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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.

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.

Seit 9000 Jahren werden Hausschweine zur Fleischernährung gehalten. Die Tiere, die vor allem in Europa als Nutztiere bevorzugt werden, unterscheiden sich längst nicht mehr nur durch ihre Haltung, sondern auch äußerlich von ihrer einstigen Vorfahren, den Wildschweinen. Neben Kreuzungen bestimmter Rassen werden seit 200 Jahren bereits gezielt Hausschweine je nach den Wünschen von Konsumenten und Landwirten gezüchtet. "Schweine sollen möglichst robust sein, schnell wachsen und viele lebende Nachkommen gebären und aufziehen", erklärt der Leiter vom Zentralmagazin Naturwissenschaftlicher Sammlungen (ZNS) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), Frank Steinheimer. Die Eigenschaften der Hausschweine variieren demzufolge entsprechend der regionalen Bedürfnisse, so dass es bundesweit keine ideale Rasse für Zucht und Schlachtung gibt.

BMFB fördert Forschung zu Schweinezucht

Unter der Leitung der Hallenser Forscher wird in den kommenden drei Jahren nun untersucht, wie sich das Hausschwein durch Züchtungen genetisch und körperlich verändert hat. Das Projekt wird im Rahmen des Förderprogramms "Vernetzen - Erschließen - Forschen. Allianz für universitäre Sammlungen" vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in den nächsten drei Jahren mit rund 490.000 Euro gefördert. Das Förderprogramm wurde aufgelegt, um Universitäten dabei zu unterstützt, ihre Sammlungen besser für Forschung und Lehre nutzbar zu machen.

100 Jahre Schweinezucht im Blick

Im Projekt wollen sich die Forscher auf zwei bis heute erhaltene typische deutsche Hausschweinrassen konzentrieren und diese mit einer Wildscheinrasse vergleichen. Da die Anfänge der Schweinezucht vor 200 Jahren bereits gut erforscht sind, geht es konkret um die Veränderungen der vergangenen 100 Jahre. Dafür sollen 60 historische Schweineskelette sowie deren Erbgut mit heutigen Exemplaren verglichen werden. Mithilfe der sogenannten Geomorphometrie sollen Schädelform und Knochendicke abgleichen und bestimmt werden. Aber nicht nur der Einfluss auf Körperbau und Erbgut werden untersucht, sondern auch die Kulturgeschichte des Schweins und ethische Aspekte.

Internationales Netzwerk für Haustierkunde

Dabei wird das ZNS-Team durch Agrarwissenschaftler vom Lehrstuhl für Tierzucht der MLU unterstützt. Am Leibniz-Institut für Nutztierbiologie in Dummerstorf und dem Museum für Naturkunde Berlin werden dafür die DNA-Analysen und -Vergleiche durchgeführt. Mit kulturhistorischen und tierethischen Fragen beschäftigen sich Forscher der Tierärztlichen Hochschule Hannover. Im Rahmen des Projektes ist auch eine Sonderausstellung zu "100 Jahre Schweinezucht" sowie die Gründung eines internationalen Netzwerkes für Haustierkunde geplant.

Während die Splash Awards in den Niederlanden bereits Tradition haben, war es für den deutschen Ableger die Premiere: Im Häkken Club an der Reeperbahn in Hamburg hatten sich am Abend des 15. März rund 50 Webdesigner, Programmierer und IT-Entwickler versammelt, um die besten Drupal-Projekte des vergangenen Jahres auszuzeichnen.

Drupal als Webentwickler-Plattform

Drupal ist ein Content-Management-System (CMS) für den Aufbau und die Produktion von Websites. Das Besondere: als Open-Source-Plattform ist es frei für Anwender verfügbar und stützt sich auf eine lebendige Community. Und die wollte in Hamburg demonstrieren, wie leistungsfähig und vielseitig Drupal in komplexen Webprojekten eingesetzt werden kann.

Das Logo von Drupal – das Druplicon – ist ein Tropfen mit Gesicht und auch die Trophäen der Splash Awards sind in Tropfenform gegossene Acrylglasscheiben. Die Awards in Hamburg wurden in zehn Kategorien vergeben.

