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Im Boden leben unzählige Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Algen. Diese unsichtbaren Kleinstlebewesen bilden Lebensgemeinschaften in unterschiedlichster Form und sorgen so für einen reibungslosen Nährstoffkreislauf und damit für fruchtbare Böden und Pflanzenwachstum. Wie diese Mikroorganismen zusammenarbeiten und welche Faktoren das Wachstum fördern oder hemmen, wird seit Jahren an der Friedrich-Schiller-Universität Jena erforscht. In der Fachzeitschrift „PNAS“ berichten die Forschenden nun, wie Algen und Bakterien interagieren und welchen Beitrag die mikrobielle Lebensgemeinschaft zum Klimaschutz leistet.

Helferbakterium neutralisiert Giftstoffe feindlicher Bakterien

Im Rahmen der Studie fand ein Team ein Bakterium, das mit der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii eine Lebensgemeinschaft bildet, von der beide Seiten profitieren. Dabei handelt es sich um das Bakterium Mycetocola lacteus. „Während das Bakterium bestimmte überlebenswichtige B-Vitamine und eine schwefelhaltige Aminosäure erhält, wird das Wachstum der Grünalge optimiert. Zudem schützen das Helferbakterium Mycetocola lacteus und eine verwandte Bakterienart die Alge gemeinsam vor schädlichen Angriffen anderer Bakterien, indem sie einen Giftstoff dieser feindlichen Bakterien durch Spaltung inaktivieren“, sagt Maria Mittag, Professorin für Allgemeine Botanik an der Universität Jena und korrespondierende Autorin der neuen Studie.

Nur gesunde Algen binden CO₂

Die Symbiose mit den Bakterien sichert der Grünalge demnach das Überleben, weil Giftstoffe anderer Bakterien neutralisiert werden. Mikroorganismen leben aber nicht nur im Boden, sondern auch in Süßwasser und Ozeanen. Da Algen Kohlendioxid (CO₂) in Sauerstoff verwandeln, ist ihr Überleben für den Erhalt des CO₂-Kreislaufs auf der Erde und damit für das Klima essenziell. „Neben Landpflanzen produzieren Algen und Cyanobakterien einen großen Teil des Sauerstoffs und binden etwa die Hälfte des Kohlendioxids in der Atmosphäre durch Photosynthese. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag für das Leben auf der Erde.“ Doch nur gesunde Algen können Kohlendioxid gut aufnehmen und binden, sagt Mittag. Deshalb sei es wichtig zu wissen, welche Bakterien den Algen helfen, stark zu bleiben und gleichzeitig die Wirkung der schädlichen Bakterien zu neutralisieren.

Mit der Studie liefert das Forschungsteam den Beweis, dass diese Bakterien und Mikroalgen auch in ihrer natürlichen Umgebung zusammenleben. An der Studie waren zudem Forschende des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ und des Sonderforschungsbereichs „ChemBioSys“ der Universität Jena beteiligt.

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Soil is home to countless microorganisms such as bacteria, fungi and algae. These invisible microorganisms form communities in a wide variety of ways, ensuring a smooth nutrient cycle and thus fertile soil and plant growth. How these microorganisms work together and which factors promote or inhibit growth has been the subject of research at Friedrich Schiller University Jena for many years. In the scientific journal "PNAS", the researchers now report on how algae and bacteria interact and what contribution the microbial community makes to climate protection.

Helper bacterium neutralises toxins from hostile bacteria

As part of the study, a team found a bacterium that forms a symbiotic community with the green algae Chlamydomonas reinhardtii, from which both sides benefit. The bacterium in question is Mycetocola lacteus. "While the bacterium receives certain essential B vitamins and a sulphur-containing amino acid, the growth of the green algae is optimised. In addition, the helper bacterium Mycetocola lacteus and a related bacterial species jointly protect the algae from harmful attacks by other bacteria by inactivating a toxin of these hostile bacteria through cleavage," says Maria Mittag, Professor of General Botany at the University of Jena and corresponding author of the new study.

Only healthy algae bind CO₂

The symbiosis with the bacteria therefore ensures the survival of the green algae because toxins from other bacteria are neutralised. However, microorganisms do not only live in the soil, but also in fresh water and oceans. As algae convert carbon dioxide (CO₂) into oxygen, their survival is essential for maintaining the CO₂ cycle on Earth and therefore for the climate. "Alongside land plants, algae and cyanobacteria produce a large proportion of oxygen and bind around half of the carbon dioxide in the atmosphere through photosynthesis. They therefore make an important contribution to life on Earth." But only healthy algae can absorb and bind carbon dioxide well, says Mittag. It is therefore important to know which bacteria help the algae to remain strong and at the same time neutralise the effect of harmful bacteria.

