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Bioökonomie.de ist eine Internetseite auf Initiative
des Bundes-Ministeriums für Bildung und Forschung.

Die Abkürzung für Bundes-Ministerium für Bildung und Forschung ist BMBF.

Ein Bundes-Ministerium ist eine Behörde.
Das ist eine Einrichtung vom Staat. Sie ist dafür zuständig,
dass bestimmte Aufgaben für die Bürgerinnen und Bürger erledigt werden.

Es gibt viele verschiedene Bundes-Ministerien, die sich um verschiedene Bereiche kümmern.
Das Bundes-Ministerium für Bildung und Forschung kümmert sich um die Bereiche Bildung und Forschung in Deutschland.

Das BMBF kümmert sich um verschiedene Themen.
Die Bioökonomie ist ein Thema vom BMBF.

Bei bioökonomie.de geht es um „Bio-Ökonomie“.

Bio heißt:
Es geht um die Natur und die Umwelt

Ökonomie heißt:
Alles, was Menschen mit Geld machen.
Es geht darum, Produkte anzubieten und kaufen zu können.

Bio-Ökonomie heißt:
Ich kann die Natur und die Umwelt nutzen
und achte gleichzeitig darauf, mit Natur und Umwelt nachhaltig umzugehen.

• Dafür müssen wir Kohle und Öl ersetzen.
• Wir müssen Dinge besser gebrauchen und sparsamer sein.
• Und wir brauchen nachhaltige Innovationen wie Werkstoffe und Verfahren.

Nachhaltig heißt:
Wenn wir etwas aus der Natur nehmen,
müssen wir der Natur wieder etwas geben.
Wir müssen dafür sorgen, dass es nachwachsen kann.

Zum Beispiel:

• Wir nutzen das Holz aus dem Wald.
• Wir fällen Bäume und pflanzen dafür neue Bäume an.

Innovationen sind neue Produkte oder Dinge,
mit denen man etwas verändert, etwas moderner macht oder etwas neu macht.

Zum Beispiel:

• Das Handy ist eine Innovation. Es wurde neu erfunden.
• Und es wird immer verändert und moderner gemacht

Werkstoffe sind Dinge, mit denen man etwas bauen
oder etwas herstellen kann.

Zum Beispiel:

• Das kann Plastik sein, das sich selbst zersetzt.
• Das kann Kraftstoff für Autos aus Pflanzen sein.

Verfahren sind Methoden mit denen neue Dinge hergestellt werden.

[Langtext]

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The project map is only available in German.

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In der Studie wurde untersucht, inwieweit die Eishersteller beim Einsatz von Pflanzenölen und -fetten auf Nachhaltigkeitskriterien setzen. Hauptaugenmerk lag auf Kokosöl, eines der beliebten Ersatzöle für Palmöl.

Befragt wurden die größten Eisproduzenten mit Produktion oder Hauptsitz in Deutschland sowie die Top 5 des Lebensmitteleinzelhandels mit ihren Handels- bzw. Eigenmarken für Speiseeis.

Zwölf von 17 Unternehmen gaben Auskunft. Einige Hersteller haben das im Fokus der öffentlichen Debatte stehende Palmöl durch Kokosnussöl ersetzt. Bei den meisten Befragten fehlt jedoch eine Substitutionsstrategie, die ökologische und soziale Kriterien berücksichtigt.

Palmöl benötigt deutlich weniger Anbaufläche als Kokosöl, da der Ertrag der Ölpalme mit durchschnittlich etwa 3,8 Tonnen Öl pro Hektar weit über dem von Kokosöl (0,7 Tonnen Öl pro Hektar) liegt, teilt der WWF mit. Um einen Stopp der Regenwaldrodungen zu erwirken, fordert die Organisation daher ein Lieferkettengesetz, das Unternehmen dazu verpflichtet, Umweltstandards und Menschenrechte in ihren Produktionsketten zu achten.

