeholdern diskutiert.

Grundlage der Veranstaltung war der gleichzeitig veröffentlichte Report „Monitoring der deutschen Bioökonomie“. Dieser fasst die wichtigsten Ergebnisse des BMBF-geförderten Forschungsprojekts SYMOBIO 2.0 (Konsolidierung des Systemischen Monitorings und Modellierung der Bioökonomie) zusammen. Das Vorhaben wird vom Center for Environmental Systems Research (CESR) koordiniert. Der Bericht enthält zudem die Ergebnisse des vom BMEL geförderten Forschungsprojekts MoBi II (Aufbau eines systemischen Monitorings der Bioökonomie – Konsolidierungsphase), das vom Thünen-Institut durchgeführt wurde. An dem Bericht waren insgesamt mehr als 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus mehr als zehn Forschungseinrichtungen beteiligt.

Die Ergebnisse bauen auf dem im Jahr 2016 durch die Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gestarteten Monitorings der Bioökonomie auf. Das BMBF förderte im Rahmen des Konzeptes „Bioökonomie als gesellschaftlicher Wandel“ dazu den Forschungsverbund „Systemisches Monitoring und Modellierung der Bioökonomie“, kurz SYMOBIO. Mit dessen Nachfolgeprojekt SYMOBIO 2.0 unterstützt das BMBF seit 2022 eine Konsolidierungsphase. Ziel ist es, den Transformationsprozess hin zu einer nachhaltigen, biobasierten und an natürlichen Kreisläufen orientierten Wirtschaftsweise zu analysieren und ihn so messbar und bewertbar zu machen.

Aktuelle Daten, Trends und Szenarien zur Bioökonomie

Der vorgelegte Bericht gibt einen umfassenden Überblick über aktualisierte und neue Daten, Trends und Szenarien zu ökologischen, sozialen und ökonomischen Dimensionen einer nachhaltigen Bioökonomieentwicklung und zeichnet damit ein aktuelles Bild der Leistungsfähigkeit der Bioökonomie in Deutschland.

Er zeigt, wie viel Biomasse aus Land- und Forstwirtschaft sowie Fischerei im Jahr 2020 für verschiedene Zwecke produziert, gehandelt und verbraucht wurde und welche Trends und Potenziale sich abzeichnen. Gleichzeitig werden Zielkonflikte benannt, die mit dem Verbrauch biogener Ressourcen verbunden sind. Der Bericht formuliert zudem Handlungsempfehlungen für die Politik. Um die Bioökonomie in Deutschland umfassend abbilden zu können, haben die Forschenden dafür unterschiedliche Methoden und Analysen kombiniert. 

Moore sind bedeutende Ökosysteme, die nicht nur seltene Pflanzen und Tiere beherbergen, sondern als Kohlenstoffspeicher auch eine wichtige Rolle im Klimaschutz spielen. Doch nur intakte Moore können das Klimagas fixieren. Durch die Trockenlegung der Flächen für Land- und Forstwirtschaft haben Moore jedoch nicht nur ihre Funktion als CO₂-Speicher verloren, sondern auch an Biodiversität eingebüßt. Im Rahmen des Projekts VALPEATS (Valuation Of Peatland Ecosystem Services) wollen Forschende vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) nun gemeinsam mit der Universität Greifswald und dem Greifswald Moor Centrum (GMC) eine digitale Monitoring-Plattform entwickeln, um den Zustand von Mooren einschätzen und bewerten zu können.

Moorschutz mit digitaler Echtzeit-Analyse

Für das Monitoring wird die Plattform mit Daten von Sensoren und Drohnen gespeist und mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) ausgewertet. „Bisher werden diese Daten überwiegend manuell erfasst und ausgewertet. Durch einen Multisensorik-Ansatz erfassen wir die Eigenschaften des Moors viel effizienter und können quasi in Echtzeit Analysen durchführen“, erklärt der wissenschaftliche Leiter Daniel Pönisch. 