With the study, the research team provides evidence that these bacteria and microalgae also live together in their natural environment. Researchers from the Cluster of Excellence "Balance of the Microverse" and the Collaborative Research Centre "ChemBioSys" at the University of Jena were also involved in the study.

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Die Bundesregierung will die Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2030 um 65 % reduzieren. Damit das gelingt, soll der Ausstoß von Klimagasen wie Kohlendioxid (CO₂) nicht nur deutlich gemindert werden. Auch die Nutzung von CO₂ als Rohstoff spielt dabei eine wichtige Rolle und könnte die Herstellung zahlreicher Produkte wie Arzneimittel, Kunststoffe oder Chemikalien nachhaltiger machen.

Sie alle enthalten Kohlenstoff, der bislang überwiegend aus Erdöl oder Erdgas stammt. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität München haben nun eine neue Technologie entwickelt, um mithilfe von Bakterien und Solarstrom wichtige Chemikalien effizient und auf nachhaltige Weise aus CO₂ zu gewinnen.

Mit Bakterien CO₂ in Chemikalien umwandeln

Zum Einsatz kamen biokatalytische Verfahren, die das Potenzial haben, Kohlendioxid zu binden und in Chemikalien umzuwandeln. „Unsere Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltige und dezentrale Produktion von CO₂-basierten Chemikalien. Sie zeigen das Potenzial der Kombination von biologischen und elektrokatalytischen Prozessen“, erläutert Tim-Patrick Fellinger, Leiter des Fachbereichs für Elektrochemische Energiematerialien der BAM.

Durch die Kombination von Elektrolyse und Fermentation kann Kohlendioxid mithilfe von Bakterien elektrochemisch aufgewertet werden. Dabei wird CO₂ zunächst zu Kohlenstoff (CO) reduziert und dann von Bakterien zu Essigsäure oder Ethanol oder Butanol verstoffwechselt. Diese Säuren und Alkohole werden zur Herstellung wichtiger Spezialchemikalien benötigt.

Elektrolyse und Fermentation in einem Schritt

Bislang erfolgten Elektrolyse und Fermentation jedoch in zwei separaten Schritten, da die aus Gold, Silber oder Kupfer bestehenden Katalysatoren der Elektrolysegeräte auf die für die Fermentation benötigten Flüssigkeiten empfindlich reagierten. Auch haben sich die Metalle aufgrund ihrer antibakteriellen Wirkung nicht gut mit den Bakterien vertragen. Diese Hürden haben die Forschenden nun genommen.

Wie das Team in der Fachzeitschrift „ChemElectroChem“ berichtet, entwickelten sie einen neuen Katalysator auf Kohlenstoffbasis, der es ermöglicht, Elektrolyse und Fermentation zu kombinieren. Den Forschenden zufolge ist der neuartige Katalysator biokompatibel und beeinträchtigt die Funktion der Bakterien nicht. Auch sei er deutlich kostengünstiger als bisherige Katalysatoren, heißt es.

Erfolgreicher Test im Bioreaktor

In standardisierten Bioreaktoren wurde die Technologie bereits erfolgreich getestet und ließe sich nach Ansicht der Forschenden damit schnell in die industrielle Anwendung bringen. „Die Technologie ließe sich dezentral und in Kombination mit Ökostrom aus Solaranlagen dort einsetzen, wo bei Produktionsprozessen stetig Kohlendioxid produziert und bisher mangels Alternativen als Klimagas in die Atmosphäre freigesetzt wird.“ Die Forschungsarbeit wurde von Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

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Milch aus dem Bioreaktor statt wie traditionell aus dem Euter: Das 2022 gegründete Start-up Senara aus Freiburg gewinnt aus der Milch gesunder Kühe milchproduzierende Zellen, vermehrt diese in Stahltanks und stellt so Milch her, die eine vollwertige Alternative zum Klassiker darstellen kann. Gründerin und Geschäftsführerin Svenja Dannewitz erläutert, wo die Vorteile von zellbasierter Milch liegen und wie Senara damit die Milchwirtschaft nachhaltiger machen möchte.

Methan ist das zweitwichtigste Treibhausgas nach Kohlendioxid (CO₂). Ein Gramm Methan treibt die Erderwärmung um ein Vielfaches stärker an als die gleiche Masse CO₂. Die Landwirtschaft ist nach Angaben des Umweltbundesamtes für rund zwei Drittel des Methanausstoßes in Deutschland verantwortlich. Allein die Rinderhaltung verursacht dabei mehr als die Hälfte der hier erzeugten Methanemissionen. Um die Klimaziele zu erreichen, will die Bundesregierung die Methanemissionen bis 2030 um 30 % reduzieren. Maßnahmen, die den Methanausstoß der Rinder eindämmen, können dazu einen entscheidenden Beitrag leisten. Hier setzt das Forschungsprojekt ClimateCow an.