Escherichia coli, Bacillus subtilis oder Saccharomyces cerevisiae – die Namen mancher industriell genutzten Mikroorganismen sind selbst Laien schon einmal begegnet. Doch diese Arbeitspferde der industriellen Biotechnologie verbindet, dass sie eher milde Wachstums- beziehungsweise Reaktionsbedingungen bevorzugen. Für Prozesse oder Produkte, die erhöhte Temperaturen oder besondere pH-Werte erfordern, sind sie meist ungeeignet. Anders ist das bei sogenannten thermoacidophilen Archaeen, zu denen auch Sulfolobus acidocaldarius gehört. Bei 75 bis 80° C und in sauren Milieus fühlen sie sich erst richtig wohl.

Einfach zu kultivieren

Dass Archaeen bislang dennoch nur vereinzelt für Industrieprozesse genutzt werden, liegt unter anderem daran, dass grundlegende Kenntnisse des Stoffwechsels beziehungsweise der Physiologie sowie die genetischen Werkzeuge, um diese Mikroorganismen zu bearbeiten und zu optimieren, in der Regel fehlen. Das Projekt „HotAcidFACTORY“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Programm „Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie − Neuartige Plattformorganismen für innovative Produkte und nachhaltige Bioprozesse“ von 1.2.2020 bis 31.1.2023 mit 2,2 Mio. Euro gefördert wird, ist angetreten, das zu ändern. Beteiligt sind neben der federführenden Universität Duisburg-Essen die Universitäten Freiburg und Bielefeld sowie die TU Wien.

Bettina Siebers, Mikrobiologin der Universität Duisburg-Essen, arbeitet schon lange mit Archaeen und hat für das Projekt sofort an S. acidocaldarius gedacht. Der Mikroorganismus lässt sich recht einfach auf Komplex- oder Minimalmedien unter aeroben Bedingungen in einem Schüttler bei hoher Temperatur kultivieren. Siebers‘ Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren schon manches über den Stoffwechsel der Archaee herausgefunden. Das neue Projekt will dieses Wissen weiter vergrößern und vertiefen, um den komplexen Kohlenhydratstoffwechsel praktisch zu entschlüsseln.

Genetische Werkzeuge etablieren

Auch Methoden, um den Einzeller genetisch zu verändern, hat das Team schon vor Projektbeginn entwickelt. „Bislang haben wir dafür aber nur ein kleines Repertoire“, schildert die Projektkoordinatorin, „jetzt wollen wir das genetische System verbessern und auch CRISPR-Cas etablieren.“ Mit der als Genschere bezeichneten Methode der Genom-Editierung ließen sich Änderungen an einzelnen Genen schnell und verlässlich durchführen.

Die genetischen Methoden sind jedoch nur das eine. Vor allem wird die Frage spannend sein, ob S. acidocaldarius sowohl mit CO₂ als auch mit Rohglycerin als Nährstoff wachsen kann. Letzteres fällt beispielsweise bei der Herstellung von Biodiesel an, enthält oft aber toxische Verunreinigungen, die das Wachstum von Mikroorganismen hemmen. Weil das Archaeon natürlicherweise mit recht widrigen Bedingungen zurechtkommt, hoffen die Forscher, dass das auch hier der Fall sein könnte.

Punktmutation reaktiviert Glycerinstoffwechsel

„Wir wussten, dass unser Mikroorganismus auf Fettsäuren und Lipiden wächst, und da beim Lipidabbau Glycerin als Kopfgruppe entsteht, lag die Frage nahe, ob er auch Glycerin nutzen kann.“ Einen Monat lang ließen die Forscher die Archaeen auf reinem Glycerin wachsen – und dann auf einmal geschah es: Die Einzeller ernährten sich von Glycerin. „Die Rückmutation einer Punktmutation in einem für den Abbau wichtigen Gen war entscheidend“, fasst Siebers das Ergebnis der genetischen Analysen zusammen. „Punktmutationen können sich bei Genen aus nicht benötigten Stoffwechselwegen anhäufen, da diese bei der Anzucht auf komplexen Medien nicht benötigt werden beziehungsweise nicht essenziell sind.“ Inzwischen sind sie und ihr Team recht weit dabei vorangekommen, auch die zugrundeliegenden Stoffwechselwege des Glycerinabbaus aufzuklären. „Dabei gehört für uns immer auch dazu, die beteiligten Enzyme zu charakterisieren“, betont die Mikrobiologin.