Neben Botanik-Experten, die vor Ort die Vegetation via App bestimmen, messen Sensoren verschiedene Parameter wie Wasserstand, Wetter und Geografie, während Drohnen die Vegetation mit RGB- und Multispektralkameras dokumentieren. Diese Daten werden dann durch KI integriert und analysiert, um ein vollständiges Bild des Moorzustands zu erstellen.

Nutzen für Planung und Landwirtschaft 

Das Hauptziel von VALPEATS ist es, fundierte Daten bereitzustellen, die den Schutz und die Wiedervernässung von Mooren erleichtern. Die gewonnenen Daten sollen sowohl Planungsbüros bei ihren Entscheidungen zur Wiedervernässung als auch Landwirte beim Betreiben von Paludikultur unterstützen. Die Plattform biete eine standardisierte, skalierbare Lösung, die Entscheidungsträgern Echtzeit-Analysen zur Verfügung stellt und somit Entscheidungsprozesse optimiere, schreiben die Forschenden.

„Die gemeinsame Betrachtung aller verfügbaren Informationen ermöglicht die Inwertsetzung der Ökosystemleistung. Diese ist in der Plattform gebündelt, analysiert und dargestellt“, erklärt Pönisch. Die Plattform kann zudem Paludikulturbetrieben helfen, intakte Moore zu nutzen, um beispielsweise Biomasse aus Nasswiesen, Schilf oder Torfmoosen zu gewinnen. Den Forschenden zufolge können Datenaufnahme und -analyse auch angepasst werden, etwa um Informationen zur Vegetation zu nutzen.

Paludikultur nach Ökostandards zertifizieren

Ein weiteres Potenzial der Monitoring-Plattform sehen die Forschenden in der Möglichkeit, Moorflächen und landwirtschaftliche Unternehmen im Bereich Paludikultur nach Ökostandards zu zertifizieren. 

Im Rahmen des Moorprojektes „Rosenhäger Wiese“ in Mecklenburg-Vorpommern wollen die Forschenden die Anwendung ihrer neuen Plattform erproben: Auf einer 5,4 Hektar großen Fläche soll hier in den kommenden Jahren ein Moorbiotop entstehen, das CO₂ speichert und einen neuen Lebensraum für Tiere und Pflanzen schafft. „Wir müssen das gesellschaftliche Bewusstsein weiter stärken, dass wertvolle Moore geschützt und renaturiert werden müssen. Unsere Monitoring-Plattform und unsere KI-Werkzeuge bieten hier eine technologische Basis“, so Pönisch.

am/bb

Als Zwischenprodukt vieler Stoffwechselwege ist Acetyl-CoA ein zentraler Baustein bei der Herstellung lebenswichtiger Biomoleküle. Dabei bindet das Molekül Kohlendioxid (CO₂) und ist somit entscheidend dafür, wie effizient das Treibhausgas in Stoffwechselprozesse eingebunden wird, um letztlich Biomasse zu produzieren. 

Ein wichtiger Schritt bei der Umwandlung in andere Stoffwechselprodukte ist die Herstellung von sogenannten C3-Körper – Zwischenprodukten wie Pyruvat mit drei Kohlenstoffatomen. Von Natur aus laufen diese Stoffwechselwege in zahlreichen Schritten und unter Einsatz von viel Energie ab. Mithilfe der synthetischen Biologie versucht das Team um Tobias Erb am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, diesen Prozess der CO₂-Fixierung möglichst effizient zu gestalten.

Synthetische Biologie verbessert CO₂-Nutzung

Das gelang den Forschenden kürzlich bereits mit dem Aufbau eines synthetischen Zyklus zur CO₂-Fixierung in Bakterien. Im Fachjournal Nature Communications berichten sie nun von einem weiteren bedeutenden Fortschritt – der Entwicklung eines neuen Enzyms, das eine direktere Verbindung zwischen Acetyl-CoA und Pyruvat herstellt.

