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Klimawandel und Industrialisierung haben den Ökosystemen der Erde in den vergangenen Jahrzehnten viel abverlangt. Pflanzen und Tiere sind vom Aussterben bedroht, weil ihnen die natürliche Lebensgrundlage verloren geht. Den Artenverlust signifikant zu reduzieren und deren Ursachen zu bekämpfen sind daher Kernziele des Strategischen Plans der Bundesregierung bis zum Jahr 2020. „Um den Verlust der biologischen Vielfalt zu stoppen, müssen wir uns sehr genau mit den komplexen Beziehungen zwischen Natur und Gesellschaft beschäftigen“, sagt Marion Mehring, Leiterin der Biodiversitätsforschung am Frankfurter ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung.

Anstrengungen unzureichend

Trotz aller Initiativen auf globaler und lokaler Ebene sehen die ISOE-Forscher das für 2020 anvisierte Ziel gefährdet. Weder die Ratifizierung nationaler Biodiversitätsstrategien, noch die Ausarbeitung von Aktionsplänen oder die Einrichtung von Schutzgebieten seien dafür ausreichen, wie die Frankfurter Forscher im Fachjournal „International Journal of Biodiversity Science, Ecosystem Services & Management“ berichten.

Transdisziplinäre Zusammenarbeit empfohlen

Im Vorfeld des dreitägigen Treffens des Weltbiodiversitätsrats IPBES vom 7. bis 10. März 2017 in Bonn rät das Team um Mehring in dem Artikel daher zum Umdenken in der Biodiversitätsforschung. Danach haben aktuelle Untersuchungen gezeigt, dass die Ursachen für den fortschreitenden Verlust der biologischen Vielfalt vor allem in fehlendem oder unsicherem Wissen über die komplexen Verbindungen zwischen Natur und Gesellschaft liegen. Die ISOE-Forscher empfehlen daher, die Biodiversitätsforschung stärker am Zusammenspiel verschiedener Disziplinen ausrichten. „Für den Erhalt der Biodiversität ist es unerlässlich, dass Organisationen wie der Weltbiodiversitätsrat die Notwendigkeit von Transdisziplinarität in der Biodiversitätsforschung anerkennen“, betont Mehring.

Nutzungskonflike erkennen

Neue fachübergreifende Bündnisse zwischen den Natur- und Sozialwissenschaften, die Einbeziehung von lokalem Wissen über Biodiversität sowie die Integration von gesellschaftlichen Partnern in den Forschungsprozess sind demnach erforderlich, um Fortschritte zu erzielen und Wissenslücken zu schließen. Mit dem „transdisziplinären Forschungsmodus“ ist es möglich, „Nutzungsdynamiken von Biodiversität in den Blick zu nehmen“, argumentieren die Wissenschaftler. So würden beispielsweise  auftretende Konflikte verschiedener Interessengruppen hinsichtlich der Nutzungsansprüche an Ökosystemleistungen schneller wahrgenommen.

bb

Biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe machen zunehmend erdölbasierten Plastikprodukten Konkurrenz. Experten gehen davon aus, dass der Aufwärtstrend auch weiterhin anhält. Laut einer Studie von European Bioplastics wird der Markt für Biokunststoffe, trotz niedriger Ölpreise, bis 2021 um 50% auf 6,1 Millionen Tonnen im Jahr ansteigen. Die Entwicklung neuer Verfahren zur Bioplastik-Herstellung wird seit Jahren von der Bundesregierung gefördert. Auch das Kooperationsnetzwerk „BioPlastik“, das von der Industrielle Biotechnologie Bayern (IBB) Netzwerk GmbH initiiert wurde, bekam zwischen 2014 und 2016 im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ vom Bundeswirtschaftsministerium finanzielle Unterstützung.

Netzwerk bringt Mehrwert

Nach dem Ende der fast dreijährigen öffentlichen Förderung wird sich das Netzwerk ab sofort aus eigener Tasche finanzieren, wie die Allianz am 7. März vermeldete. Mit den Beiträgen der Netzwerkpartner will „BioPlastik“ auch weiterhin neue Prozesse erschießen, um innovative, umweltfreundliche und wettbewerbsfähige Bioplastik-Produkte auf den Markt zu bringen. Daran beteiligt sind zehn Unternehmen und acht Forschungseinrichtungen. „Die Entscheidung der Partner, das Netzwerk allein durch Eigenbeiträge zu verstetigen, zeigt, dass das Netzwerk Mehrwert liefert, und dass unsere Arbeit angenommen und wertgeschätzt wird“, erklärt IBB-Netzwerk Geschäftsführer Haralabos Zorbas.

Verschiedene Konsortien arbeiten innerhalb des Netzwerkes beispielsweise an einem biobasierten Knochenkleber aus Biopolymeren, der Knochenbrüche an gering belasteten Körperteilen wie Hand oder Gesicht verkleben und Implantate wie Schrauben ersetzen kann. Andere Netzwerkpartner produzieren bereits Kaffeekapseln und Cateringgeschirr aus Bioplastik. Ein Fokus bei den Materialien liegt auf den bisher kaum vermarkteten Polyhydroxyalkanoaten (PHA). Mit dem Schritt in die sogenannte Selbstständigkeit zeigt der Bioplastik-Verbund, dass Bioplastik längst die Nische verlassen hat und in der Industrie angekommen ist.

bb

Copper is an important bulk metal for the German industry: it is mainly used in the cable and electrical industry, but also in the construction and automotive sectors, and in mechanical engineering. Until now most of it had to be imported either in the form of metal concentrates or crude ore. The world market leader Chile has been an important copper partner for Germany. Moreover, “Chile has an obvious interest in making its own mining production of copper more efficient and environmentally responsible,” explains Martin Rudolph, Head of the Processing Division at the Helmholtz-Institute Freiberg for Ressource Technology (HIF). The institute belongs to the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) and is cooperating closely with the TU Bergakademie Freiberg. The HIF investigates new technologies aiming to secure the long-term supply of technology metals for the economy.

The researchers from the Helmholtz Institute see great potential regarding copper mining in the pacific coastal state. Currently the Chilean mines use salt water instead of fresh water to recover the valuable metal, which requires an increased amount of Chemicals for the process. Additionally it leads to the loss of the molybdenum contained in the ore, which is an important rare metal that is used for steel alloys, lubricants and electronic components.

Chemicals replaced by bacteria

With this in mind, a new cooperation between the HIF and the Advanced Mining and Technology Center at the Universidad de Chile in Santiago de Chile started in February. Supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) the researchers have set themselves a three-year deadline to prove that it is possible to mine copper in a more sustainable and environmentally friendly way.

Bacteria could be a promising solution to this project. Similar approaches to use microbes are already being used for the mining of rare earth elements. Processing of copper requires bacteria that are already adapted to saline conditions. Therefore the scientists are focusing on bacteria from the sea. The researcher estimate that these bacteria could be a promising alternative to the use of chemicals and could minimize the loss of the molybdenum during the process. “We do not need living microbes as such, but only those active substances that are specifically able to alter mineral surfaces” explains Katrin Pollmann, who heads the HIF biotechnological working group. “These can be bacterial cells, cell components, metabolic products or biomolecules.”

Sustainable mining of crude ores

Using biomolecules could transform the currently and widely used method of flotation into a much more eco-friendly and sustainable process. Flotation has been used in industry for the past 150 years in the processing of raw materials. The copper content of crude ore is often times very low and difficult to access, but can be enriched fairly easily using flotation. During flotation, the finely ground ore is mixed with water. The addition of chemicals makes the ore particles differentially wettable; valuable substances are extracted while worthless particles are left behind. This way the copper content of crude ore can be enriched from around one percent to approximately 30 percent.