Schwieriger gestaltet sich die Situation beim Kohlendioxid. Der Literatur zufolge sollte S. acidocaldarius das Gas verstoffwechseln können. „In der Praxis hat das aber schon lange kein Labor mehr beobachtet“, berichtet Siebers. Allerdings gibt es einen nah verwandten Stamm, der die Fähigkeit nachweislich besitzt. „Es kursiert deshalb das Gerücht, dass irgendwann einmal die Stämme verwechselt worden sind oder keine Reinkultur verwendet wurde“, erzählt die Mikrobiologin. Deshalb wird im Projekt zunächst analysiert, welche Enzyme das Archaeon besitzt, die für die CO₂-Fixierung notwendig sind, und „was noch fehlt, um mittels Metabolic Engineering die CO₂-Fixierung zu etablieren“.

Viele Ideen für den industriellen Einsatz

Was genau S. acidocaldarius später einmal produzieren könnte, steht nicht im Fokus des Forschungsprojekts. Denkbar wären eine Reihe von Enzymen, denn so mancher Prozess erfordert heiße oder saure Prozessbedingungen – beispielsweise die Lignocellulose-Aufbereitung. Was heute einige physikochemische und enzymatische Vorbehandlung erfordert, bevor Mikroorganismen schließlich aktiv werden können, könnte mit dem thermoacidophilen Archaeon und extremophilen Enzymen als wirtschaftlich attraktive Ein-Topf-Reaktion funktionieren. Und auch in Prozessen, bei denen Bioalkohole oder flüchtige Verbindungen entstehen, könnte die Mikrobe attraktiv sein: Die für viele Organismen toxischen Chemikalien verdampfen in einem bei 80° C geführten Prozess und könnten so leicht entfernt werden. Zudem kann auf den Einsatz von Antibiotika bei der Kultivierung verzichtet werden, da verunreinigende Organismen unter diesen extremen Bedingungen nicht wachsen.

Ob alle Ziele des Projekts innerhalb der Laufzeit erreicht werden können, ist nicht zuletzt durch die Arbeitsbedingungen in der Pandemiesituation fraglich. Ideen für die Zukunft hat Siebers dennoch schon genug: „Man könnte zum Beispiel auch Bioalkohole oder Säuren mit unserem Mikroorganismus produzieren“, erwartet Siebers mit Blick auf die Eigenschaften des Archaeons. Und auch eine kontinuierliche Prozessführung mit S. acidocaldarius scheint in Sichtweite zu sein: Der österreichische Projektpartner an der TU Wien hat schon einige Erfolge darin erzielt, eine entsprechend hohe Zelldichte in industriell relevantem Maßstab zu entwickeln. Denn am Ende der vielen Forschungsarbeit soll schließlich eine neuartige mikrobielle Biofabrik stehen.

Autor: Björn Lohmann

Escherichia coli, Bacillus subtilis oder Saccharomyces cerevisiae – the names of some industrially used microorganisms have been encountered even by laymen. What these three have in common is that they prefer rather mild growth or reaction conditions. They are usually unsuitable for processes or products that require elevated temperatures or special pH values. The situation is different with so-called thermoacidophilic archaeae, to which Sulfolobus acidocaldarius belongs. They only really feel comfortable at 75 to 80°C and in acidic environments.

Easy to cultivate

The fact that archaeae have so far only been used sporadically for industrial processes is partly due to the fact that fundamental knowledge of metabolism or physiology as well as the genetic tools to process and optimize these microorganisms are generally lacking. The project "HotAcidFACTORY", which is funded by the Federal Ministry of Education and Research with 2.2 million euros from February 1, 2020 to January 31, 2023 as part of the program "Microbial Biomaterials for the Industrial Bioeconomy - Novel Platform Organisms for Innovative Products and Sustainable Bioprocesses", has set out to change this. Next to the leading University of Duisburg-Essen, the Universities of Freiburg and Bielefeld and the Vienna University of Technology are involved.