Darin arbeiten Forschende der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) an einem neuartigen Futtermittelzusatz, der die klimaschädlichen Methanemissionen der Nutztierhaltung drosseln soll. Das Vorhaben wurde im Rahmen des Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung in der Sondierungsphase von Oktober 2022 bis September 2023 mit 78.000 Euro gefördert.

Methanproduktion im Rinderpansen drosseln

Ziel des Projektteams ist es, einen neuartigen Futtermittelzusatz aus verschiedenen Wirkstoffen zu entwickeln, der die Methanproduktion dort reduziert, wo sie entsteht: im Vormagen der Rinder, im Pansen. „Das Methan wird im Pansen durch Mikroben erzeugt. Das sind meistens Archaeen, Ur-Zellen, die in großer Anzahl den Rindermagen besiedeln und die Fähigkeit haben, aus den Abbauprodukten komplexer pflanzlicher Kohlenhydrate Methan zu synthetisieren“, erläutert Projektleiter Benedikt Sabass von der LMU.

Wirksamer und günstiger Futtermittelzusatz

Sabass zufolge sind Schlüsselenzyme, die das Methan im Rinderpansen synthetisieren, bekannt. „Da gibt es bereits einige Ansätze in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Aber es gibt noch kein Mittel, das hochwirksam und gleichzeitig nicht teuer ist. Wir legen daher den Fokus darauf, einen Futtermittelzusatz zu entwickeln, der wirkt und zugleich günstig und in großen Mengen herstellbar ist“, sagt Sabass. Diese wirtschaftliche Komponente soll Sabass zufolge einen Anreiz bieten, damit die Innovation später auf Akzeptanz trifft.

Methanproduktion reduzieren, Verdauungseffizienz erhöhen

Der Anspruch der Forschenden: Die Zusätze sollen nicht nur die Methanproduktion im Rinderpansen deutlich eindämmen, sondern auch gleichzeitig die Verdauungseffizienz erhöhen, sodass die Tiere für die gleiche Leistung weniger Futter aufnehmen müssen. „Bisher gibt noch keinen wirtschaftlich einsetzbaren Futtermittelzusatz, der mehr als 50 % der Methanogenese inhibiert und gleichzeitig die metabolische Leistung verbessert. Aber genau das ist unser Ziel.“

Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Noch betreiben die LMU-Forschenden weitgehend Grundlagenforschung – und das auf interdisziplinärer Ebene. Am Projekt sind daher mehrere Fachbereiche der LMU beteiligt. „Das Besondere unseres Ansatzes ist, dass wir von der Biophysik und Biologie über die Pharmazeutische Chemie bis zur Tiermedizin vernetzt sind“, sagt Sabass.

Im Rahmen der einjährigen Sondierungsphase haben die Forschenden zunächst bekannte Zusätze wie spezielle Rotalgen, aber auch neue Kandidaten, in Bioreaktoren getestet. Sabass zufolge wurden Wirkstoffe ausgenutzt, die „passgenau an die entsprechenden Moleküle binden“. „Diese Stoffe haben den Vorteil, dass man sie nur in geringen Mengen verfüttern muss und dass sie verträglich sind. Daher ist auch der metabolische Einfluss beträchtlich – sowohl beim Mast- als auch beim Milchvieh“, erklärt der Projektleiter.

Erfolgreiche Tests im „echten Rinderpansen“ ohne Tier

Die Tests fanden dabei an echten Rinderpansen, aber fernab der Tiere statt. Als Bioreaktoren dienten mit Pansenflüssigkeit gefüllte Glaskolben, die im Wärmebad sitzen und in einer hermetisch abgeschlossen, kontrollierten Atmosphäre regelmäßig mit Nährstoffen versorgt wurden. „Wir konnten anhand dieser Pansensimulation durch Gensequenzierung feststellen, welche Mikroorganismen stärker oder schwächer wachsen und welchen Einfluss die Zusätze haben. Mithilfe von Infrarotspektroskopie war messbar, welche Gase abgegeben wurden und ob die Methanproduktion hoch- oder heruntergeht.“

Mehrere Kandidaten für Futtermittelzusätze gefunden

Die Ergebnisse der umfangreichen In-vitro-Tests sind vielversprechend. Sabass zufolge wurden „mehrere Kandidaten für Futtermittelzusätze gefunden“, die nicht nur die Methan-Emissionen signifikant reduzieren, sondern auch verträglich sind und „für Mast- und Milchviehhaltung gleichermaßen funktionieren“. „Wir wissen, dass wir eine deutlich bessere Hemmung der Methanproduktion in vitro erreichen können als die der bekannten Zusätze, die bei rund 30 % liegen. Da liegen wir deutlich drüber. Unsere Zielmarke ist 80 %. Ob wir das im Tier erreichen, wissen wir aber noch nicht.“

