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The summer of 2018 was unique in many ways. Some aspects, however, were less pleasant than others: several regions of Germany saw losses in arable crops of up to 50%. Given climate change and global warming, such weather extremes will most likely increase even further in the future. In order to secure food sources, it is therefore paramount that agriculture adapts to climate change. This includes new strategies for agronomic management and breeding of more heat- and drought-tolerant crops. To do so, plant breeders need to know whether plants are more vulnerable to heat or drought. Therefore, an international research team led by the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF) in Müncheberg near Berlin has investigated these questions.

Forecast for crop failures

"Understanding whether we expect most risk to crop production under climate change to come from drought or heat stress can help farmers and breeders select the right varieties and farm management," says Heidi Webber, agricultural scientists and group leader at ZALF. Webber is also the lead author of a new study published in "Nature Communications" that analysed the yields of grain maize and winter wheat in European agriculture from 1984 to 2009 and, on the basis of national and international statistics and numerous models, determined the proportion of yield losses due to heat and drought and tried to predict the yields for both crops under climate change conditions by 2055.

Drought presents biggest risk

According to the plant researchers, if crop varieties and planting dates remain the same, yields of grain maize will decrease, while those of winter wheat will increase. The reason: additional CO₂ in the atmosphere benefits winter wheat but not maize. Therefore, the authors conclude, drought presents the biggest risk to arable crops. Understanding this can help farmers and policy makers select the appropriate countermeasures.

Moreover, Weber and her team also showed for the first time how high temperatures cause yield losses: The first aspect is the fast growth due to high temperatures as it causes the plants to mature before accumulating enough biomass. Additionally, high temperatures can also disrupt critical reproductive functions, thereby leading to big reductions in grain yield. The third and probabaly most impactful reason is the high evaporation rate which occurs on hot days and can in turn lead to drought stress, also known as water stress, given insufficient rainfall and no irrigation. "Earlier studies for Europe which showed that high temperatures explain the majority of yield losses, did not take into account that water stress is a likely important outcome of hot days," says Webber.

Mechanisms against drought stress and heat are very different

Although it might seem counterintuitive to separate the mechanisms protecting plants against drought stress from those protecting against overheating, they are in fact very different, can even be mutually exclusive and are very difficult to control for in the field. Therefore, it is of utmost importance to make the right decision regarding the neccessary adaptations by the plants. New modelling approaches and experimental tools can be combined to explain which responses and options are likely to be the most successful.

jmr

Wer in Deutschland Düngemittel ausbringt, muss sicherstellen, dass darin enthaltene synthetische Polymere innerhalb von zwei Jahren zu mindestens einem Fünftel biologisch abgebaut werden. Ob Klärschlamm immer diese Verordnung erfüllt, war bislang unklar. Er enthält oft sogenannte Polyacrylamid-Copolymere (PAMs), die als Flockmittel eingesetzt wurden und deren Abbaurate nur an der Erdoberfläche bekannt ist. „Es gibt verschiedene Studien, die den Abbau von PAMs durch UV-Bestrahlung untersucht haben. Diese Ergebnisse greifen im besonderen Fall des Düngens aber nicht, weil es um untergepflügtes Material im Boden geht, da kommt UV-Licht nicht hin«, erklärt Erik Wischerhoff vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP). 

Test unter realen Bedingungen

Forscher des IAP und des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie (IME) untersuchten daher in einer dreijährigen Studie das Verhalten von PAMs unter realen Bedingungen in der Natur. Dazu haben die Forscher PAMs hergestellt, radioaktiv markiert und kontrolliert im Freiland ausgebracht. Alle sechs Monate entnahm das Team Bodenproben und extrahierte mit einem speziellen Verfahren die im Erdreich fein verteilten Polymere. Dank der radioaktiven Markierung konnten die Forscher die PAMs identifizieren und anhand von eigens angefertigten Vergleichspolymeren analysieren, inwieweit diese bereits abgebaut waren.