Bioflotation as the new gold standard

In the future, the researchers want to establish a new bio-based approach called bioflotation. Instead of using chemical reagents, bioactive substances that are extracted from saline-adapted bacteria will be added to the ore minerals. The fact that bacteria need the iron mineral pyrite for their metabolism is already exploited in the industry today. During the processing of copper, pyrite needs to be extracted as waste. The goal now is to use bioactive substances that filter out the minerals containing copper and molybdenum, while metabolizing the useless iron mineral pyrite. The first step towards establishing this new bioflotation process will be to identify suitable bacteria and isolate the bioactive substances. The next step will be to analyze the interactions with the mineral surfaces down to the level of individual molecules. Martin Rudolph considers the long-term prospects of the project: “We assume that bioflotation can be readily integrated into classic processing routes. A further advantage is that bioactive substances degrade naturally in the environment. How they behave there is a matter for further research.”

jmr

Phosphor als lebenswichtiger Nährstoff ist nur begrenzt verfügbar. Das chemische Element ist für das Leben auf der Erde unentbehrlich, alle Lebewesen brauchen es zum Wachsen. Daher wird Phosphor überwiegend als Düngemittel eingesetzt. Doch die Phosphorvorräte der Erde werden allmählich knapp – und die klassische Gewinnung von Rohphosphat ist sehr belastend für die Umwelt. Wissenschaftler versuchen daher schon seit längeren, alternative Quelle zu etablieren. Dazu gehören neben Klärschlamm auch Tiermehle aus Schlachtabfällen. Um das Phosphor-Potenzial zu nutzen, hat Patric Heidecke am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) eine neue Verbrennungstechnologie entwickelt. In einer sogenannten Wirbelschicht-Anlage werden die Tiermehle umweltfreundlich verbrannt, wobei sich die phosphorhaltigen Aschepartikel herauslösen und abgeschöpft werden können.

GPS und Sensortechnik haben längst die Landwirtschaft erobert. Aber nicht nur auf dem Acker kann die Digitalisierung die Arbeit der Landwirte erleichtern und effizienter machen. Auch in der Tierhaltung können Funkchips und Co. die Tiergesundheit überwachen und so für höhere Erträge sorgen. Im Herbst hatte eine Umfrage des Branchenverbandes Bitkom in Kooperation mit dem Deutschen Bauernverband belegt, dass viele Landwirte digitale Techniken nutzen oder künftig nutzen wollen

Über die Cloud die beste Futterration ermitteln

Den Trend zum Smart Farming nutzen inzwischen auch immer mehr Firmengründer. So will sich die fodjan GmbH als Experte für digitales Futtermanagement von Milchkühen etablieren. Das Start-up aus Dresden hat hierfür eine Software entwickelt, die ortsunabhängig über einen Computer gezielt gesteuert werden kann – und Landwirten damit ein Werkzeug für Smart Feeding anbieten. Gegründet wurde die Firma 2014 von einem interdisziplinären Team in der Gründungsschmiede der HTW Dresden, das aus Carsten Gieseler (Agrarökonom), Michael Schütze (Betriebswirt), Daniel Schreck (Webentwickler) und Johannes Völker (Informatiker) besteht.

Ihr Ansatz: Eine intelligente und cloudbasierte Software, mit der sich Futterkosten reduzieren, die Effizienz des Betriebes steigern und gleichzeitig die Tiergesundheit verbessern lässt. Der Bedarf ist groß, denn aktuell geben die rund 80.000 Milchbauern in Deutschland jährlich 5,6 Milliarden Euro für Futtermittel aus. „Die bisher erhältlichen Programme, die Landwirte zur Rationsberechnung nutzen, konnten jedoch nur linear kalkulieren. Herdenanforderungen und Futtermittelbestände wurden nicht mit in die Berechnung einbezogen. Hier sahen wir Optimierungspotential”, heißt es bei fodjan. Mit ihrer Software ist dies nun möglich. Sie rechnet für die Landwirte aus, welche Futterrationen nötig sind und stellt sie übersichtlich dar. Nach dreijähriger Entwicklungsphase und mehreren erfolgreich abgeschlossenen Pilotprojekten ist fodjan seit Oktober 2014 als Software-as-a-Service (SaaS) auf den Markt.

Tiergesundheit und Kosteneffektivität optimieren

Darüber hinaus werden die Rationen mit Blick auf die Tiergesundheit ausgewertet – auf Basis neuester wissenschaftlicher Erkenntnisse – und sofern nötig Alternativen vorgeschlagen. Im Unterschied zu anderen Produkte, die bereits auf dem Markt sind, könne fodjan mit seiner Mehrzieloptimierung, die auf einem Algorithmus basiere, “einen umfangreichen, an den Betrieb optimal angepassten Rationsüberblick liefern. Statt nur ein Ziel zu errechnen – den niedrigsten Preis – kann fodjan Tiergesundheit und Kosteneffektivität kombinieren”, heißt es bei der Firma. Technische Vorkenntnisse seien dafür nicht nötig.“ Jeder Milchviehhalter kann das Programm einfach bedienen”, teilen die Dresdner mit. Ausgedacht hat sich die Fütterungssoftware, die auch bei der Rezeptur des Futters hilft, Mitgründer Gieseler während seines Studiums. Im Jahr 2015 wurde er dafür mit dem Förderpreis der Agrarwirtschaft ausgezeichnet.

Investoren beteiligen sich an Serie-A-Finanzierung

Dass Smart Farming inzwischen auch für Investoren interessant ist, zeigt die aktuelle Finanzierungsrunde von fodjan. Schon bei der Firmengründung war der High-Tech Gründerfonds (HTGF) als Finanzierer an Bord, nun weitet er sein Engagement bei fodjan aus. HTGF-Manager Klaus Lehmann: „Die Technologien der fodjan GmbH adressieren den wichtigsten Kostenfaktor von Nutztierhaltern – die Futterkosten – und sind so von hoher wirtschaftlicher und ökologischer Relevanz. fodjan bietet den unterschiedlichsten Partnern aus der Wertschöpfungskette – vom Landwirt über den Futtermittelhändler bis zur Molkerei, mit seinen Produkten – die Möglichkeit, ihre Rentabilität zu steigern, ohne die Tiergesundheit zu vernachlässigen.“ Neu im Kreis der Investoren ist der Technologiegründerfonds Sachsen (TGFS).

Markus Michalow, Geschäftsführer des TGFS, betont: „Uns hat vor allem überzeugt, dass fodjan Ökonomie und Ökologie in Einklang bringt.“ Gemeinsam mit dem HTGF sowie der Siegmund Beteiligungsgesellschaft mbH wurde nun eine Serie-A-Finanzierung durchgeführt, deren Höhe unbekannt ist. Gleichzeitig hat die Firma mit der Lely Gruppe aus den Niederlanden einen neuen strategischen Partner gefunden. Lely ist Spezialist für Technik und Automatisierung rund um die Milchviehhaltung. Gemeinsam soll die Software nun auch langfristig weiterentwickelt und an die Bedürfnisse der Landwirte angepasst werden.

jmr

Ob in Kosmetikartikeln, Lebensmitteln oder Medikamenten: Pflanzliche Inhaltsstoffe sind wegen ihrer gesundheitsfördernden Eigenschaften für den Menschen von jeher unverzichtbar und in der Industrie gefragt. Den großen Bedarf an diesen kostbaren Substanzen kann die Natur jedoch nicht allein decken. Sie künstlich herzustellen, war bisher jedoch mühsam. Nun hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Chemikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ein Verfahren entwickelt, mit dem sich zumindest eine Gruppe dieser Naturstoffe, die Triterpene, sehr einfach produzieren lässt.

Wirkstoff-Konzentration in Pflanze zu gering

Zu den Triterpenen gehört beispielsweise die Maslinsäure, die in Oliven enthalten ist und die Pflanze vor Schädlingen schützt. Andere Triterpene sind dagegen vielversprechende Kandidaten für neue Krebsmedikamente. "Das Problem ist, dass diese Substanzen in den Pflanzen nur in geringer Konzentration vorkommen", erklärt MLU-Chemiker René Csuk. Um die Wirkung der Naturstoffe genauer zu untersuchen, sind allerdings große Mengen erforderlich.

400 Enzyme genauer untersucht

Im Rahmen der Studie gingen die Forscher der Frage nach, wie Pflanzen diese wertvollen Stoffe überhaupt bilden. Wie das Team im Fachjournal „Nature Communications“ berichtet, wurden daher über 400 Enzyme aus mehr als 200 verschiedenen Pflanzen genauer untersucht, um das Geheimnis zu lüften. Anschließend wurden die vielversprechendsten Kandidaten in Hefe-Kulturen eingeschleust, wo sie Stoffwechselprodukte wie Triterpene in großen Mengen produzieren können.