Bettina Siebers, microbiologist at the University of Duisburg-Essen, has been working with archaeae for a long time and immediately thought of S. acidocaldarius for the project. The microorganism can be cultivated quite easily on complex or minimal media under aerobic conditions in a shaker at high temperature. Siebers' research group has already discovered a lot about the metabolism of the archaeaon in recent years. The new project aims to further expand and deepen this knowledge in order to decipher the complex carbohydrate metabolism in a practical way.

Establishing genetic tools

The team has also developed methods to genetically modify the unicellular organism even before the project started. "So far, however, we only have a small repertoire for this," says the project coordinator, "now we want to improve the genetic system and also establish CRISPR-Cas. With the method of genome editing, known as gene scissors, changes to individual genes could be made quickly and reliably.

However, genetic methods are only one thing. Above all, the question of whether S. acidocaldarius can grow with CO2 as well as with raw glycerine as a nutrient will be exciting. The latter is produced, for example, in the production of biodiesel, but often contains toxic impurities that inhibit the growth of microorganisms. Because the archaeon naturally copes with quite adverse conditions, the researchers hope that this could also be the case here.

Point mutation reactivates glycerol metabolism

"We knew that our microorganism grows on fatty acids and lipids, and since the lipid breakdown process produces glycerol as a head group, the question of whether it can also use glycerol was obvious. For one month, the researchers allowed the archaeae to grow on pure glycerine - and then it happened: The unicellular organisms fed on glycerine. "The reverse mutation of a point mutation in a gene that is important for degradation was crucial," says Siebers, summarizing the results of the genetic analyses. "Point mutations can accumulate in genes from unneeded metabolic pathways, since these are not needed when growing on complex media.” In the meantime, she and her team have made considerable progress in elucidating the underlying metabolic pathways of glycerol degradation. "For us, this always includes characterizing the enzymes involved," the microbiologist emphasizes.

The situation is more difficult with carbon dioxide. According to the literature S. acidocaldarius should be able to metabolize the gas. "In practice, however, no laboratory has observed this for a long time," reports Siebers. However, there is a closely related strain that has been proven to have the ability. "There is a rumor that at some point in time the strains were mixed up or that no pure culture was used," the microbiologist says. For this reason, the project will first analyze which enzymes the archaeon possesses that are necessary for CO2 fixation and "what is still missing to establish CO2 fixation by means of metabolic engineering".

Many ideas for industrial use

What exactly S. acidocaldarius might produce later is not the focus of the research project. A number of enzymes would be conceivable, since many processes require hot or acidic process conditions - for example, lignocellulose preparation. What today requires some physicochemical and enzymatic pretreatment before microorganisms can finally become active could function as an economically attractive one-pot reaction with the thermoacidophilic archaeon and extremophilic enzymes. And the microbe could also be attractive in processes that produce bioalcohols or volatile compounds: The chemicals, which are toxic to many organisms, evaporate in a process carried out at 80°C and could thus be easily removed. In addition, the use of antibiotics during cultivation can be dispensed with, since contaminating organisms do not grow under these extreme conditions.

Whether all project goals can be achieved within the project period is questionable, not least because of the working conditions in the pandemic situation. Nevertheless, Siebers already has enough ideas for the future: "For example, we could also produce bioalcohols or acids with our microorganism," expects Siebers with regard to the properties of the archaeon. And continuous process management with S. acidocaldarius also seems to be in sight: The Austrian project partner at the Vienna University of Technology has already achieved some success in developing a correspondingly high cell density on an industrially relevant scale. Because at the end of the research project, a new type of microbial biofactory is to be developed.

Author: Björn Lohmann

Plastikreste gelangen mehr und mehr in unsere Ackerböden. Vielfach durch untergepflügte Folien aus dem Obst- und Gemüseanbau oder durch achtlos weggeworfenen Müll. Eine weitere Quelle sind Klärschlamm und Kompost, die in der Landwirtschaft als Dünger dienen. Diese enthalten zum Beispiel Mikroplastik aus Kosmetika, Reinigungsmitteln und Faserabrieb, der beim Waschen von synthetischen Textilien entsteht. Hinzu kommt der Reifenabrieb von Fahrzeugen. Von Mikroplastik spricht man, wenn die Teilchen kleiner als fünf Millimeter sind.