Nach zwei Jahren mehr als 20 Prozent abgebaut

„Wir haben festgestellt, dass in unserer Studie die Polyacrylamid-Copolymere innerhalb von zwei Jahren zu mehr als 20 Prozent abgebaut wurden und damit den Vorgaben der Düngemittelverordnung gerecht werden“, fasst Wischerhoff die Resultate zusammen, die im Fachjournal „Environmental Sciences Europe“ veröffentlicht wurden. Die Forscher konnten zudem festhalten, dass der Abbau zunächst darin besteht, dass die lange Kohlenstoffkette der Polymere zerbricht. Zu klären, wie genau dieser Abbau erfolgt, war nicht Teil der Studie, könnte nun jedoch im Anschluss geschehen.

Landwirtschaftsministerium muss entscheiden

Ob die Ergebnisse dieser Studie als allgemeine Bewertungsgrundlage für die Düngung mit PAMs enthaltenden Klärschlämmen herangezogen werden kann, muss jetzt das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft entscheiden. Das neue Verfahren könnte aber auch genutzt werden, um den Abbau von Polymeren oder Mikroplastik in der Umwelt zu untersuchen.

bl

Die europäische Initiative „European Research Area-Net Cofund on Biotechnologies" (ERA CoBioTech) hat sich zum Ziel gesetzt, Ansätze aus der Synthetischen Biologie, der Systembiologie, der Bioinformatik und der Biotechnologie voranzutreiben, um neue, biobasierte und nachhaltige Anwendungen in der Industrie zu ermöglichen.

An der nun veröffentlichten zweiten Ausschreibung haben sich europaweit 18 Fördereinrichtungen aus 14 Ländern beteiligt. Insgesamt steht ein Fördervolumen von 15,3 Millionen Euro zur Verfügung. Von deutscher Seite sind sowohl das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als auch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst (SMWK) vertreten, sodass deutsche Partner in den multinationalen Verbünden gefördert werden können. 

Gefördert werden interdisziplinäre, innovative und multinationale Verbundprojekte, die Partner aus mindestens drei verschiedenen Ländern an Bord haben. Die Ausschreibung richtet sich dabei an akademische Forschungseinrichtungen sowie kleine und mittlere Unternehmen in Europa, die mindestens zwei Ansätze aus den eingangs genannten Technologien  (Systembiologie, Synthetische Biologie, Bioinformatik, Biotechnologie) kombinieren, um neue industrielle Prozesse und Produkte zu entwickeln. Dabei stehen vor allem mikrobielle Gemeinschaften, die Ko-Kultivierung von Mikroben sowie neue Kaskadennutzungen im Fokus.

Nachhaltige Nutzung biologischer Ressourcen

Gefragt sind insbesondere Projekte, die neue Nutzungspotenziale biologischer Ressourcen zum Ziel haben – etwa neue Materialien, Duftstoffe, Lebensmittelinhaltsstoffe, Plattformchemikalien oder Textilien. Die Ausschreibung ist nicht auf einen bestimmten Industriezweig beschränkt. Auch die Optimierung bestehender Up- und Downstream-Prozesse kann gefördert werden.

Für Schwerkranke, Kinder und alte Menschen sind sie besonders gefährlich: multiresistente Keime. Die Gefahr ergibt sich aus der Anpassungsfähigkeit dieser Erreger, die immer öfter gegen verschiedene Antibiotika immun sind und somit Therapien wirkungslos machen. Viele dieser sogenannten Superkeime gelangen über Abwässer in die Umwelt und letztlich wieder zum Menschen. Doch wie verbreiten sich diese resistenten Bakterien und vor allem, welche Möglichkeiten gibt es, sie aus dem Abwasser zu entfernen?

Keime im aufbereiteten Wasser

Im Verbundprojekt HyReKA suchen zehn Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft seit 2016 nach Antworten und Lösungen. Ziel des Projektes ist es, den Eintrag antibiotikaresistenter Bakterien und von Antibiotikarückständen in die Umwelt zu untersuchen, deren Verbreitungswege, Risikopotenziale und Übertragungsrisiken abzuschätzen, technische Verfahren der Abwasseraufbereitung an Kläranlagen zu entwickeln und Handlungsempfehlungen zu formulieren. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung bis 2019 mit insgesamt 8 Mio. Euro gefördert. Daran beteiligt ist auch ein Team um den Mikrobiologen Thomas Schwartz vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 

„Resistente Bakterien gelangen über das Abwasser von Kliniken und Pflegeheimen, häuslichen Bereichen, Schlachthöfen und aus der Landwirtschaft in Kläranlagen. Hier konnten wir die Bakterien nicht nur in den Zuläufen, sondern auch in den Abläufen nachweisen“, berichtet Schwartz. Die Ergebnisse dieser Untersuchung machten deutlich, dass bisherige Verfahren der Abwasseraufbereitung in Kläranlagen nur einen Teil der Bakterien filtern und der Rest mit dem aufbereiteten Wasser wieder in Flüsse und Bäche geleitet wird.