Enzymfamilie der Schlüssel für Biosynthese

Dabei stellten die Forscher fest, dass Enzyme der Familie CYP716 eine maßgebliche Rolle bei der Produktion von Triterpenen spielen. Im Ergebnis konnten sie insgesamt zehn Reaktionen beschreiben, bei denen verschiedene Triterpene, wie die Maslinsäure der Oliven, entstehen. "Diese Ergebnisse bereichern nachhaltig unser Wissen über die Entstehung dieser wichtigen Substanzklasse", erklärt Csuk. Daneben wird aber auch große Potenzial der CYP716-Enzyme deutlich, welche die Vielfalt der Triterpene mit beeinflussen. Mit der Studie haben die Forscher somit eine wichtige Grundlage geschaffen, um pflanzliche Inhaltsstoffe wie Triterpene auf nachhaltige Weise auch in großen Mengen für die Forschung herzustellen.

bb

GPS and sensor technology have been a part of agriculture for quite some time now. But not just the cultivation of fields can be simplified by the digitization. Radio chips and the likes are also useful to optimize animal husbandry by monitoring animal health and thus increasing revenue. Last fall a survey by Germany's Digital Association bitkom together with the German Farmers’ Association (DBV) revealed that the majority of farmers are already using or would like to use digital technologies in the near future.

Cloud-based calculations of feed rations

These days also more and more companies are focusing on smart farming. The Dresden-based start-up fodjan is aiming to establish itself as a specialist in the field of efficient feed management for livestock. To that end fodjan developed a software that can be controlled remotely via a computer, and is thus offering farmers a tool for smart farming. In September 2014 an interdisciplinary team at the HTW Gründungsschmiede Dresden (Consulting Centre for Company Founding) consisting of Carsten Gieseler (agricultural economist), Michael Schütze (business economist), Daniel Schreck (web developer) und Johannes Völker (informatition) founded the fodjan GmbH.

Their aim was to develop an intelligent and cloud-based software that reduces the cost of feed and increases the efficiency of the farm, while simultaneously improving animal health. Especially reducing the cost of feeding is in high demand, as the currently roughly 80,000 dairy farmers in Germany are paying 5.6 billion Euros for feed per year. Fodjan explains “To date, the available programs farmers can use to calculate feed rations could only do so in a linear way. Requirements of the herd or inventory of the animal feed were disregarded in the calculations. This is what we wanted to improve upon.” Their new software now allows for these complex calculations. And it is not only calculating the rations, but also presents them in a clear and concise way. After three years in development and several successful pilot projects, fodjan has been available as a “Softwar-as-a-Service” (SaaS) since October 2014.

Optimizing cost of feed and animal health

For the benefit of animal health the newest scientific data are being used to analyze and adjust the feed rations. According to fodjan the new software with its multiobjective approach based on a specific algorithm offers a complex and individually adjusted overview of feed rations for each farm.  Compared to other available products this software combines several goals like cost efficiency and animal health instead of focusing on cost minimizing. The company also explains that prior technical knowledge is not necessary, and that “every dairy farmer could easily use the software program”. Co-founder Gieseler developed the idea for the smart feeding software during his own university studies in agriculture and business administration and was awarded the agricultural industry funding prize in 2015.

Old and new investors join Series A financing

The latest financing round of the fodjan GmbH once again demonstrates the growing market for smart farming and highlights the potential for investors. Already at the conception of the company the High-Tech Gründerfonds (HTGF) was one of its investors, and now the HTGF expanded its commitment even further. Klaus Lehmann from the HTGF says: “fodjan GmbH’s technologies address the most important cost factor for livestock farmers – feed costs – and are therefore of huge economic and ecological significance. Through its products, fodjan offers a diverse range of partners across the value chain – from farmers and feed suppliers to dairies – the opportunity to increase their profitability without neglecting animal health.” A new addition among the financing partners is the Technologiegründerfonds Sachsen (TGFS). Markus Michal, CEO of the TGFS states “Above all, we were impressed by the way fodjan is able to reconcile economic and ecological factors”. In conjunction with the HTGF and the “Siegmund Beteiligungsgesellschaft mbH“ a new Series A financing over an unknown amount was now secured.

At the same time fodjan also found a new ideal strategic partner in the shape of the Lely Group from the Netherlands. Lely is a specialist in technology and automation for the dairy cattle farming industry. Their combined long-term goal for the future is to keep advancing the software and adapt it to the needs of the farmers.

jmr

Ob als Speiseöl, Futtermittel oder Biodiesel: Raps gehört zu den wichtigsten Kulturpflanzen in Europa. Rund 1,3 Millionen Hektar wurden 2016 bundesweit mit der gelbblättrigen Ölpflanze angebaut. Derweil ist Raps im Vergleich zur Gerste eine noch recht junge Pflanzenart, deren Potenzial erst durch gezielte Züchtungen gesteigert wurde. Doch die Rapszüchtung gilt als schwierig, da Brassica napus auf nur sehr wenigen Ausgangskreuzungen basiert. Dadurch fehlt die nötige genetische Vielfalt für züchterische Verbesserungen.

DFG-Förderung zum stabilen Rapsgenom

Forscher der  Justus-Liebig-Universität Gießen werden in den kommenden drei Jahren nun untersuchen, wie die genetische Diversität in Raps gesteigert werden kann. Das Projekt „Wiederherstellung genomstabiler Rapsformen“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit insgesamt rund 563.000 Euro gefördert.

Mit Kohl und Rübsen zum Raps

Bisher wurden neue, synthetische Rapsformen aus den Vorgängerarten Rübsen (Brassica rapa) und Kohl (Brassica oleracea) gezüchtet. Diese neuen Hybriden haben dieselbe chromosomale Zusammensetzung wie Brassica napus und eine erhöhte genetische Diversität. Das Problem: Die Genome der synthetischer Arten sind jedoch aufgrund einer gestörten Kontrolle der Zellteilung in den Keimzellen instabil. Die Pflanzen bilden daher nur wenige Samen - für die Züchtung ein echtes Manko. Der Grund für die genomische Instabilität der Raps-Hybriden ist allerdings unklar.

Ausgangskreuzungen mit verschiedenen Eltern

Ein Team um die Gießener Forscherin Annaliese Mason hat zwei Wege im Visier, um die Instabilität der neuen Raps-Hybriden zu erkunden. Zum einen wird untersucht, ob sich stabilere Rapsformen erzeugen lassen, wenn aus der sehr vielfältigen Kohlfamilie ganz unterschiedliche Eltern für die Ausgangskreuzungen verwendet werden. Andererseits sucht Masons Team nach den Schlüsselmutationen, die die erhöhte genomische Stabilität beim heutigen Raps verursacht haben könnten. Rund 300 verschiedene Rapslinien aus extrem unterschiedlichen Ausgangskreuzungen sollen dafür hochauflösenden Genomanalysen unterzogen werden. Durch die Erfassung der Fruchtbarkeit und des Verhaltens der Chromosomen hoffen die Forscher, Linien mit einem stabilen Erscheinungsbild zu identifizieren und zukünftig für mehr genetische Vielfalt in Raps sorgen.

bb

Sauberes Wasser ist der Grundstein für unsere Gesundheit und für eine gesunde Umwelt. Allerdings überschreiten Mikroschadstoffe in vielen Gewässern die gesetzlich vorgegebenen Umweltqualitätsnormen. Weltweit sind 50 Millionen organische Verbindungen im Wasser im Umlauf, von denen 5000 als potenziell umweltrelevant eingestuft werden. Mikroschadstoffe sind Verunreinigungen in Grund- und Trinkwasser, die sowohl durch die Entwässerung von Wohngebieten, bei denen häufig Arzneimittelrückstände oder Kosmetika mitgeführt werden, als auch durch industrielle Betriebe oder der Landwirtschaft verursacht werden.