Diese Studie sei den Autoren zufolge ein gelungenes Beispiel dafür, wie man die Mechanismen des Stoffwechsels und der Evolution in lebenden Zellen nutzen könne, um eine gewünschte Eigenschaft für Anwendungen der synthetischen Biologie und Biochemie zu optimieren. Erst durch die Kombination von beidem könne man verbesserte Enzymvarianten finden.

Vom Entwurf zum funktionierenden Enzym

In der synthetischen Biologie werden Stoffwechselwege entwickelt, um sie anschließend im Labor zu erproben. Genau so verfuhren die Marburger: Sie entwarfen einen Stoffwechselweg, um zusätzliches CO₂ möglichst direkt und ohne Umwege zu binden. Dafür designten sie eine sogenannte Lactyl-CoA-Mutase, die in der Natur noch nicht beschrieben worden ist. Auf der Suche nach geeigneten Kandidaten wurden sie in einer Enzym-Datenbank fündig: Das Enzym konnte tatsächlich die gewünschten Stoffwechselschritte umsetzen – wenn auch sehr langsam. So musste das Enzym gewissermaßen zunächst ins Trainingscamp, wie die Forschenden treffend beschreiben. In einer Art Evolution im Labor konnten sie das Enzym schrittweise optimieren und in einen Bakterienstamm einbringen. 

„Damit die neu gewonnene Fähigkeit durch weitere Mutationen nicht gleich wieder verloren ging, haben wir zuerst das Wachstum eines modifizierten Escherichia coli-Bakteriums an die gewünschte Enzymaktivität gekoppelt“, beschreibt Erstautorin Helena Schulz-Mirbach die Herausforderung. „Dass wir einen Stamm entwickeln konnten, der dieses langsame Enzym für sein Wachstum nutzt, war nicht selbstverständlich.“

Gezielte Evolution zur Enzymoptimierung

Um das Enzym noch weiter zu verbessern, wurden gezielt Mutationen in den Bakterien erzeugt und dann die gewünschten Eigenschaften des Stammes selektiert. Durch diese sogenannte adaptive Labor-Evolution entstanden schließlich Varianten der Lactyl-CoA-Mutase, die schneller arbeiteten und zugleich zu einem besseren Wachstum des Stammes führten. Damit war es möglich, das Enzym in vitro, also in einem vereinfachten chemischen Prozess außerhalb des Bakteriums, arbeiten zu lassen. Das verbesserte Enzym erbrachte so eine fünf- bis zehnmal bessere Leistung als der natürliche Vorläufer.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Als Nächstes wollen die Marburger Forschenden die entworfene und optimierte Lactyl-CoA-Mutase weiterentwickeln, um das Enzym noch schneller zu machen und damit vielseitig einsetzen zu können. Für den neu geschaffenen Stoffwechselweg zwischen Acetyl-CoA und Pyruvat ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. So kann etwa die Herstellung von 3-Hydroxypropionat erleichtert werden, das wiederum als Vorstufe für den nachhaltigen Bio-Kunststoff Polyhydroxybutyrat (PHB) dient. Aber nicht nur das:  „Wir möchten außerdem noch mehr über das Enzym selbst erfahren“, so Schulz-Mirbach. „Wir wissen zwar, welche Mutationen die Aktivität verbessert haben, aber es ist uns noch nicht klar, auf welche Weise sie das tun. Wenn wir die Struktur des Enzyms aufklären, können wir mehr über den Reaktionsmechanismus herausfinden und verstehen, wie die Mutationen das Enzym verbessern.“

chk
 

As an intermediate product of many metabolic pathways, acetyl-CoA is a central component in the production of vital biomolecules. The molecule binds carbon dioxide (CO₂) and is therefore crucial for how efficiently the greenhouse gas is incorporated into metabolic processes in order to ultimately produce biomass.