Forschung in Machbarkeitsphase fortgesetzt

Welche neuen Futtermittelzusätze in den Tests verwendet wurden und schließlich zu den besagten Ergebnissen führten, bleibt vorerst ein Geheimnis. Denn die Forschung wird fortgesetzt. Die dreijährige Machbarkeitsphase ist soeben gestartet und wird vom BMBF mit weiteren rund 683.000 Euro gefördert. Jetzt geht es darum, die Stoffe weiterzuentwickeln und dabei die Wirksamkeit und Verträglichkeit so zu verbessern, dass die Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz in der Tierhaltung erfüllt werden. „Auch eine Rückstandsanalyse ist vorgesehen, um zu zeigen, dass die Zusätze schnell im Rind abgebaut werden und natürlich die Qualität von Produkten wie Milch nicht beeinträchtigen“, erklärt Sabass.

Autorin: Beatrix Boldt

Methane is the second most important greenhouse gas after carbon dioxide (CO₂). One gram of methane drives global warming many times more than the same amount of CO₂. According to the Federal Environment Agency, agriculture is responsible for around two thirds of methane emissions in Germany. Cattle farming alone is responsible for more than half of the methane emissions produced here. In order to achieve its climate targets, the German government wants to reduce methane emissions by 30 % by 2030. Measures that curb methane emissions from cattle can make a decisive contribution to this. This is where the ClimateCow research project comes in.

Researchers at Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) are working on a new type of feed additive that aims to reduce climate-damaging methane emissions from livestock farming. The project was funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with 78,000 euros in the exploratory phase from October 2022 to September 2023 as part of the "New Products for the Bioeconomy" ideas competition.

Reducing methane production in the cattle rumen

The aim of the project team is to develop a new type of feed additive from various active ingredients that reduces methane production where it is produced: in the cattle's forestomach, in the rumen. "Methane is produced in the rumen by microbes. These are mostly archaea, primordial cells that colonise the cattle stomach in large numbers and have the ability to synthesise methane from the degradation products of complex plant carbohydrates," explains project leader Benedikt Sabass from LMU.

Effective and favourable feed additive

According to Sabass, key enzymes that synthesise methane in the bovine rumen are known. "There are already several approaches in various stages of development. But there is still no agent that is highly effective and at the same time not expensive. We are therefore focussing on developing a feed additive that is effective and can also be produced cheaply and in large quantities," says Sabass. According to Sabass, this economic component should provide an incentive for the innovation to be accepted later on.

Reduce methane production, increase digestion efficiency

The researchers' aim: The additives should not only significantly curb methane production in the cattle rumen, but also simultaneously increase digestive efficiency so that the animals have to consume less feed for the same performance. "So far, there is no economically viable feed additive that inhibits more than 50 % of methanogenesis and improves metabolic performance at the same time. But that is precisely our goal."

However, there is still a long way to go. The LMU researchers are still largely conducting basic research – at an interdisciplinary level. Several LMU departments are therefore involved in the project. "The special thing about our approach is that we are networked from biophysics and biology to pharmaceutical chemistry and veterinary medicine," says Sabass.

During the one-year exploratory phase, the researchers initially tested known additives such as special red algae, as well as new candidates, in bioreactors. According to Sabass, active substances were utilised that "bind precisely to the corresponding molecules". "These substances have the advantage that they only need to be fed in small quantities and that they are well tolerated. The metabolic effect is therefore also considerable – in both fattening and dairy cattle," explains the project manager.

Successful tests in "real bovine rumen" without animal

The tests were carried out on real cattle rumen, but away from the animals. Glass flasks filled with rumen fluid served as bioreactors, which were placed in a heat bath and regularly supplied with nutrients in a hermetically sealed, controlled atmosphere. "Using this rumen simulation, we were able to use gene sequencing to determine which microorganisms grow stronger or weaker and what influence the additives have. Using infrared spectroscopy, we were able to measure which gases were released and whether methane production was increasing or decreasing."

Several candidates for feed additives found

The results of the extensive in-vitro tests are promising. According to Sabass, "several candidates for feed additives have been found" that not only significantly reduce methane emissions, but are also compatible and "work equally well for fattening and dairy cattle". "We know that we can achieve a significantly better inhibition of methane production in vitro than the known additives, which are around 30 %. We are well above that. Our target is 80 %. But we don't yet know whether we can achieve this in animals."