Aktivkohle filtert organische Substanzen

Besonders die Verunreinigung mit „Mikroplastik“ aus Reinigungsmitteln hat in den letzten Jahren extrem zugenommen. Diese können auch von kleinen Lebewesen aufgenommen werden und gelangen so in die Nahrungskette. Obwohl sie nur in geringen Konzentrationen von Nano- bis wenigen Mikrogramm pro Liter vorliegen, sind Mikroschadstoffe oft toxisch. Sie sind außerdem schwer abbaubar. Um die Substanzen zu entfernen, werden in Kläranlagen häufig Aktivkohlefilter eingesetzt, die die organischen Stoffe an ihrer Oberfläche binden. Die Aktivkohle wird aus dem fossilen Rohstoff Steinkohle gewonnen, anschließend entweder entsorgt oder in zentralen Verbrennungsanlagen regeneriert. Die Regeneration ist allerdings sowohl logistisch als auch energetisch sehr aufwendig.

Kokusnuss-Schalen als nachwachsende Ressource

Vor diesem Hintergrund möchte das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT unter der Projektleitung des Wupperverbands gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung im Verbundprojekt „ZeroTrace“ Aktivkohlen entwickeln, die aus regenerativen Rohstoffen wie Kokosnussschalen hergestellt werden. Mit einer Laufzeit von drei Jahren ist das Projekt am 1. Februar gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Außerdem sollen im Rahmen von „ZeroTrace“ auch die Regenerationsverfahren für kommunale und industrielle Kläranlagen optimiert werden. Ilka Gehrke, Abteilungsleiterin Photonik und Umwelt bei Fraunhofer UMSICHT, fasst die Pläne zusammen: „Die Aktivkohle soll effizient regenerierbar sein, sowie möglichst viele Arten von Mikroschadstoffen entfernen.“

Effiziente Regeneration der Aktivkohle

Auf dem Weg dorthin steht zunächst die Entwicklung von Aktivkohle als Komposit – also als Verbundstoff – an. In einem nächsten Schritt wird dieses dann von der Bundesanstalt für Materialprüfung und -forschung modifiziert, bevor es zuletzt von EVERS Wassertechnik und Anthrazitveredlung für die spätere Anwendung konfektioniert wird.

Gemeinsam mit dem Wasseraufbereitungsunternehmen EnviroChemie wird das Fraunhofer UMSICHT außerdem ein Verfahren auf Basis von „Electric Field Swing Adsorption“ (EFSA) entwickeln, mit dem sich Aktivkohlen vor Ort regenerieren lassen, statt sie aufwendig zu einer zentralen Verbrennungsanlage fahren zu müssen.

Um die Wärme zum Ausbrennen der Aktivkohle zukünftig elektrisch erzeugen zu können, werden den Aktivkohlen elektrisch leitende Materialien wie Graphit zugegeben. Denn je elektrisch leitfähiger die Aktivkohle ist, desto besser erwärmt sie sich und desto vollständiger werden die Mikroschadstoffe in der Regeneration wieder abgelöst. Der gesamte Prozess soll schließlich von EnviroChemie anlagentechnisch umgesetzt und auf zwei Kläranlagen des Wupperverbands unter realen Bedingungen demonstriert werden.

Ressourcen schonen für die Zukunft

Auch wenn sich die beteiligten Fachleute einig sind, dass Aktivkohle langfristig in der Mikroschadstoff-Eliminierung nicht ersetzbar ist, so ist es doch um so wichtiger, dass der Anteil an Steinkohle minimiert, und seine Regeneration effizienter wird.

Da in Deutschland voraussichtlich eine vierte Klärstufe eingeführt werden soll, müssen in den nächsten Jahren ohnehin weit über hundert Kläranlagen und Wasserwerke mit einer Adsorptionsstufe ausgerüstet werden. „Wir erhoffen uns vom Projekt einen Erkenntnisgewinn zur Herstellung von Komposit-Aktivkohle aus nachwachsenden Rohstoffen“, so Gehrke.

jmr

Clean water is the basis for our own health as well as a healthy environment. Unfortunately in many waters micro pollutants exceed the legal limits and environmental guidelines. On a global scale approximately 50 million organic compounds are circulating in the waters, 5000 of which are potentially hazardous for the environment. Micro pollutants are contaminations in the ground- and drinking water that are caused either through the drainage of residential areas, which often brings pharmaceutical waste or cosmetics with it, or because of industrial and agricultural waste.

Activated charcoal filters organic compounds

In particular the contamination with micro pollutants from detergents has increased a lot over the past few years. Micro pollutants can be taken up by small animals and thus become part of the food chain. Although their concentration ranges only from nano- to microgram per liter, micro pollutants are often toxic. They are also very persistent and especially difficult to filter. Water sewage treatment plants commonly use carbon filters consisting of activated charcoal to remove the micro pollutants from the water. Activated charcoal however is generated from fossil mineral coal, which is either discarded after use or regenerated in central incinerators. Unfortunately, the regeneration of activated charcoal is both logistically and energetically very laborious.

Developing filters consisiting of renewable resources

With this in mind, the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT in cooperation with partners in research and industry and headed by the Wupperverband, started a new research cooperation called “ZeroTrace”. The project, which began on February 1 and is supported by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) for three years, aims to develop activated charcoal filters that consist of renewable resources like coconut shells.

Moreover, part of “ZeroTrace” will be to improve the regeneration process of local and industrial sewage plants. Ilka Gehrke, head of the department for Photonics and Environment at the Fraunhofer UMSICHT is summarizing the goals: “The activated charcoal should be efficiently regenerated, while also removing multiple types of micro pollutants.”

Efficient regeneration of activated charcoal

Towards that end the first step will be the development of activated charcoal as a composite compound. In a next step the Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) will modify the new compound before it will be adjusted once more for its final application and fabricated by EVERS Water Technologies and Filter Materials.

Additionally the Fraunhofer UMSICHT in conjunction with EnviroChemie – an expert for water technologies – will develop a mechanism based upon „Electric Field Swing Adsorption“ (EFSA) in order to enable the local and efficient regeneration of the activated charcoal.

Part of the regeneration process is to heat up the activated charcoal to remove the pollutants – the hotter the charcoal gets, the more micro pollutants will become detached during the regeneration process. The more conductive the activated charcoal is, the more heat can be generated. In order to generate the required heat electrically, conductive materials like graphite are added to the charcoal.

In its final stages the whole procedure will be realized by EnviroChemie and demonstrated under real-life conditions at two sewage plantations of the Wupperverband.

Renewable resources for the future

Given the fact that experts agree that activated charcoal will have to remain part of the elimination process of micro pollutants for the foreseeable future, it is even more important to reduce the amount of fossil mineral coal that is currently being used and to increase its regeneration efficiency. In all likelihood Germany will establish a fourth purification stage for the sewage plants in the near future. This also means that more than one hundred sewage plants will have to be modified with an adsorption step. “We hope to learn from this project how to manufacture composite activated charcoal from renewable resources”, concludes Gehrke.

jmr

Für eine gesunde und ausgewogene Ernährung für Mensch und Tier sind Omega-3-Fettsäuren unabdingbar. Diese speziellen Fettsäuren sind eine Familie mehrfach ungesättigter Fette, zu denen auch Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA) gehören. Da sie nicht vom Körper selbst produziert werden können, müssen Omega-3-Fettsäuren mit der Nahrung oder über Nahrungsergänzungsmittel aufgenommen werden. Zahlreiche Studien zeigen, dass ausreichende Mengen der Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA die Gesundheit von Gehirn, Augen und Herz vieler Lebewesen unterstützen. In der Forschung gibt es darüber hinaus Hinweise, dass besonders EPA und DHA den Triglycerid-Spiegel (Lipide) im Blut senken und positive Auswirkungen auf die Funktion der Arterien haben. Zahlreiche Gesundheitsbehörden empfehlen, zweimal pro Woche Fisch oder Meeresfrüchte zu essen, wodurch beispielsweise das Herzinfarktrisiko erheblich gesenkt werden kann.