„Das Mikroplastik im Boden müssen wir heute als einen Faktor des globalen Wandels begreifen“, beschreibt Matthias Rillig, der das Forschungsprojekt µPlastic leitet. Lange Zeit habe man das Thema lediglich vom Blickwinkel der Ökotoxikologie angegangen. Dabei steht die Frage im Zentrum, wie giftig ein Stoff etwa für eine bestimmte Pflanze ist. Doch um Schaden für die Umwelt und die menschliche Gesundheit abzuwenden, müssen sehr viel komplexere Zusammenhänge erforscht werden.

Bodenstruktur beeinflusst Pflanzenwachstum

Projektleiter Rillig erklärt in einem jüngst erschienenen Artikel der renommierten Fachzeitschrift Science, inwiefern sich Mikroplastik von andern Umweltverschmutzungen unterscheidet. Plastik in Reinform ist im direkten, im chemischen Sinne, nicht besonders giftig. Allerdings können Zusatzstoffe wie etwa Weichmacher negative Auswirkungen haben. Doch Mikroplastik verändert über physikalische Parameter die Böden, insbesondere die Größe und Form der Erdkrümel. „Die Bodenstruktur beeinflusst alles“, betont der Professor für Ökologie der Pflanzen an der Freien Universität Berlin, insbesondere auch im Hinblick auf die Landwirtschaft.

Es gibt Hinweise darauf, wie Mikroplastik Bodenprozesse oder Bodenbewohner wie zum Beispiel Regenwürmer beeinflusst. Nahezu unbekannt ist allerdings der Einfluss auf die sogenannte Rhizosphäre, dem Lebensraum rund um eine Pflanzenwurzel mit seinen vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Boden, Wurzel und Bodenlebewesen. Die enorm umfang- und artenreiche Lebenswelt umfasst Bakterien, Pilze, Rädertierchen, Fadenwürmer, Asseln, Springschwänze und vieles andere mehr. In unmittelbarer Nähe der Wurzel unterscheidet sich vor allem die mikrobielle Flora vom umliegenden Boden. Ein einziges Gramm Erde aus der Rhizosphäre enthält rund eine Milliarde Bakterien. Die verschiedenen Bakterienarten beeinflussen direkt Wachstum und Gesundheit der Pflanzen.

Der mikrobiell hoch aktive Wurzel-Lebensraum steht im Fokus des Projektes µPlastic, das vom Bundesforschungsministerium seit Beginn des Jahres gefördert wird. „Das Projekt zielt darauf ab, diesen blinden Fleck anzugehen, indem wir ein grundlegendes Konzept von Auswirkungen auf Rhizosphärenfunktionen und -interaktionen testen“, lautet die Beschreibung. Das Verbundprojekt µPlastic – Verständnis der Effekte von Mikroplastik auf Rhizosphärenprozesse und -wechselwirkungen in landwirtschaftlichen Böden – ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme „Pflanzenwurzeln und Bodenökosysteme: Bedeutung der Rhizosphäre für die Bioökonomie (Rhizo4Bio)“. Es erstreckt sich von 2020 bis 2024 und wird vom Bundesforschungsministerium mit rund 1,1 Mio. Euro gefördert.

Im Rahmen des Projekts Innoredux, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), startete das Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) eine Online-Umfrage zum Thema Verpackungsmüll. Ziel war herauszufinden, inwiefern ein Verzicht auf Verpackungen akzeptiert wird und welches Potenzial unverpackte Produkte haben.

Mehr als tausend Freiwillige haben an der nicht repräsentativen Befragung teilgenommen. Fast alle Teilnehmer sind der Meinung, dass bei vielen Produkten weniger Verpackungsmaterial ausreichen würde. Die Mehrheit fühlt sich zudem unzureichend über die Produktverpackungen informiert.

Die Befragten (99%) sind sich einig, dass viele Produkte mit weniger Verpackungsmaterial auskommen würden. 80 Prozent erklärten, auf den Kauf von Produkten mit starkem Verpackungsaufkommen zu verzichten. Viele wünschen sich von Unternehmen mehr Informationen über Art, Menge und Recyclingfähigkeit der anfallenden Verpackungen. 97 Prozent befürworten zudem Abteilungen mit unverpackten Lebensmitteln in Geschäften, wobei Unverpackt-Läden wegen der großen Entfernung, einer geringen Produktauswahl und hohen Preisen oft noch gemieden werden.