Research continues in feasibility phase

Which new feed additives were used in the tests and ultimately led to the aforementioned results remains a secret for the time being. Because the research will continue. The three-year feasibility phase has just started and is being funded by the BMBF with a further 683,000 euros. The aim now is to further develop the substances and improve their efficacy and tolerability so that the requirements for successful use in animal husbandry are met. "A residue analysis is also planned to show that the additives are quickly broken down in cattle and of course do not impair the quality of products such as milk," explains Sabass.

Autorin: Beatrix Boldt

Viele wichtige Medikamente, wie Antibiotika und Krebsmedikamente, stammen von Naturstoffen aus Bakterien ab. Bakterielle Enzymkomplexe, molekulare Maschinen in der Zelle, fertigen die Wirkstoffmoleküle nach dem Fließbandprinzip: Bauteile werden systematisch zu komplexen Produkten zusammengesetzt, wobei verschiedene Fertigungsstraßen unterschiedliche Produkte ergeben. So entsteht eine immense Vielfalt an Naturstoffen. In der Natur ist das eine Strategie, dank der sich die Bakterien in den unterschiedlichsten Lebensräumen behaupten.

Zu den bakteriellen Enzymen, die wie Fertigungsstraßen eine immense Vielfalt an Naturstoffen hervorbringen, zählen die Nicht-ribosomalen Peptid-Synthetasen (NRPS). Wir Menschen verdanken den riesigen Enzymkomplexen viele wichtige Medikamente, wie Antibiotika. Die große Auswahl an Produkten entsteht dabei weniger durch die Menge an Bausteinen, sondern durch die Vielfalt der NRPS selbst, die sich aus der Kombination ihrer Enzym-Untereinheiten ergibt. Jede NRPS-Variante kann jeweils andere Bausteine binden, aktivieren und miteinander verknüpfen.

Nach dem Baukastenprinzip neue Funktionen erschließen

Ein Team um Helge Bode am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg arbeitet daran, dieses Enzymsystem für die gezielte Wirkstoffproduktion im Labor zu nutzen. Nach der Herangehensweise der Synthetischen Biologie werden Teile der Enzyme und damit die funktionellen Eigenschaften ganzer Enzymkomplexe verändert (NRPS-Engineering), sodass Produkte mit neuen Eigenschaften entstehen.

Doch obwohl dieser Ansatz bereits seit einigen Jahren verfolgt wird, funktionierte er bisher noch nicht wie erhofft. „Wir sehen eine große Chance darin, von der Natur zu lernen. Wenn wir die natürlichen Prozesse verstehen, wissen wir, welche Bereiche des Enzyms sich am besten für das NRPS-Engineering eignen“, sagt Kenan Bozhüyük, einer der Erstautoren der Studie, die im Fachjournal „Science“ erschienen ist.

Gezielte Herstellung funktionsfähiger Enzym-Varianten

Um herauszufinden, welche Untereinheiten des Enzyms besonders gut miteinander zusammenarbeiten, konzentrierte sich das Team auf die Frage: an welchen Positionen setzt die Evolution selbst an, um neue „Fließbänder“ zusammenzubauen oder zu verändern, damit benötigte Wirkstoffe entstehen? Nach bioinformatischen Analysen und experimentellen Studien fand das Team einen neuen „Fusionspunkt“ für die gezielte Herstellung funktionsfähiger NRPS-Hybride. Mit seiner Hilfe konnten schließlich sogar NRPS-Sequenzen aus völlig unterschiedlichen Organismen wie Bakterien und Pilzen miteinander kombiniert werden.

Biologische Arzneimittel maßschneidern

Ihr neues Wissen überprüften die Forschenden dann in einem medizinischen Zusammenhang: Sie konstruierten ein neues, pharmakologisch aktives Peptid. Die breit angelegte Studie zeigt das große Potenzial der bakteriellen Naturstoffe als Grundlage neuer Medikamente. „Im Bereich der Synthetischen Biologie und der evolutionären Biochemie hat die Forschung in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht“, sagt Helge Bode. „Der Vorteil unseres Ansatzes ist, dass wir evolutionäre Prozesse nutzen, die sich über Millionen von Jahren bewährt haben. Unsere von der Evolution inspirierten Fusionsstellen sind vielseitiger und haben höhere Erfolgsraten.“

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Sie sind bunt, robust und biologisch abbaubar: die Tassen aus dem Biokunststoff BioCelain. Das verspricht der Hersteller, die Merseburger Firma Exipnos, und verweist auf die spezielle Kunststoff-Rezeptur des Bechers. Im Rahmen eines Forschungsprojektes werden nun Studierende der Hochschule Merseburg (HoMe) diese Tassen im Café 144 mehrere Wochen einem Praxistest unterziehen. Studierende der Fachbereiche Ingenieur- und Naturwissenschaften, Soziale Arbeit, Medien, Kultur sowie Wirtschafts- und Informationswissenschaften sind aufgerufen, sich daran zu beteiligen, um den Biokunststoff ganzheitlich zu bewerten.