Ein deutsch-niederländisches Duo

Nun haben der niederländische Konzern Royal DSM und der deutsche Spezialchemiekonzern Evonik ein Joint Venture für die Omega-3-Fettsäureproduktion aus Meeresalgen gegründet. Durch diese Innovation können erstmals Omega-3-Fettsäuren für die Tierernährung ohne Fischöl aus gefangenem Wildfisch hergestellt werden. Royal DSM ist ein global tätiges wissenschaftsbasiertes Unternehmen in den Bereichen Gesundheit, Nahrung und Werkstoffe. Die Gründung des Gemeinschaftsunternehmens, das den Namen „Veramaris“ tragen und seinen Hauptsitz in den Niederlanden haben wird, steht unter dem Vorbehalt behördlicher Genehmigungen, so die beiden Firmen bei der Bekanntgabe der Partnerschaft Anfang März. Mit den Algen als alternative Omega-3-Quelle sowie als EPA und DHA Lieferant zielen Evonik und DSM vor allem auf Anwendungen in Lachs-Aquakulturen sowie im Haustierfutter ab.

Produktion in den USA bereits angelaufen

Das Joint Venture soll zukünftig eine Produktionsanlage im kommerziellen Maßstab in den USA betreiben. Gebaut wird sie an einem Standort von Evonik. Geplanter Produktionsstart ist 2019. Die Veramaris-Partner planen, in die Anlage etwa 200 Mio. US-Dollar zu investieren (100 Mio. US-Dollar von jeder der Parteien über einen Zeitraum von zwei Jahren). Erste Chargen des Algenöls, die am DSM-Produktionsstandort in Kingstree in den USA hergestellt wurden, sind bereits kommerziell erhältlich.

Die jährliche Produktionskapazität wird anfangs etwa 15% der aktuellen Jahresnachfrage der gesamten Lachszuchtindustrie nach den beiden Omega 3-Fettsäuren decken. Neben Lachsaquakulturen sollen sie aber auch in Haustierfutter Verwendung finden.

„Das hochkonzentrierte Algenöl von Evonik und DSM ist eine hochwertige und reine Quelle an EPA und DHA, die die Tierernährungsindustrie in die Lage versetzt, die steigende Nachfrage nach diesen beiden essentiellen Omega 3-Fettsäuren zu decken, ohne dabei Fischbestände zu gefährden“, so Evonik und DSM in einer Stellungnahme. Das „Fish-in-fish-out“-Verhältnis könne so in Zukunft erheblich gesenkt werden, und die Aquakulturindustrie damit weiter nachhaltig wachsen.

jmr

Humans and animals require omega-3 fatty acids for a healthy and well-balanced nutrition. These essential fatty acids consist of a family of polyunsaturated fats that also include eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA). Since the body can’t produce them, omega-3 fatty acids have to be taken up through the diet or diet supplements. Many studies have shown that sufficient levels of omega-3 EPA and DHA support brain, eye, and heart health in multiple species, including humans. Moreover, research also suggests that omega-3 EPA and DHA may lower triglyceride levels (lipids) in the blood and have positive effects on arterial function. According to several health care officials fish and sea food should be part of our diet at least twice per week. This could reduce the risk of myocardial infarctions (i.e. heart attack) dramatically.

A German – Dutch joint venture

The Dutch company Royal DSM and the German expert for specialty chemicals Evonik Industries have announced their plans for a joint venture to produce omega-3 fatty acids from marine algae. This breakthrough innovation will enable the production of omega-3 fatty acids for animal nutrition without using fish oil from wild caught fish. Royal DSM is a global science-based company active in health, nutrition and materials. The joint venture, to be named “Veramaris“ and headquartered in The Netherlands, will be finally realized subject to regulatory approvals and other customary closing conditions. The use of algae as an alternative source for omega-3 fatty acids as well as EPA and DHA is predominantly aimed at salmon farming as well as the market and production of pet food.

A new production facility in the US

Together the companies will build a commercial-scale production facility in the United States at an existing site of Evonik and it is expected to be fully functioning in 2019. The joint venture plans to invest around US$200 million into the facility (US$100 million by each party over circa 2 years). The first, pilot-scale quantities of the algal oil produced at DSM’s facility in Kingstree in the US are already commercially available.

The initial annual production capacity will meet roughly 15% of the total current annual demand for EPA and DHA by the salmon aquaculture industry. Apart from the salmon farming industry also the pet food industry stands to benefit from the new algae-based production. Evonik’s and DSM’s highly concentrated algal oil will enable the animal nutrition industry to keep up with the increasing demand for these two essential omega-3 fatty acids without endangering fish stocks. This new joint venture will thus contribute to healthy animal nutrition as well as to the ecological balance and biodiversity of the oceans.

 

jmr

Ob Schiffsmaschinen, Traktoren oder Drohnen: Für Technik konnte sich Cornelia Weltzien seit jeher begeistern. Mechanik, Hydraulik oder Elektronik sind Felder, in denen sich die promovierte Landmaschinentechnikerin zu Hause fühlt. Als Tochter eines Immunbiologen wurde ihr die Neugier mit in die Wiege gelegt. Ob die Neigung zur Technik vom Großvater stammt, kann Weltzien nur vermuten. „Es war schon immer so. Ich habe die Fahrräder meiner Brüder repariert und nicht umgekehrt“.

Über Umwege zum Ziel

Seit Oktober 2015 leitet Cornelia Weltzien am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie in Potsdam die Abteilung Technik im Pflanzenbau sowie an der Technischen Universität Berlin das Fachgebiet Agromechatronik. Zur Agrartechnik kam die in den USA geborene und in Freiburg aufgewachsene Forscherin zwar über Umwege, aber dennoch zielgerichtet.

Nach einem Schnupperkurs in einem Zuchtbetrieb während der Schulzeit, der das Interesse der Forscherin für den Pflanzenbau weckte, ging sie mit 21 Jahren zunächst für zwei Jahre auf See. Hier schloss sie 1993 eine Lehre als Schiffsmechanikerin ab. „Auch hier galt mein Interesse vorwiegend der Technik. Aber ich wollte unbedingt auch die Welt bereisen. Diese Neugier war nach einem Jahr Honduras und einen halben Jahr USA noch nicht gestillt“. Dass sie der Schifffahrt danach den Rücken kehrte, lag Weltzien zufolge eher daran, dass sie doch keine „echte Wasserratte“ war und festen Boden unter den Füßen bevorzugte.

Die Technik in den Dienst der Natur stellen

Bis 1999 studierte Weltzien Landmaschinentechnik an der Fachhochschule Köln, arbeitete währenddessen für Agrartechnik-Unternehmen als Traktoren-Entwicklerin und saß hinterm Steuer, um die Prototypen zu testen. Nach einem Zusatzstudium zum Maschinenbau an der Technischen Universität Braunschweig promovierte sie 2008 am dortigen Institut für Landmaschinen und Fluidtechnik zum Thema Assistenzsysteme. „Ich habe immer die Technik in den Dienst der Natur gestellt. Das ist auch die Brücke, zwischen Seefahrt und Landmaschinentechnik. Man muss die Technik so gestalten, dass sie in dem natürlichen Raum funktioniert und nicht umgekehrt.“

Eine Brücke zwischen den Systemen schlagen

Ihre technische Neugier hat Weltzien zu einer wie sie sagt „Systemversteherin“ gemacht, die die Vielfalt der Möglichkeiten optimal nutzen will. „Ich habe versucht aus allen Gebieten das Wichtigste kennenzulernen, um in der Lage zu sein, zwischen Hydraulik, Elektrik, Mechanik und Informatik eine Brücke zu schlagen. Diese Komponenten zusammenzufügen und als System immer besser zu werden, sehe ich als einen Schwerpunkt meiner Arbeit.“

Mit Hightech Pflanzen und Böden vermessen

Die Entwicklung von Assistenzsystemen für die Landwirtschaft ist seit der Promotion ein Steckenpferd der Leibniz-Forscherin. Ihr Motto: Gute Assistenzsysteme sollten die Arbeit erleichtern, aber nicht komplett ersetzen. Hier sei der Mensch als Bediener auch weiterhin die „letzte Überwachungsinstanz“, betont Weltzien. Dieses Prinzip gilt auch beim Einsatz von Drohnen, die Weltzien in verschiedenen Forschungsprojekten nutzt. Ausgestattet mit hochsensiblen Kameras überfliegen die Hightech-Spione das Versuchsfeld und geben beispielsweise Auskunft über den Pflanzenzustand. Im Projekt „FungiDetect“ geht das Team um Weltzien gezielt Pflanzenkrankheiten wie dem Gelbrost auf den Grund. Hier werden sowohl Kamerabilder von Drohnen als auch Multispektrale Bildinformationen von Fahrzeugen mit Daten eines optoelektronischen Sensors, der unter der Blattoberfläche durchs Feld gezogen wird, kombiniert um den Pilzbefall zu erkennen. „Wir sehen darin eine ganz große Chance bei Pflanzenschutzmitteln – gerade bei Fungiziden – die ausgebrachte Menge drastisch zu reduzieren“, erklärt die Wahl-Berlinerin.