In einem landwirtschaftlichen Betrieb werden heute oft mehrere hundert Milchkühe gehalten, die alle gesundheitlich versorgt und verpflegt werden wollen. Je gesünder die Tiere sind, desto höher sind auch die Erträge für den Betrieb. Das Kaiserlauterner Start-up „InnoCow“ stellt auf der heute gestarteten IT-Fachmesse CeBIT noch bis zum 24. März ein smartes Diagnostiksystem für die Milchvieh-Versorgung vor.

Eine App um die Milchproduktion zu optimieren

Ähnlich wie beim Menschen Fitness-Apps verwendet werden, um den Gesundheits- und Trainingszustand zu ermitteln, kann jetzt auch das Verhalten der Kühe jeweils ortsunabhängig und in Echtzeit beim Weiden, Wiederkauen oder im Melkstand erfasst werden. Das automatisierte Diagnosesystem „InnoCow“ wurde von der gleichnamigen Ausgründung des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) entwickelt. Das System ermittelt auf einen Blick alle nötigen Informationen, um den individuellen Gesundheitszustand der Tiere oder eine bevorstehende Brunst frühzeitig zu erkennen, und die optimale Futtermenge für jedes Tier zu berechnen. Durch dieses Brunst- und Gesundheitsmonitoring können Landwirte laut InnoCow jedes einzelne Tier besser einschätzen und letztlich die Milchproduktion optimieren. Außerdem ermögliche das System Krankheiten im Anfangsstadium zu erkennen, was wiederum dem Wohl der Tiere zugute komme.

Alle Informationen auf einen Blick

Ausgewertet werden die Daten über die Server von InnoCow. Die selbstlernenden Algorithmen stellen sich ständig auf das Verhalten der einzelnen Tiere neu ein. Durch eine vom Hersteller entwickelte Webapplikation können die Landwirte außerdem jederzeit die aktuellsten Informationen über die einzelnen Tiere abrufen, oder über das Herden-Management-System die gesamte Herde im Blick behalten. Darin liegt ein großer Vorteil für die Nutzer: sie benötigen fortan nur noch ein einziges System, um ihren Tierbestand zu verwalten. Ein weiterer Vorteil der App liegt laut InnoCow in der genauen Datenauswertung, die im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen ohne häufige Falschmeldungen auskommt.

InnoCow auf der CeBIT

Mit seiner Geschäftsidee konnte InnoCow bereits bei Gründerwettbewerben überzeugen: InnoCow ist Preisträger des länderübergreifenden Businessplan-Wettbewerbs 1,2,3, GO 2016. Zudem wurden die Initiatoren bereits 2015 als Gewinner des „Gründerwettbewerbs – IKT Innovativ“ bei ihrer Ausgründung als DFKI Spin-off vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt.

jmr

Agricultural enterprises oftentimes accommodate several hundred cows that all need to be fed and taken care of healthwise. The healthier the animals, the higher are the yields. During the CeBIT that opened its doors today until March 24, the Kaiserslautern-based start up “InnoCow” is presenting a new intelligent diagnostic tool for dairy cows.

An application to optimize dairy production

Similarly to men and women who use fitness apps in order to check on their health and training conditions, cows can now be tracked remotely and in real-time during grazing, ruminating, or at the milking parlor. The automated diagnostic tool “InnoCow” was developed by the spin-off of the German Research Centre for Artificial Intelligence (DFKI) – also named InnoCow. The system collects all the necessary information at once, in order to track the health of each individual animal and to recognize an impending heat. Based on these data the system also calculates an optimized amount of food per animal. By way of this health and heat monitoring InnoCow affords farmers a better and easier assessment of each animal, which will lead to an optimized dairy production. Moreover, the system also recognizes diseases at very early stages, which ultimately benefits the animals as well.

All the information at one glance

The data are being analyzed via the servers of InnoCow. The self-learning algorithms are constantly adapting according to the behavior of the animals. The manufacturers also created an online application that enable the farmers to check on their animals individually, or keep track of their entire herd. This represents a huge advantage for the user, since they will now only need a single system to manage their animals. Another advantage – according to InnoCow – is the exact analysis of the data, which generates far fewer false reports compared to previous systems.