Biokunststoffbecher als Testobjekt für Materialstudien

Seit März werden Kaffee und Tee im Café der Hochschule in den neuen Gefäßen serviert. „Die Tassen sind hier täglich im Einsatz“, erklärt Mervan Haji, Maschinenbau-Student und studentischer Mitarbeiter im Bereich Kunststofftechnik/Polymerwerkstoffe der Hochschule. „Hier möchten wir die Erfahrungen der Nutzer erkunden und unsere Testobjekte für eine Reihe von Materialstudien gewinnen“.

Der Werkstoff BioCelain besteht aus biobasiertem Polybutylensuccinat – kurz PBS – sowie Mineralien und mineralischen Farben. PBS besteht aus Bernsteinsäure, die aus Zucker und daher auch aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz gewonnen werden kann und damit biologisch abbaubar ist. „BioCelain ist unzerbrechlich wie Kunststoff, liegt aber wertig in der Hand wie Porzellan“, erklärt der Produktionschef der Merseburger Exipnos GmbH, Eduard Putsch. „Allerdings möchten wir das Material noch besser kennenlernen und für weitere Anwendungen optimieren“.

Neue Anwendungen für Biokunststoff erschließen

Ziel des gemeinsamen Projektes zwischen der Hochschule Merseburg und Exipnos ist, die Entwicklung des Materials weiter voranzutreiben und neue Anwendungsfelder zu erkunden. „In vergleichenden Analysen prüfen wir zum Beispiel, inwieweit sich Härte, Dichte, Kristallinität oder auch die Oberflächenstrukturen durch den Gebrauch verändern“, erläutert die Projektleiterin und Professorin für Kunststofftechnik und Polymerwerkstoffe, Beate Langer. Dafür werden die per Laser mit einer individuellen Nummer markierten Tassen nach unterschiedlicher Nutzungsdauer für die Untersuchungen aus dem Verkehr gezogen.

Betrachtet wird auch, inwiefern es im Laufe der Nutzung zu Verfärbungen kommt und wie genau die biologische Zersetzung des Werkstoffs vonstattengeht. „Für solche mikrostrukturellen Untersuchungen haben wir als Mittelständler jedoch nicht die erforderliche technische und personelle Ausstattung“, sagt der Produktionschef von Exipnos. In Kooperation mit der Hochschule habe man schon bei früheren Forschungsvorhaben „so manches Rätsel lösen – und Studierenden im Gegenzug interessante Aufgaben für Forschungs- und Abschlussarbeiten bieten“ können.

Fachkräfte-Nachwuchs für die Kunststofftechnik begeistern

„Mit Projekten wie diesem gelingt es, den angehenden Fachkräfte-Nachwuchs für die Kunststofftechnik zu begeistern“, argumentiert Projektleiterin Langer. So könnten „Studierende an der Verbesserung von Materialeigenschaften und an neuen Produktdesigns mitarbeiten, Videos entwerfen, die die Besonderheiten von Biokunststoffen anschaulich erklären sowie Vermarktungskonzepte entwickeln, um nachhaltige Materialien mit ihren Vorteilen bekannter zu machen.“

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Algen gehören zu jenen Meerespflanzen, denen Forschende seit langem ein großes Potenzial für die Bioökonomie bescheinigen und die bereits auch vielfältig genutzt werden. Andere ebenfalls salztolerante Pflanzen wie der Europäische Queller (Salicornia europaea) finden hingegen wenig Beachtung – haben aber ebenfalls viele Qualitäten. Zu diesem Ergebnis kommt ein europäisches Forschungsteam, das vier Jahre lang das Potenzial dieser sogenannter Halophyten untersucht hat.

Mit salztolerante Pflanzen Klimafolgen bekämpfen

Das Forschungsprojekt Aquacombine wurde von 2019 bis 2023 von der EU im Rahmen des Programms Horizon 2020 mit rund 12 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt waren auch Forschende vom Institut für Botanik der Leibniz Universität Hannover. Gemeinsam mit weiteren 16 Partnern aus Dänemark, Portugal, Spanien, Belgien und Schweden wurde untersucht, inwiefern sich die Eigenschaften der salztoleranten Pflanzen eignen, um den Folgen des Klimawandels entgegenzuwirken und Nutzungsketten mit hoher Wertschöpfung aufbauen lassen.