Im Rahmen des Verbundprojektes „Intelligence for Soil - I4S“ im BoNaRes Programm des BMBF  arbeitet Weltzien und ihr Team wiederum an einer Multi-Sensorplattform, die über den Acker gezogen wird, um aus der Analyse der verschiedensten Daten wichtige Parameter der Bodenfruchtbarkeit wie etwa pH-Wert, Nährstoffkonzentrationen und Wassergehalt im Boden zu ermitteln. „Zusätzlich setzen wir als Laborversuch in diesem Projekt erstmals die Terahertz -Spektroskopie ein. Unsere Hypothese ist, dass aus der charakteristischen Dämpfung der Terahertz -Wellen auf die physikalische Beschaffenheit des Bodens geschlossen werden kann. Die ersten Ergebnisse sind sehr vielversprechend, aber hier stehen wir noch am Anfang.“

Komplexe Systeme im Blick

Komplexe Systeme zu betrachten, sieht Weltzien als die Herausforderung der heutigen Zeit. Die Digitalisierung sei dabei ein neues Werkzeug, um die Komplexität auf einem höheren Niveau beherrschen zu können. Die Leibniz-Forscherin weiß aus Erfahrung, dass jegliche Technologie nur greift, wenn Landwirte davon überzeugt sind und den Nutzen erkennen. „Als wir die ersten Maschinen hatten, die Saatgut oder Düngemittel während der Ausbringung variabel dosieren konnten, dachten wir, ab morgen wird die ganze Welt Precision Farming machen. Aber es hat dann noch 20 Jahre gedauert bis es in der Breite angekommen ist.“

Wissenbasierte Landwirtschaft als Zukunftsvision

Dass Digitalisierung und Landwirtschaft Hand in Hand gehen, dafür will sich die Landmaschinentechnikerin auch weiterhin stark machen. Mithilfe moderner Technik will sie ihrer Vision von einer wissensbasierten Landwirtschaft auf die Sprünge helfen. „Ich denke, dass wir hier gerade dabei sind, einen großen Schritt nach vorn zu machen. Mithilfe der neuen digitalen Methoden können wir komplexe Systeme zusammenzufassen und den Landwirten so einen Zusatznutzen anbieten, ohne dass sie viel zusätzliche Arbeit reinstecken müssen.“

Autorin: Beatrix Boldt

From ship machinery to tractors and drones, Cornelia Weltzien has always considered herself an enthusiast of technology. Today, the graduate agricultural engineer feels most at home in the fields of mechanics, hydraulics or electronics. As the daughter of an immunobiologist, a sense of curiosity is part of the family tradition. Weltzien thinks she may have inherited her affinity for technology from her grandfather. “It was always like this. I was the one repairing my brothers’ bikes – not the other way round!”

Taking the long road

Since October 2015, Cornelia Weltzien has headed the Department of Agricultural Engineering at the Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy, as well as the Department of Agro-Mechatronics at the Technical University of Berlin. Born in the US and raised in Freiburg, the researcher took a somewhat indirect route to the field of agricultural engineering, but feels that her scientific life has always been strongly target-oriented.

During her school days, her interest in plant cultivation was kindled by a beginners’ course at a cultivation farm. But before her scientific life could begin in earnest, she headed out on the ocean waves for two years at the age of just 21, eventually graduating as a naval mechanic in 1993. “Here too, my interests were predominantly on the technology side of things. I also wanted to travel the world. After a year in Honduras and six months in the US, my wanderlust was still not quenched.” According to Weltzien, she turned her back on the nautical life because she was “not a tried-and-true water rat,” and preferred to have solid ground under her feet.

Placing technology in the service of nature

Weltzien studied agricultural engineering at the Technical University of Cologne until 1999, while also working as a tractor developer for agricultural technology companies, and even sat behind the wheel during the testing of prototypes. After a course in mechanical engineering at Braunschweig University of Technology, in 2008 she joined the Institute for Agricultural Machinery and Fluid Technology at the Institute for Fluid Dynamics. “I have always strived to place technology in the service of nature. This was also the bridge between the seas and agricultural engineering. Technologies should be designed to function in the natural space, and not vice versa.”

Building bridges between systems

Her technical curiosity has made Weltzien a “system whisperer” who wants to make the best possible use of the entire spectrum of possibilities. “I have tried to grasp the most important aspects of all disciplines, with the aim of bridging the gap between hydraulics, electrics, mechanics and computer science. As I see it, the focus of my work is on fitting these components together and continually improving the system as a whole.”

High-tech measurements of plants and soils

Since her post-doctoral fellowship, the pet projects of the Leibniz researcher have oriented around the development of agricultural assistance systems. Her motto throughout: Good assistance systems should facilitate – but not completely replace – the work. Here, the human as the operator is also the “concluding monitoring entity,” emphasises Weltzien. This principle also applies to the use of drones, which Weltzien has incorporated in a number of research projects. Equipped with highly sensitive cameras, the high-tech spies fly over fields and provide information, among others, on the condition of plants. In the ‘FungiDetect’ project, Weltzien and her team are specifically targeting plant diseases such as yellow rust. This involves combining camera drones and multi-spectral imaging techniques with optoelectronic sensor data that is gathered en masse from underneath the surfaces of the leaves, all of which is aimed at detecting the fungus infestation. “We see this as a huge opportunity for plant protection agents – in particular fungicides – towards a drastic reduction in sprayed quantities,” explains Weltzien, who describes herself today as a citizen of Berlin.

In the ‘Intelligence for Soil – I4S’ joint project, which is a part of the BoNaRes programme from the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), Weltzien and her team are working on a multi-sensor platform that is guided over fields and analyses important soil fertility parameters such as pH- value, nutrient concentrations and water content. “This project also includes the first use of terahertz spectroscopy, in this case as a laboratory test. Our hypothesis is that characteristic absorption of terahertz waves will allow us to draw conclusions on the physical composition of the soil. The first results have been extremely encouraging, but these are early days.”

An eye on complex systems

For Weltzien, today’s challenge lies in the consideration and understanding of complex systems. Here, digitisation represents a new tool for mastering complexity at even higher planes. The Leibniz researcher knows from experience that technology can only come into its own when farmers are convinced of and can recognise the benefits. “When we had the first machines that could dispense variable doses of seeds or fertilisers, we thought that the whole world would immediately take up precision farming. But it’s taken us 20 years to get that far.”

A vision of a knowledge-based agriculture

Today, the agricultural engineer continues to work towards this optimal intertwining of digitisation and agriculture. Aided by modern technology, she is hoping to kick-start her vision of a knowledge-based agriculture. “I think we are currently making a major step forward in this regard. Thanks to new digital methods, we can combine complex systems and provide farmers with genuine added value, without requiring a great deal of additional input on their side.”

Bei einer Impfung wird das Immunsystem auf das Auftauchen eines Erregers in der Zukunft trainiert: Strukturen an der Oberfläche der Eindringlinge trimmen die Körperabwehr darauf, bei künftigen Infektionen mit einer effektiven Immunantwort zu begegnen.

Für die Herstellung von Impfstoffe gegen bakterielle Erreger isolieren Pharmaforscher deshalb charakteristische Zuckermoleküle, die in der Hülle von Bakterien sitzen. Jedoch bietet eine Immunisierung durch diese sogenannten Kapselpolysaccharide nicht immer einen vollständigen Schutz vor Infektionen. Denn die Gemische sind nicht gegen alle Subtypen der Bakterien wirksam. Außerdem ist ihre Herstellung teuer und aufwendig, da bei der Isolation der Oberflächenzucker oftmals Verunreinigungen durch Rückstände und veränderte Zuckermoleküle entstehen.