InnoCow at the CeBIT

Because of its innovate business concept InnoCow could already impress at start-up contests: InnoCow won the national contest for business plans 1,2,3, GO 2016. Additionally, as winners of the “Gründerwettbewerb – IKT Innovativ“ the founders were already subsidized by the Federal Ministry of Economic Affairs and Energy in 2015 during the formation of their spin-off from the DFKI.

jmr

Sie sind in allen Gewässern und Böden zu finden: Huminsäuren. Dabei handelt es sich um Stoffe, die beim Abbau pflanzlicher Stoffe durch sogenannte Humifizierung entstehen. Diese hochmolekularen chemischen Verbindungen sind aufgrund ihrer Eigenschaften nicht nur für die Pharmaindustrie, sondern auch für die Landwirtschaft von besonderem Interesse. Bei der Bewirtschaftung der Felder werden Huminsäuren vor allem zur Verbesserung des Bodens eingesetzt. Der Grund: Sie bilden unlösliche Metallionen, Oxide und Hydroxide und geben diese Stoffe regelmäßig an Pflanzen ab.

Neue Wege zur Huminsäure-Gewinnung aus Braunkohle

Bisher werden die Bodenhilfsstoffe meist aus verwitterter Braunkohle gewonnen, da sich diese Kohle wegen ihres geringen Brennwerts nicht für die Energieerzeugung eignet. Doch die Vorkommen sind begrenzt. In einer bestimmten Schicht der Weichbraunkohle kommen Huminsäuren dagegen in einer hoher Konzentration von bis zu 85 Prozent vor. Im Projekt „OxiHumin“ suchen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT daher nach Alternativen zur bisherigen Gewinnung von Huminstoffen.

Mit Bakterien zum marktfähigen Bodenhilfsstoff

Konkret wollen die Forscher dafür regional verfügbare Braunkohlen und Nebenprodukte aus der Brikettherstellung untersuchen. „Die Ausgangsstoffe haben zwar einen relativ geringen Huminsäurenanteil“, erklärt Bettina Sayder aus der Abteilung Verfahrenstechnik bei Fraunhofer UMSICHT. Mithilfe von Mikroorganismen könnte der Anteil jedoch vergrößert werden, da sie sich biochemisch zu Huminsäuren oxidieren lassen. „Hier setzen wir gemeinsam mit Fraunhofer UMSICHT an und optimieren den Prozess, um im Ergebnis ein Produkt zu erhalten, das sich als marktfähiger Bodenhilfsstoff eignet“, erklärt Sayder. Das Projekt OxiHumin wird vom Land Nordrhein-Westfalen im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Im Frühjahr erwacht die Natur aus ihrem Winterschlaf. Nach und nach drängt aus den neuen Knospen sattes, frisches Grün hervor. Dass viele Pflanzenarten im Frühjahr zu unterschiedlichen Zeiten blühen, weiß jeder. Der Zeitpunkt des Blühens im Frühling richtet sich nicht nach dem Kalender, sondern nach Umweltfaktoren wie Temperatur und Tageslänge. Bei anhaltender Kälte lässt sich die Pflanze beispielsweise Zeit und bremst den Austrieb der Blüten. Forscher der Technischen Universität München (TUM) haben nun herausgefunden, dass dieser Mechanismus offenbar genetisch bestimmt wird. So beeinflussen Temperatur und Umwelteinflüsse bestimmte molekulare Vorgänge, wann Forsythie oder Flieder in voller Blüte stehen. Ein Team um den Systembiologen Ulrich Lutz hatte dafür gemeinsam mit Wissenschaftlern vom Helmholtz-Zentrum München Sequenzen des Gens FLM (Flowering Locus M) aus über tausend Genomsequenzen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana analysiert. Die Studie wurde im Fachjournal „eLife“ veröffentlicht.

DNA-Veränderung nur bei Anpassungsvorteil für Pflanze

Der Studie zufolge bindet das FLM-Genprodukt direkt an die DNA und kann damit die Herstellung anderer Gene beeinflussen und so das Blühen hinauszögern. Zugleich konnte Lutz aufzeigen, welche genetischen Mutationen evolutionär am erfolgreichsten waren. Demnach etablieren sich im Erbgut meist nur die genetischen Veränderungen, die der Pflanze einen Anpassungsvorteil bieten. Mutationen, die nicht vorteilhaft waren, blieben dagegen im Laufe der Entwicklung auf der Strecke.