As part of the Innoredux project, which is funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), the Institute for Ecological Economy Research (IÖW) launched an online survey on packaging waste. The aim was to find out to what extent it is accepted to abstain packaging and what potential unpackaged products have.

More than a thousand volunteers took part in the non-representative survey. Almost all participants thought that for many products less packaging material would be sufficient. The majority also consider themselves insufficiently informed about product packaging.

The respondents (99%) agree that many products would require less packaging material. 80 percent declared that they would avoid buying products with heavy packaging. Many would like companies to provide more information about the type, quantity and recyclability of the packaging they use. 97 percent also approve of departments with unpackaged food in stores, although unpackaged stores are often avoided due to the long distance, a limited product selection and high prices.

Der Kohleausstieg ist beschlossen. Für Regionen wie das Rheinland heißt es nun umdenken und neue Perspektiven schaffen. Mit dem Ziel, weg von Braunkohle, hin zu einer biobasierten Zukunft, wurde vor einem Jahr das BioökonomieREVIER Rheinland gegründet, das vom Bundesforschungsministerium über das Sofortprogramm „Strukturwandel" mit mehreren Millionen Euro gefördert wird. Koordiniert wird das ambitionierte Vorhaben vom Leiter des Instituts für Pflanzenwissenschaften am Forschungszentrum Jülich, Ulrich Schurr. Der promovierte Biologe ist überzeugt, dass das einstige Kohlerevier die besten Voraussetzungen hat, um das Rheinische Revier zu einer Modellregion für eine nachhaltige Bioökonomie zu machen. Um Forschungsansätze schneller in die Wirtschaft zu bringen, wurden erst kürzlich 15 Innovationslabore eingerichtet.

The coal phase-out has been decided. For regions like the Rhineland, it is now time to rethink and create new prospects. With the aim of moving away from lignite and towards a bio-based future, the BioökonomieREVIER Rheinland (“BioeconomyAREA Rhineland”) was founded a year ago. It is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with several million euros via the Strukturwandel ("Structural Change") program. The ambitious project is coordinated by Ulrich Schurr, head of the Institute of Plant Sciences at the Research Center Jülich. Schurr, who holds a doctorate in biology, is convinced that the former coal-mining area has the best prerequisites for making the Rhenish mining area a model region for a sustainable bioeconomy. In order to bring research approaches more quickly into the economy, 15 innovation laboratories were recently established.

Mit einer Jahresernte von 13,8 Millionen Tonnen ist der Apfel Europas wirtschaftlich bedeutsamstes Obst. Einzelne Krankheitserreger der Apfelbäume können daher gravierende Folgen haben, weshalb auf vielen Plantagen dem chemischen Pflanzenschutz große Bedeutung zukommt. Auch gegen die Erreger der Apfeltriebsucht, sogenannte Phytoplasmen, gibt es kein anderes Mittel, als deren Ausbreitung durch Insekten zu verhindern, indem Insektizide eingesetzt werden. Wichtig ist daher, eine Infektion frühzeitig zu erkennen, bevor weite Teile einer Plantage betroffen sind.

Neues Werkzeug zur Krankheitsdiagnose

Das ist jedoch nicht ganz einfach: Erfahrenes Personal kann die Infektion einer Pflanze an Symptomen wie Hexenbesen, vergrößerten Nebenblättern und einer vorzeitigen Rotfärbung im Herbst zwar erkennen. Das bedeutet jedoch viel Aufwand und ist oft schon zu spät. Die Alternative, der biochemische Nachweis mittels der sogenannten Polymerasekettenreaktion, ist teuer und wenig praktikabel. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg entwickeln deshalb gemeinsam mit Kollegen des Instituts für Pflanzenforschung AlPlanta aus Neustadt an der Weinstraße und der Firma Spatial Business Integration GmbH aus Darmstadt eine neue und bessere Diagnosemöglichkeit.