Filterverfahren in Kläranlagen im Visier 

Im Rahmen des Verbundprojektes hat das Team um den Karlsruher Mikrobiologen daher verschiedene Filtermethoden, die in Kläranlagen zum Einsatz kommen, getestet, bewertet und teilweise bereits optimiert. Im Fokus standen dabei eine Ultrafiltrationsanlage, eine Ozon- sowie eine UV-Behandlung, eine Kombination aus beiden sowie eine Aktivkohlebehandlung. Erste Ergebnisse sind vielversprechend.

Die Umweltverschmutzung durch Plastikmüll ist derzeit in aller Munde – ob Müllinseln in den Weltmeeren oder Mikroplastik auf den Äckern. Da nicht überall auf Kunststoffverpackungen verzichtet werden kann, werden inzwischen immer mehr biologisch abbaubare Kunststoffe hergestellt, die die Umwelt weniger belasten sollen. Doch auch ihr Einsatz wird kontrovers diskutiert: Zwar hilft die biologische Abbaubarkeit im Kampf gegen die langfristige Vermüllung der Umwelt, doch könnte sie zugleich auch zu einem noch sorgloseren Umgang mit Verpackungsmüll und achtlosem Wegwerfverhalten führen, was die Umwelt noch stärker belasten würde.

Das Umweltbundesamt hat daher ein Gutachten in Auftrag gegeben, in welchem Materialien, Produkte und Standards der biologischen Abbaubarkeit beschrieben und die Verwertung betreffender Abfälle in fünf Mitgliedsstaaten der EU vergleichend dargestellt werden. Außerdem wurden wissenschaftliche Publikationen zu dem Thema ausgewertet. Das Ergebnis: Auch biologisch abbaubare Materialien bleiben mehrere Monate bis Jahre in der Umwelt. Das 150 Seiten umfassende Manuskript wurde von drei Forschern des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen zusammen mit drei Experten der BiPRO GmbH in München erstellt und steht online als kostenfreier Download bereit.

Mikroorganismen zersetzen Kunststoff

Dem Gutachten zufolge liegt der Anteil von Biokunststoffen in der globalen Kunststoffproduktion mittlerweile bei 1,3% – Tendenz steigend. Laut Definition ist ein Kunststoff dann biologisch abbaubar, wenn er durch Mikroorganismen unter Sauerstoffzufuhr in Kohlenstoffdioxid, Wasser, mineralische Salze und Biomasse zersetzt wird oder wenn er ohne Sauerstoffzufuhr in Kohlenstoffdioxid, Methan, mineralische Salze und Biomasse umgewandelt werden kann. Dabei gilt zu beachten, dass nicht alle biobasierten Kunststoffe biologisch abbaubar sind und zugleich nicht alle biologisch abbaubaren Kunststoffe biobasiert sind.

Abbau kann bis zu zwei Jahre dauern

Der biologische Abbau bei Polymeren erfolgt in zwei Etappen: Der erste, geschwindigkeitslimitierende Schritt ist eine Hydrolyse der Polymerketten in kleinere Fragmente. Diese sind meist wasserlöslich und können von Zellen aufgenommen und weiter abgebaut werden. Wie das Gutachten zeigt, benötigen die Polymere, abhängig von den Temperaturen, der Sauerstoffzufuhr und ob sie im Boden oder in Süß- oder Meerwasser abgebaut werden, mindestens sechs Wochen bis zu fast zwei Jahren für ihren Abbau.