An important step in the conversion into other metabolic products is the production of so-called C3 bodies - intermediate products such as pyruvate with three carbon atoms. Naturally, these metabolic pathways take place in numerous steps and require a lot of energy. With the help of synthetic biology, Tobias Erb's team at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology is trying to make this process of CO₂ fixation as efficient as possible.

Synthetic biology improves CO₂ utilisation

The researchers recently achieved this with the development of a synthetic cycle for CO₂ fixation in bacteria. In the scientific journal Nature Communications, they now report another significant advance - the development of a new enzyme that creates a more direct link between acetyl-CoA and pyruvate.

According to the authors, this study is a successful example of how the mechanisms of metabolism and evolution in living cells can be used to optimise a desired property for applications in synthetic biology and biochemistry. Improved enzyme variants can only be found by combining the two.

From blueprint to functioning enzyme

In synthetic biology, metabolic pathways are developed and then tested in the laboratory. This is exactly what the Marburg team did: they designed a metabolic pathway to bind additional CO₂ as directly as possible and without detours. To do this, they designed a so-called lactyl-CoA mutase, which has not yet been described in nature. In their search for suitable candidates, they found what they were looking for in an enzyme database: The enzyme was indeed able to convert the desired metabolic steps – albeit very slowly. So the enzyme first had to go to a training camp, as the researchers aptly describe. In a kind of evolution in the laboratory, they were able to gradually optimise the enzyme and introduce it into a bacterial strain.

‘To ensure that the newly acquired ability was not immediately lost again due to further mutations, we first coupled the growth of a modified Escherichia coli bacterium to the desired enzyme activity,’ says first author Helena Schulz-Mirbach, describing the challenge. ‘The fact that we were able to develop a strain that utilises this slow enzyme for its growth was not a given.’

Targeted evolution for enzyme optimisation

In order to further improve the enzyme, mutations were specifically created in the bacteria and then the desired properties of the strain were selected. This so-called adaptive laboratory evolution ultimately resulted in variants of the lactyl-CoA mutase that worked faster and at the same time led to better growth of the strain. This made it possible to allow the enzyme to work in vitro, i.e. in a simplified chemical process outside the bacterium. The improved enzyme thus performed five to ten times better than the natural precursor.

Wide range of possible applications

Next, the Marburg researchers want to further develop the designed and optimised lactyl-CoA mutase in order to make the enzyme even faster and therefore more versatile. The newly created metabolic pathway between acetyl-CoA and pyruvate has a wide range of potential applications. For example, the production of 3-hydroxypropionate can be facilitated, which in turn serves as a precursor for the sustainable bioplastic polyhydroxybutyrate (PHB). But that's not all: ‘We also want to learn more about the enzyme itself,’ says Schulz-Mirbach. ‘We know which mutations have improved its activity, but we don't yet know how they do this. If we can elucidate the structure of the enzyme, we can find out more about the reaction mechanism and understand how the mutations improve the enzyme.’

chk
 

Vegane Käsealternativen haben eines gemein: Sie enthalten weder Casein noch Molkeprotein – dabei sind diese Eiweiße für den charakteristischen Geschmack und die Textur von Käse aus tierischer Milch wesentlich. Diesen Mangel will das auf nachhaltige Lebensmittel aus Pilzmyzel spezialisierte Biotech-Start-up Infinite Roots nun beheben. Gemeinsam mit der Technischen Universität Hamburg entwickelt das Unternehmen eine Technologie, um Molke als Nährstoff für die Myzelium-Fermentation nutzen zu können. Das Vorhaben wird vom Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) mit insgesamt 1,8 Mio. Euro gefördert.