FLM-Gen dimmt Blühzeiten wie Lichtregler

Die Münchner Forscher konnten aber auch aufzeigen, dass von den Genveränderungen abhängt, wie häufig und effizient FLM im Erbgut der Ackerschmalwand abgelesen wird. Wie das Team schreibt, agiert das Gen FLM ähnlich wie ein Lichtdimmer, über den die Pflanze die Genaktivität und damit das Blühen quasi stufenlos regulieren kann. Auch über Genveränderungen, die das sogenannte Gen-Spleißen beeinträchtigen, bei dem Teile aus dem Genprodukt herausgeschnitten werden, kann die Menge an aktivem FLM angepasst werden. Damit haben die Münchner Forscher eine direkte Abhängigkeit des Blühzeitpunkts von der Menge des FLM-Gens gefunden, die zumindest in der Modellpflanze Arabidopsis über die DNA-Sequenzveränderungen feinjustiert werden kann.

Blühzeiten dem Klimawandel anpassen

Die Forscher sind überzeugt, dass ihre Ergebnisse zukünftig helfen könnten, auch die Blütezeit von Nutzpflanzen an veränderte Klimabedingungen anzupassen. Denn schon Temperaturänderungen von wenigen Grad Celsius während der Wachstumsphase von Kulturpflanzen wie Raps oder Zuckerrübe haben eine negative Auswirkung auf die landwirtschaftliche Produktion. Über eine Regulierung des FLM-Gens könnten entsprechend angepasste Sorten entwickelt werden, so die Idee der Forscher. Mit klimaunabhängigen Pflanzen wäre auch die Basis geschaffen, die Nahrungsmittelproduktion effizienter zu gestalten. „Die von uns identifizierten FLM-Varianten sind ideale Kandidatengene, die die Ackerschmalwand benutzen kann, um den Blühzeitpunkt an die durch den Klimawandel bedingten Temperaturveränderungen anzupassen", unterstreicht Claus Schwechheimer vom TUM-Lehrstuhl für die Systembiologie der Pflanzen.

Die meisten Bio-Produkte sind an entsprechenden Siegeln zu erkennen. Mit dem EU-Bio-Logo, einem stilisierten Blatt auf grünem Grund und dem deutschen Bio-Siegel als weiß-grünes Sechseck, weiß der Verbraucher, dass bei der Herstellung von Gemüse, Fleisch oder Milchprodukten gewisse Mindeststandards der Ökolandwirtscht bei Anbau und Tierhaltung eingehalten wurden. Verbraucherschützer warnen jedoch immer wieder vor dem Missbrauch der Bezeichnungen Bio und Öko, die Kunden auch in die Irre führen können.

Von der Milch auf das Futter schließen

Fest steht: Ein Nachweis, ob Lebensmittel tatsächlich aus ökologischer Landwirtschaft stammen, ist nicht immer leicht. In punkto „Bio-Milch“ haben Forscher eine Lösung parat. Lebensmittelchemiker der Technischen Universität Dresden entwickelten ein Analyseverfahren, das zwischen Milch aus konventioneller und ökologischer Erzeugung klar unterscheidet - und zwar anhand des Speiseplans der Kühe. Sie berichteten im "Journal of Agriculture and Food Chemistry" über ihre Methode.

Glykierungsprodukte weisen auf Kraftfutter hin

Während Milchkühe von Bio-Bauern mit Gras oder Silage gefüttert werden, bevorzugt die konventionelle Tierhaltung in der Regel Kraftfutter. Dieses Kraftfutter lässt sich in der Milch anhand sogenannter Glykierungsprodukte nachweisen. Denn diese Verbindungen, Reaktionen von Zucker mit Proteinen, entstehen bei der Herstellung des Kraftfutters durch Erhitzen als Produkte einer Maillard-Reaktion. Mithilfe der Dresdner Analysemethode per Massenspektrometrie lassen sich Spuren des erhitzten Futters in der Milch klar erkennen und die Frage nach der Form der Kuh-Kost klar beantworten.

Test zum Patent angemeldet

Den neuartigen Bio-Milch-Test haben die Dresdner Forscher bereits zum Patent angemeldet. Ende März werden Sie die Analysemethode auf der Regionalverbandstagung der Lebensmittelchemischen Gesellschaft in Halle vorstellen.