Der Queller – hierzulande auch als Meeresspargel bekannt – wächst auf Salzwiesen oder im Watt und wird in der EU bisher nur in geringem Umfang angebaut. Zwar gelten die frischen Spitzen des Europäischen Quellers bei Gourmets als Delikatesse. Doch 80 % der Ernte bleiben ungenutzt, weil die Pflanze einen sehr hohen Salzgehalt hat und sich damit beispielsweise nicht als Dünger eignet.

Potenzial von Queller als Kulturpflanze

Aufgrund ihrer besonderen physiologischen Eigenschaften und biochemischen Zusammensetzung sind Halophyten wie der Meeresspargel für die Forschung interessant. An der Leibniz-Universität Hannover untersuchte ein Team unter Leitung von Jutta Papenbrock das Potenzial der Meerespflanzen als Kulturpflanze. Die Vorteile der Meerespflanze liegen auf der Hand: Im Vergleich zu Nahrungspflanzen brauchen Halophyten kein Süßwasser und kaum Platz und wachsen an Küsten oder in Salzwüsten, wo andere Pflanzen nicht gedeihen.

Aufzucht im Gewächshaus funktioniert

Ein Anbau im großen Stil zur Herstellung von Lebensmitteln könnte den Forschenden zufolge einen wichtigen Betrag zur künftigen Ernährung von Mensch und Tier leisten sowie als Rohstoff für neue nachhaltige Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen im Sinne einer Kreislaufwirtschaft dienen. An einer Pilotanlage konnte das Team zeigen, dass die Aufzucht der Queller auch in einem Gewächshaus mit Kunstlicht funktioniert.  Unter günstigen Bedingungen, wie einer optimalen Salzkonzentration in der Nährlösung, ließe sich auch der Ertrag erheblich steigern, was langfristig für die Produktion von Queller in großem Umfang wichtig wäre, heißt es.

Viele Qualitäten nachgewiesen

Den Forschenden zufolge besitzt der Europäische Queller viele Qualitäten: Die Meerespflanze kann nicht nur als schmackhafte Nahrung dienen. Denn sie ist reich an Polyphenolen, die antioxidativ und entzündungshemmend wirken, und damit gesund. Auch als Filter in salzhaltigem Wasser oder als Küstenschutz würden sich Queller eignen.

Mithilfe molekularbiologischer Techniken konnte das Team auch jene Gene identifizieren, die für die außergewöhnliche Salztoleranz verantwortlich sind. Den Forschenden zufolge könnten aufgrund dieses Wissens künftig andere Pflanzen wie Tomaten so verändert werden, dass sie besser mit salzigen Böden zurechtkommen und dafür sorgen, dass Queller schneller als Nutzpflanze etabliert werden.

Andere am EU-Projekt beteiligte Partner untersuchten, wie sich salzhaltige Böden damit regenerieren lassen oder wie sich die holzigen Rückstände von Salicornia europaea für Biochemikalien und die Erzeugung von Bioenergie einsetzen lassen. Auch der Einsatz von Aquaponik wurde untersucht, um alle Teile vom Meeresspargel zur Herstellung von nährstoffreichem Fischfutter auszunutzen.

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Algae are among the marine plants that researchers have long recognised as having great potential for the bioeconomy and which are already being used in a variety of ways. Other salt-tolerant plants such as the European seaweed (Salicornia europaea), on the other hand, have received little attention - but also have many qualities. This is the conclusion reached by a European research team that spent four years investigating the potential of these so-called halophytes.

Tackling climate impact with salt-tolerant plants

The Aquacombine research project was funded by the EU from 2019 to 2023 with around 12 million euros as part of the Horizon 2020 programme. Researchers from the Institute of Botany at Leibniz University Hannover were also involved in the project. Together with 16 other partners from Denmark, Portugal, Spain, Belgium and Sweden, they investigated the extent to which the properties of salt-tolerant plants are suitable for counteracting the consequences of climate change and establishing utilisation chains with high added value.

Sea samphire grows on salt marshes or in mudflats and has only been cultivated on a small scale in the EU to date. The fresh tips of the European samphire are considered a delicacy by gourmets. However, 80 % of the harvest remains unused because the plant has a very high salt content and is therefore unsuitable as a fertiliser, for example.

Potential of samphire as a cultivated plant

Due to their special physiological properties and biochemical composition, halophytes such as sea asparagus are of interest to researchers. At Leibniz University Hannover, a team led by Jutta Papenbrock investigated the potential of marine plants as crops. The advantages of marine plants are obvious: compared to food plants, halophytes do not need fresh water and hardly any space and grow on coasts or in salt deserts where other plants do not thrive.