Verräterisches Reflexionsspektrum

Die Grundlage dafür bilden Aufnahmen der Plantagen durch Satelliten oder Drohnen, bei denen das reflektierte Lichtspektrum – auch außerhalb des sichtbaren Bereichs – erfasst wird. „Bei diesem Verfahren wird Licht in Wellenlängen zerlegt“, erläutert Uwe Knauer, IT-Experte für Maschinelles Lernen am Fraunhofer IFF. Weise eine Pflanze bei einer Blattprobe im Labor Symptome auf, so zeige sich dies in bestimmten Wellenlängenbereichen deutlicher und früher als allein im sichtbaren Bereich. „Bei einer kranken Pflanze wird mehr rotes als grünes oder blaues Licht reflektiert“, schildert Knauer.

Maschinelles Lernen macht‘s möglich

Mit Methoden des maschinellen Lernens können in diesen Aufnahmen Infektionen mit der Apfeltriebsucht oder auch mit dem von ähnlichen Erregern verursachten Birnenverfall bei Birnbäumen identifiziert werden, lange bevor sie für das menschlichen Auge sichtbar sind. Entsprechende Tests im Labor konnte das Team bereits erfolgreich abschließen.

Das von der Landwirtschaftlichen Rentenbank geförderte Forschungsvorhaben läuft noch bis 2022. Bis dahin wollen die Projektpartner das Verfahren und die zugehörige Technik so weit entwickelt haben, dass sie eine marktfähige Dienstleistung anbieten können.

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Ob T-Shirt, Hose oder Kleid: Textilien werden immer schneller entsorgt. Etwa eine Million Tonnen landen nach Angaben des Bundesverbandes Sekundärrohstoffe und Entsorgung e. V. (BVSE) jährlich in den Kleidercontainern. Doch nur die Hälfte davon wird aufbereitet. Im Falle eine Weiterverarbeitung werden aus einst modischen Kleidungsstücken minderwertige Produkte wie Putzlappen oder Dämmmaterial. Das könnte sich ändern. Forscher am Fraunhofer IAP in Potsdam haben erstmals einen Weg gefunden, Alttextilien aus Baumwolle zu recyceln. Bislang war das technisch nicht möglich, da Kleidung meist aus Mischfasern gefertigt ist.

Recycling von Altkleidern aus Baumwolle

„Textilien bestehen selten aus reiner Baumwolle. Eine Jeans etwa enthält immer einen Anteil an Chemiefasern wie Polyester oder Elasthan“, so André Lehmann vom Fraunhofer IAP. Im Auftrag des schwedischen Unternehmens re:newcell hat ein Team um den Chemiker nun Zellstoff aus recycelter Baumwolle zu Viskosefasern aus reiner Cellulose weiterverarbeitet. Zellstoff wird meist aus Holz gewonnen. In der Textilindustrie wird das Polysaccharid in der Regel genutzt, um daraus künstliche Celluloseregeneratfasern wie Viskose, Modal oder Lyocell herzustellen.

Lösungs- und Spinnprozess verbessert

Die Herausforderung für die Potsdamer Forscher bestand darin, die verschiedenen miteinander verwobenen Fasern wieder zu trennen. „Wir haben von re:newcell jedoch Zellstoffplatten aus recycelter Baumwolle erhalten und sollten prüfen, ob sie sich zu Viskosefasern weiterverarbeiten lassen. Durch Einstellen der richtigen Parameter im Lösungs- als auch Spinnprozess, wie effektive Filtrationsstufen, konnten wir die im Zellstoff enthaltenen Fremdfasern herauslösen“, erklärt der Forscher.

Vorausgegangen war ein aufwendiger Prozess: Zunächst musste der Zellstoff mit Lauge aktiviert und anschließend chemisch derivatisiert werden, um eine hochreine alkalische Viskose-Lösung zu erhalten, die dann durch mehrere Tausend Spinnlöcher mit Durchmessern von 55 µm in ein saures Spinnbad ausgesponnen werden kann. Im nächsten Schritt mussten die Forscher die chemische Derivatisierung beständig rückgängig machen und den Faden wiederholt waschen, um ihn schließlich getrocknet aufspulen zu können.