Molke als Nebenprodukt aufwerten

Ziel des Vorhabens ist es, Molke als Nebenprodukt der Milchproduktion aufzuwerten. Nach Angaben des Hamburger Start-ups fallen weltweit jährlich bis zu 190 Millionen Tonnen Molke an, wobei nur die Hälfte weiterverarbeitet wird. Die Entsorgung der Molke sei nicht nur teuer, heißt es. Aufgrund ihres hohen biochemischen Sauerstoffbedarfs stelle die Entsorgung auch ein Umweltrisiko dar.

Molke-Substrat als Nährstoff für Pilzmyzel

Im Rahmen des Projektes wollen die Partner nun Molke in ein Substrat umwandeln, das bei der Fermentation von Pilzmyzel und damit zur Herstellung von alternativen Milchprodukten genutzt werden kann. Bei der Herstellung von Fleischersatzprodukten hat sich das wurzelähnliche Pilzgeflecht, das Myzelium, bereits als ressourcenschonende und nachhaltige Produktionsalternative bewährt.

In der Aufwertung von Molke als Nährmedium für alternative Milchprodukte sieht Infinite Roots ein ebenso großes Potenzial. „Unsere Upcycling-Technologie optimiert den Fermentationsprozess und verwandelt ein bislang problematisches Abfallprodukt in eine wertvolle Ressource; einen natürlichen Rohstoff. Dies bietet Zeitvorteile, senkt Produktionskosten und fördert nachhaltige Praktiken in der Lebensmittelproduktion“, erklärt Mazen Rizk, Geschäftsführer von Infinite Roots.

Bildungsinitiative für umweltfreundliche Lebensmitteltechnologie

Darüber hinaus soll gemeinsam mit der TU Hamburg eine Bildungsoffensive für junge Forschende zum Themen Upcycling und umweltfreundliche Lebensmitteltechnologie gestartet werden. „Wir entwickeln nicht nur neue Technologien, sondern wollen auch die nächste Generation von Innovatoren für mehr Nachhaltigkeit in der Lebensmittelproduktion begeistern. Durch die Kooperation mit der TUHH und die Einbindung junger Talente erhält das Projekt eine wichtige gesellschaftliche Dimension“, sagt Rizk. 

bb

Vegan cheese alternatives have one thing in common: they contain neither casein nor whey protein – although these proteins are essential for the characteristic flavour and texture of cheese made from animal milk. The biotech start-up Infinite Roots, which specialises in sustainable foods made from mushroom mycelium, now wants to remedy this shortcoming. Together with Hamburg University of Technology, the company is developing a technology to utilise whey as a nutrient for mycelium fermentation. The project is being funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) with a total of 1.8 million euros.

Upgrading whey as a by-product

The aim of the project is to valorise whey as a by-product of milk production. According to the Hamburg-based start-up, up to 190 million tonnes of whey are produced worldwide every year, only half of which is processed further. The disposal of whey is not only expensive, they say. Due to its high biochemical oxygen demand, disposal also poses an environmental risk.

Whey substrate as a nutrient for fungal mycelium

As part of the project, the partners now want to convert whey into a substrate that can be used in the fermentation of fungal mycelium and thus for the production of alternative dairy products. The root-like fungal network, mycelium, has already proven itself as a resource-saving and sustainable production alternative in the manufacture of meat substitute products.

Infinite Roots sees equally great potential in the valorisation of whey as a nutrient medium for alternative dairy products. ‘Our upcycling technology optimises the fermentation process and transforms a previously problematic waste product into a valuable resource; a natural raw material. This saves time, reduces production costs and promotes sustainable practices in food production,’ explains Mazen Rizk, Managing Director of Infinite Roots.

Educational initiative for environmentally friendly food technology

In addition, an educational initiative for young researchers on the topics of upcycling and environmentally friendly food technology is to be launched together with the TU Hamburg. ‘Not only are we developing new technologies, but we also want to inspire the next generation of innovators for more sustainability in food production. The cooperation with the TUHH and the involvement of young talent gives the project an important societal dimension,’ says Rizk.

bb