Growing in a greenhouse works

According to the researchers, large-scale cultivation for the production of food could make an important contribution to the future nutrition of humans and animals while also serving as a raw material for new sustainable products made from renewable resources in the sense of a circular economy. Using a pilot plant, the team was able to show that the cultivation of the samphire also works in a greenhouse with artificial light.  Under favourable conditions, such as an optimal salt concentration in the nutrient solution, the yield could also be significantly increased, which would be important for the production of samphire on a large scale in the long term, they say.

Many qualities proven

According to the researchers, the European samphire has many qualities: The seaweed is not just a tasty food. This is because it is rich in polyphenols, which have an antioxidant and anti-inflammatory effect and are therefore healthy. Sea samphire would also be suitable as a filter in salty water or as coastal protection.

Using molecular biology techniques, the team was also able to identify the genes responsible for the exceptional salt tolerance. According to the researchers, this knowledge could be used in the future to modify other plants such as tomatoes so that they can cope better with salty soils and ensure that samphire becomes established as a crop more quickly.

Other partners involved in the EU project investigated how saline soils can be regenerated or how the woody residues of Salicornia europaea can be used for biochemicals and the production of bioenergy. The use of aquaponics was also investigated in order to utilise all parts of sea samphire for the production of nutrient-rich fish feed.

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In der Nachwuchsforschungsgruppe TRABBI, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, haben die Wirtschaftsgeographen Lukas Kriesch und Sebastian Losacker von der Universität Gießen regionalisierte Daten zu Bioökonomieunternehmen in Deutschland gewonnen. Sie berichten im Fachjournal „REGION – the Journal of ERSA“ über ihre Analyse.

Die Autoren nutzen moderne KI-basierte Verfahren des Natural Language Processing, um Texte von 678.381 Unternehmen in Deutschland auszuwerten. „Wir haben ein Sprachmodell trainiert, das dazu in der Lage ist, Aktivitäten im Bereich der Bioökonomie in Textabschnitten auf Unternehmenswebsites zu identifizieren. Diese Informationen nutzen wir, um die Bedeutung der Bioökonomie in unterschiedlichen Regionen in Deutschland besser zu verstehen“, sagt Lukas Kriesch.  

Webmining mithilfe von KI-Technologie

Für das Webmining zum Themenfeld Bioökonomie verwendeten die Forschenden einen manuell erstellten Trainingsdatensatz mit Textbeispielen zu Bioökonomie-Aktivitäten.

Den Datensatz nutzen die Forschenden, um verschiedene Hypothesen aus der Bioökonomie-Forschung zu prüfen. Insgesamt haben 21 % der Unternehmen (142.949 Unternehmen) einen Bezug zu Aktivitäten der Bioökonomie (zum Beispiel Biokraftstoffe, Landwirtschaft, Holzwirtschaft). Davon sind etwa 9 % (13.554 Unternehmen) im Hightech-Bereich aktiv (zum Beispiel Biotechnologie, Biokunststoffe). Der Anteil der Bioökonomieunternehmen unterscheidet sich jedoch teils deutlich zwischen Regionen. So ist der Anteil der Bioökonomieunternehmen in ländlichen Regionen zwar durchschnittlich höher, die Hightech-Unternehmen sind jedoch in den urbanen Regionen konzentriert.

„Das politische Narrativ der Bioökonomie als Chance für die Regionalentwicklung in strukturschwachen Regionen kann nur Realität werden, wenn die Bioökonomie nicht dazu beiträgt, bestehende regionale Ungleichheiten in der Wertschöpfung zu untermauern“, sagt Lukas Kriesch.

In the TRABBI junior research group, which is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF), economic geographers Lukas Kriesch and Sebastian Losacker from the University of Giessen have obtained regionalised data on bioeconomy companies in Germany. They report on their analysis in the scientific journal "REGION - the Journal of ERSA".

The authors use modern AI-based natural language processing methods to analyse texts from 678,381 companies in Germany. "We have trained a language model that is able to identify bioeconomy activities in text sections on company websites. We use this information to better understand the importance of the bioeconomy in different regions in Germany," says Lukas Kriesch.

Web mining with the help of AI technology

The researchers used a manually created training dataset with text examples on bioeconomy activities for web mining on the topic of bioeconomy.

The researchers used the dataset to test various hypotheses from bioeconomy research. In total, 21% of the companies (142,949 companies) have a connection to bioeconomy activities (e.g. biofuels, agriculture, timber industry). Of these, around 9% (13,554 companies) are active in the high-tech sector (e.g. biotechnology, bioplastics). However, the proportion of bioeconomy companies differs significantly between regions in some cases. For example, although the proportion is higher on average in rural regions, high-tech companies are concentrated in urban regions.

"The political narrative of the bioeconomy as an opportunity for regional development in structurally weak regions can only become a reality if the bioeconomy does not contribute to underpinning existing regional inequalities in value creation," says Lukas Kriesch.