Synthetische Zuckermoleküle als Impfstoff

Eine äußerst vielversprechende Alternative bieten synthetische Zuckermoleküle, die den Oberflächenmolekülen der Bakterien nachempfunden sind. Ein Spezialist für die synthetische Herstellung komplexer Zuckermoleküle, sogenannter Glykane, ist Peter Seeberger, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm.

Unter seiner Leitung hat ein internationales Forscherteam von der Freien Universität Berlin, der Berliner Charité und des Albert Einstein College of Medicine in New York jetzt in einer Reihe von Experimenten die für den Impfschutz gegen das Pneumokokken-Bakterium Streptococcus pneumoniae relevanten Oberflächenmoleküle identifiziert. Die Forscher berichten darüber im Fachjournal „Science Translational Medicine“.

„Synthetische Impfstoffe bedeuten einen Paradigmenwechsel innerhalb der Impfstoffforschung. Sie sind präziser, effektiver und einfacher herzustellen als konventionelle Impfstoffe.“ Seeberger und sein Team konnten bereits Kandidaten-Impfstoffe gegen Malaria, Tuberkulose und andere Erreger synthetisieren. Die Herstellung synthetischer Zuckermoleküle im Labor ist zwar deutlich einfacher als die Isolation konventioneller Impfstoffe aus Bakterien, um sie zu entwickeln, müssen die Forscher jedoch genau wissen, welcher Bestandteil der Bakterienhülle die Immunität gegen den Erreger tatsächlich auslöst.

Ein Dreifachzucker gegen Pneumokokken

Das Pneumokokken-Bakterium vom Serotyp 8, kurz ST8, ist hochvirulent, oftmals antibiotikaresistent, und kann gefährliche Lungen- und Hirnhautentzündungen verursachen. „Die Herstellung konventioneller Impfstoffe gegen ST8 ist schwierig, weshalb die Entwicklung eines synthetischen Impfstoffs einen enormen medizinischen Fortschritt bedeuten würde“, erklärt Seeberger. Die Chemiker fanden sie heraus, dass ein Molekül aus drei bestimmten aneinandergereihten Zuckern bereits ausreicht, um das Immunsystem zur Bildung von Antikörpern gegen das Bakterium anzuregen. Die Wissenschaftler konnten außerdem zeigen, wie sich künftig maßgeschneiderte Impfstoffe einer neuen Generation entwickeln lassen.

Schritt für Schritt zur Immunisierung

Um den Syntheseaufwand für den Impfstoff möglichst gering zu halten, suchten die Forscher in einem ersten Schritt den kleinstmöglichen Zucker, der eine Immunisierung auslöst.  

Zu diesem Zweck bildeten die Wissenschaftler mithilfe eines automatisierten Synthese-Verfahrens zunächst eine Reihe unterschiedlicher Zuckermoleküle, die den verschiedenen Teilen des Kapselsaccharids auf dem ST8-Bakterium entsprechen, nach. In einem zweiten Schritt testeten sie, welche dieser Zuckermoleküle von Antikörpern erkannt werden, die auch gegen das ST8 Bakterium wirksam sind. Denn diese Moleküle könnten auch eine Schutzwirkung gegen die Pneumokokken auslösen. Um genau diese Wirkung zu testen, wurden Mäuse mit den Molekülen injiziert. Die Versuche zeigten dass die Tiere, die eine bestimmte Zuckerkombination erhielten, tatsächlich wirksame Antikörper gegen die echten, aus ST8-Bakterien isolierten Kapselpolysaccharide bildeten.

Von Mäusen zu Menschen

Um herauszufinden, welcher spezielle Teil des Kapselsaccharids dafür sorgt, dass das Immunsystem wirksame Antikörper bildet, analysierten die Forscher das Bindungsverhalten der Antikörper genauer. So zeigten sie letztlich, dass ein Dreifachzucker aus zwei Glucose- und einem Galactosemolekül die schützende Immunantwort vermittelt. Benachbarte Bereiche des Kapselsaccharids bewirkten dagegen keine schützende Immunantwort.

Die Wissenschaftler haben den synthetischen Zuckerimpfstoff zu dem gängigen Pneumokokken-Impfstoff Prevnar 13 hinzugefügt, und dadurch erreicht, dass sich dessen Wirkungsspektrum von 13 auf 14 Serotypen ausgeweitet hat – die geimpften Tiere waren jetzt zusätzlich auch gegen den gefährlichen ST8-Erreger immun.Die Forscher planen, den Impfstoff zusammen mit der Vaxxilon AG für die Anwendung am Menschen weiterzuentwickeln.

jmr

A vaccination is training the immune system to be able to fight the pathogens in the future. Distinct surface structures on the germs are teaching the body’s defense system the corresponding immune responses for future infections.

In order to generate vaccines against bacterial pathogens, researchers isolate the characteristic sugar molecules on the surface of bacteria. Unfortunately, the immunization with these isolated capsular polysaccharides does not always and reliably protect against the actual infection, because the mixtures are not effective against all subtypes of the bacteria. Moreover, since the surface sugar is often contaminated with other sugar molecules, the production of the polysaccharide-mixtures is expensive and laborious.

A vaccine consisting of synthetic sugar molecules

A very promising alternative provide synthetic sugar molecules that are modeled after the surface molecules of the bacteria. An expert in the field of synthesizing complex sugar molecules is Peter Seeberger, director of the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam-Golm. Together with an international team of scientists from the Freie Universität Berlin, the Charité in Berlin, and the Albert Einstein College of Medicine in New York he identified the surface molecules of the pneumococcal strain ST8 that are necessary to synthesize the vaccine. The results are published in the journal Science Translational Medicine.

"Synthetic carbohydrate vaccines represent a paradigm shift within vaccine research. They are more precise, effective, and easier to manufacture than conventional vaccines."

Seeberger and his colleagues already managed to synthesize candidate vaccines against malaria, tuberculosis, and other pathogens. Although the preparation of these vaccines is much simpler than the isolation of conventional vaccines from bacteria, the researchers still need to identify exactly which component of the bacterial envelope in fact induces immunity to the pathogen.

A sugar-trimer to protect against pneumococci

The bacterium Streptococcus pneumoniae of the serotype 8, short ST8 is highly virulent, often antibiotic-resistant, and causes severe pulmonary and inflammatory infections. “The production of conventional vaccines against ST8 is difficult," explains Seeberger, "therefore, the development of a synthetic vaccine would be an enormous medical advance." The researchers identified a molecule consisting of three adjoined sugars, which is sufficient to stimulate the immune system to produce antibodies against the pathogen. Furthermore, the team was able to illustrate how a new generation of tailor-made vaccines of can be developed.

Step by step towards immunization

In order to minimize the synthesis effort for the vaccine in a first step the researchers identified the smallest possible sugar for immunization. To this end an automated synthesis method developed by Peter Seeberger and his colleagues was used to produce a series of different sugar molecules that correspond to different parts of the capsular saccharide on the ST8 bacterium. In a second step they tested which sugar molecules are recognized by antibodies that are also active against ST8 – because exactly those antibodies could trigger a protective action against the pathogen in vivo. In order to test this hypothesis, the mice were injected with the molecules. In fact, animals that received a particular sugar combination produced antibodies that were effective against the genuine capsule polysaccharides isolated from ST8 bacteria.

Of mice and men

In order to find out which part of the capsular saccharide induces the effective antibodies, the researchers analyzed the binding behavior of the antibodies in more detail. They could show that the protective immune response is mediated by a triple sugar containing two glucose and one galactose molecule.

An addition of the synthetic sugar molecule to the current pneumococcal vaccine Prevnar 13 expanded the protection in vaccinated animals from 13 to 14 serotypes including the dangerous ST8 pathogen.

Together with Vaxxilon AG the researchers now aim to develop a vaccine for humans.

jmr

Ob Schmerzmittel oder Beta-Blocker: Die Zahl der Arzneimittel-Wirkstoffe, die über das Abwasser in Kläranlagen gelangen, nimmt stetig zu. Experten sprechen von einem regelrechten Medikamenten-Cocktail, denen die Lebewesen in Gewässern ausgesetzt sind. Sie warnen davor, dass schon geringe Mengen eines Schmerzmittels genügen, um die Gesundheit von Fischen zu gefährden. Die Menge der Arzneimittel in Gewässern zu bestimmen und deren schädliche Wirkung abzuschätzen, stellte bisher Ökotoxikologen und Umweltchemiker gleichfalls vor große Herausforderungen.