Umweltfreundliche Cellulosefaser

Im Ergebnis entstand so ein Viskose-Filamentgarn, das zu 100% aus Cellulose besteht und damit umweltfreundlich ist, da der Stoff verrottet. Die Qualität der recycelten Faser ist zudem mit den holzbasierten Celluloseregeneratfasern vergleichbar. Tests haben ergeben, dass sie hinsichtlich ihrer Eigenschaften mit der handelsüblichen Viskosefaser mithalten kann.

Alternative Zellstoffquelle

Mithilfe der Technologie der Potsdamer Forscher ist es nun erstmals möglich, auch Altkleider aus Baumwolle wie alte Jeans wiederzuverwerten statt sie wie bisher auf der Deponie zu entsorgen oder zu verbrennen. Damit leistet das Team einen wichtigen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit in der Mode. „Durch das Optimieren der Trennprozesse und die Intensivierung der Filtration der Fremdfasern im Spinnverfahren können wir langfristig die rezyklisierte Naturfaser-Baumwolle als alternative Zellstoffquelle und ernstzunehmende Rohstoffbasis etablieren“, so Lehmann.

bb

Ob Getreide-, Obst– oder Gemüseanbau: Die Landwirtschaft ist vielerorts auf Pflanzenschutzmittel angewiesen. Sie sollen Erträge und damit die Versorgung der Menschen mit Lebensmitteln sichern. Doch der Einsatz von Pestiziden ist umstritten, weil diese nicht nur Schädlingen den Garaus machen, sondern auch Mensch und Natur schaden. Nun haben Forscher Bakterien identifiziert, die das Herbizid Linuron abbauen können.

Bei Linuron handelt es sich um ein selektives Herbizid, das gezielt Unkräuter bekämpft, indem es deren Photosynthese hemmt. Der Pestizidwirkstoff ist seit 2018 in der EU wegen seiner krebserregenden Eigenschaften verboten. In den USA und Kanada wird er hingegen weiter in der Landwirtschaft genutzt. Damit die Giftstoffe nicht ins Grundwasser gelangen, nutzen Landwirte dort Minikläranlagen. Diese sogenannten on-farm purification systems (BPS) filtern vor Ort aus dem Abwasser die Substanzen heraus – und zwar mithilfe von Bakterien. Wie das Aufreinigungssystem konkret funktioniert, war bisher unklar.

Bakterien für Herbizidabbau verantwortlich

Die Mikrobiologin Başak Öztürk vom Leibniz-Institut DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig konnte zusammen mit Forschern aus Belgien die Arbeitsweise der Mini-Reinigungssysteme klären. Sie wiesen erstmals nach, dass an der Herbizidzersetzung Bakterien der Gattung Variovorax, Comamonadaceae und Ramlibacter beteiligt sind. Wie die Forscher im Fachjournal "Environmental Science & Technology" berichten, konnten sie zudem Ramlibacter-Stämme auch als Akteure beim Linuronabbau in der Minikläranlage identifizieren. „Das Einzigartige unserer Studie ist, dass wir eine direkte Verbindung zwischen Herbizidabbau und den dafür verantwortlichen Mikroorganismen nachweisen konnten. Zusätzlich zeigen unsere Experimente, dass in-situ andere Mikroorganismen für die Zersetzung der Schadstoffe verantwortlich sind, als bisher aus Laborversuchen bekannt war“, resümiert Öztürk.

Minikläranlage für den Bauernhof

Die Braunschweiger Forscherin hofft, dass die Minifilteranlage bald auch hierzulande auf den Bauernhöfen Einzug hält. „Auch wenn wir hier in Deutschland kein Linuron einsetzen, so werden doch andere Herbizide ausgebracht, die negativen Einfluss auf das Ökosystem haben können“, argumentiert die Mikrobiologin. „Ich hoffe, dass die Aufklärung der Funktionsweise dieser on-farm purification-Systeme auch die deutschen Landwirte überzeugt, dass die Anschaffung dieser eigenen kleinen Kläranlage sinnvoll ist.“

bb