Fluoreszenzsignal leuchtet auf

Unter Federführung der Universität Tübingen haben Biologen und Chemiker nun ein Messinstrument entwickelt, dass Rückstände von Arzneimitteln in Gewässern zuverlässiger als bisher erkennt. Wie das Team im Fachjournal „Water Research“ berichtet, handelt es sich dabei um neue Biosensoren, die konkret zwei pharmazeutische Wirkstoffe, Beta-Blocker und Nicht-steroidale Entzündungshemmer (NSAIDs), selbst bei geringer Konzentration in sekundenschnelle aufspüren. Das Prinzip: Ein Fluoreszenzsignal erscheint, sobald die Biosensor-Zelllinien in Kontakt mit den Wirkstoffen kommen. Das geschieht innerhalb von nur wenigen Sekunden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren wird die Wirkung von Chemikalien in der Zelle hier in Echtzeit sichtbar. Der Studie zufolge liegt die Sensitivität im Nanomolarbereich (ein Millionstel Promille) und ist vergleichbar mit der chemischen Analytik. Das Testsystem wurde im Rahmen des Verbundprojektes „EffPharm“ entwickelt und vom Bundesumweltministerium gefördert.

Messsystem für Kläranlagen geeignet

„Es wäre wünschenswert, dass die hier entwickelte Technik künftig in Monitoring-Programmen zur Bestimmung von Wasserqualität und Reinigungsleistung von Kläranlagen eingesetzt wird. Damit wäre eine wichtige Lücke in der Plausibilitätskette zwischen dem Auftreten von Arzneimitteln in Gewässern und den bei betroffenen Organismen auftretenden Gesundheitsschäden geschlossen“, sagt die Tübinger Ökotoxikologin Rita Triebskorn, die das Projekt koordinierte.

Empfindliche Messsysteme

Für die Entwicklung der Biosensoren war eine Arbeitsgruppe um Manfred Frey vom Steinbeis-Innovationszentrum Zellkulturtechnik an der Hochschule Mannheim zuständig. Tübinger Forscher um Triebskorn wiesen nach, dass die neuartigen Biosensoren selbst bei geringster Konzentration reagierten. Forscher am Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe konnten wiederum zeigen, dass die neuen Biosensoren sogar Wirkung von Abbauprodukten der Wirkstoffe sowie weitere bisher unbekannten Verbindungen aufspüren, die für die ökologische Bedeutung der Umweltbelastungen entscheidend sind. Die Biosensoren können bereits jetzt die Wirkung künftiger Beta-Blocker oder NSAIDs aufzeigen, obwohl deren chemische Struktur noch gar nicht bekannt ist.

bb

Kurzkettige Fettsäuren sind wichtige Bestandteile in Kosmetika oder Arzneimittel, sie stecken in antimikrobiellen Substanzen, Aromastoffen, Treibstoffen und Seifen. Bisher müssen sie aufwendig aus Pflanzen wie Kokusnuss oder chemisch aus Erdöl extrahiert werden. Biotechnologen um Martin Grininger von der Goethe-Universität Frankfurt fanden nun eine Möglichkeit, diese wertvollen Substanzen einfacher und nachhaltiger herzustellen: In Hefen, die mit eigens entwickelten Designer-Enzymen ausgestattet wurden. Nun lassen sich die Fettsäuren einfach und in großen Mengen aus Zucker oder zuckerhaltigen Abfällen in einem dem Bierbrauen ähnlichen Prozess herstellen. Die Forscher berichten in den Fachjournalen Nature Chemical Biology und Nature Communications über ihre Hefen.

Natürlich erzeugte Fettsäuren sind langkettig

Die von Pflanzen und Tieren produzierten Fettsäuren bestehen zu einem großen Anteil aus Ketten von 18 Kohlenstoffatomen. Sie sind also länger als die gewünschten kurzkettigen Verbindungen. In lebenden Zellen stellen große Proteinkomplexe, die Fettsäuresynthasen, Fettsäuren her. Dabei fügen sie 9 Bausteine aus jeweils 2 Kohlenstoffatomen in einem Prozess aus 8 Zyklen zusammen.

Griningers Team war an der Aufklärung des Schlüsselenzyms der Fettsäure-Erzeugung beteiligt und konnte die 3D-Struktur der Fettsäuresynthase aufklären: Es handelt sich um ein großes, aus zwei Polypetidketten bestehendes Protein mit sieben katalytischen Zentren. Dabei sind die Forscher auf ein interessantes Phänomen gestoßen: „Wir haben zunächst untersucht, wie die Fettsäuresynthase Zyklen zählt, um zu entscheiden, wann die Kette fertig ist. Gefunden haben wir eine Art Lineal, das die Länge der Fettsäure misst“, erklärt Grininger.

Rinder und Schafe setzen beim Verdauen das klimaschädliche Treibhausgas Methan frei. Diese unerwünschten Nebenwirkungen der Viehzucht sind seit Langem bekannt. Forscher arbeiten daher mit Hochruck an neuen Futtermitteln, um den Methan-Ausstoß der Tiere zu drosseln. Nun haben Wissenschaftler unerwartet einen neuen Klimasünder enttarnt: die Büschelmücke Chaoborus spp. Die Larven der im Wasser siedelnden Fliegen sollen ebenfalls das Klimagas Methan ausstoßen und so die Erderwärmung beschleunigen, wie Forscher im Fachjournal „Scientific Reports“ berichten. Im Rahmen der Studie hatten Wissenschaftler vom Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), der Universität Potsdam sowie der Universität Genf (UNIGE) und der Swansea University den Mechanismus der Methanfreisetzung der Mückenlarven genauer untersucht.

Mückenlarven bevorzugen schutzige Gewässer

Diese Mücken sind weltweit zu Hause und fühlen sich besonders in schmutzigen und nährstoffreichen Gewässern wohl. Ihre Larven können bis zu zwei Jahre unter Wasser leben. Während sie tagsüber das Sediment als Versteck vor Fraßfeinen nutzen, schweben sie nachts zum Fressen an die Wasseroberfläche. „Dies funktioniert jedoch nur bis zu einer Tiefe von etwa 70 Metern. Dann wird der Wasserdruck zu groß für die Larven, um ihre Gaspolster zu füllen“, erklärt Mitautor Hans-Peter Grossart vom IGB.

Sediment-Gas sorgt für Auftrieb der Larven

Bekannt ist, dass Methan in großen Mengen in den Sedimenten am Gewässergrund vorkommt. Etwa 20 % aller Methan-Emissionen stammen den Experten zufolge aus Binnengewässern. Das meiste Gas bleibt aber im Sediment gespeichert. Die Forscher vermuteten daher, dass die Mückenlarven das Methan zum Aufstieg nutzen, in dem sie ihre „Gassäckchen" damit befüllen und so dem hohen Wasserdruck trotzen. In der am IGB in Neuglobsow durchgeführten Studie konnte das Forscherteam diese Taktik bestätigen.

Wasserqualität verbessern

„Dafür setzten wir die Larven in ein Gefäß mit Wasser, das wir zuvor mit Methan angereichert hatten. Anschließend überführten wir sie in methanarmes Wasser“, erklärt Daniel McGinnis von der Universität Genf. Das Ergebnis: Der Methangehalt des Wassers stieg parallel zur Anzahl der Larven an. Mithilfe der Larven wurde das Gas aus dem Sediment freigesetzt und anschließend in der gesamten Wassersäule einschließlich der Oberfläche verteilt und von dort sogar in die Atmosphäre abgegeben. Die Forscher sind daher überzeugt, dass die Buschelmücken die globale Erderwärmung fördern. Um den Methan-Ausstoß der winzigen Klimasünder zu begrenzen, sollten den Forschern zufolge die Anstrengungen bei der Verbesserung der Wasserqualität verstärkt und der Nährstoffeinträge durch Landwirtschaft und Abwässer reduziert werden.

bb