Environmental pollution caused by plastic waste is a hot-button issue right now - whether it's waste islands in the oceans or microplastics in the fields which eventually end up in the intestines of humans. However, plastic packaging cannot be dispensed off everywhere. Thus, more and more biodegradable plastics are being produced, which are supposed to have less impact on the environment. Yet, although biodegradability might help against long-term littering, it could also lead to an even more careless handling of packaging waste, which would have an even greater impact on the environment.

The Federal Environment Agency has therefore commissioned a report in which materials, products and standards of biodegradability are described and the recovery of relevant waste in five EU member states is compared. In addition, scientific publications on the subject were evaluated. The result: even biodegradable materials remain in the environment for several months or even years. The 150-page manuscript was prepared by three researchers from the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT in Oberhausen together with three experts from BiPRO GmbH in Munich and is available online (German).

Microorganisms decompose plastics

According to the report, bioplastics makes up about 1.3% of the global plastics production - and growing. By definition, a plastic is biodegradable if it is decomposed into carbon dioxide, water, mineral salts and biomass by microorganisms with oxygen supply or if it can be converted into carbon dioxide, methane, mineral salts and biomass without oxygen supply. Of note: not all biobased plastics are biodegradable and not all biodegradable plastics are bio-based.

Degradation process can take up to two years

The biological degradation of polymers takes place in two stages: The first, speed-limiting step is the hydrolysis of the polymer chains into smaller fragments. These are usually water-soluble and can be absorbed and further degraded by cells. As the report shows, the polymers need at least six weeks up to almost two years to degrade, depending on the temperatures, the oxygen supply and whether they are degraded in the soil or in fresh or salt water.

Different approaches across EU

Throughout Europe there are different views and approaches regarding biodegradable plastics and their disposal. The report therefore also identified and compared the various strategies and disposal concepts. Here, the focus was on Germany, Italy, France, the Netherlands and Sweden. The product groups that are particularly relevant in Germany are mulch films, biowaste bags and plastic packaging. The main products used are biodegradable starch, polylactide (PLA), polybutylene succinate (PBS), polybutylene adipate terephthalate (PBAT) and polyhydroxyalkanoates (PHA).

Promoting financial incentives

According to the authors of the report, Italy and France have regulations that favour the use of biodegradable plastics. In France, for example, fruit and vegetable bags are required to be compostable and bio-based. And in Italy, disposable plastic bags must be industrially compostable and bio-based. Although the use of biodegradable plastics is also promoted in the Netherlands through financial incentives, there is no clear official regulation. The situation is similar in Germany and Sweden: According to the authors, there is a lack of financial incentives.

Call for legislative action

According to the assessment, the biological degradation of plastics is only advantageous if it provides an additional benefit. Otherwise, recycling would be economically and ecologically more valuable. Based on their analyses, the authors therefore give the following recommendations for Germany: "Leaving biodegradable mulch foils in the soil can be tolerated to a limited extent." Since the use of these foils has been fairly limited, the authors recommend to first focus on the possibility of recycling conventional (disposable) bags.

In contrast, biodegradable collection bags would "definitely support the collection of biowaste". For a successful and complete conversion to biodegradable plastic bags, however, clear labelling and comprehensive information for the public are important. Last but not least, the authors call on the legislators to provide more and better labelled biodegradable packaging materials: "In Germany, the extended producer responsibility also applies to packaging. Hence, it must be recycled in accordance with the Packaging Ordinance and, in the future, in accordance with the Packaging Act".

jmr

Ob Pflaumen, Aprikosen, Nektarinen oder Pfirsiche: Der Pflaumenblattsauger Cacopsylla pruni mag vielerlei Steinobst, vor allem aber den süßen Saft der Früchte. Das Insekt nistet sich auf einem Baum ein und vermehrt sich. Seit Jahren schon sorgt C. pruni so für große Verluste bei den Obstbauern. Zudem überträgt es das gefährliche zellwandlose Bakterium Candidatus Phytoplasma prunorum, das die Pflanzenkrankheit, die sogenannte Europäische Steinobstvergilbung (European Stone Fruit Yellows, ESFY), auslöst. Für infizierte Bäume gibt es kaum Rettung. Sie sterben innerhalb weniger Jahre ab.

Lebenszyklus des Schädlings erforscht

Um den Krankheitsüberträger besser bekämpfen zu können, haben Wissenschaftler vom Julius Kühn-Institut (JKI) im Rahmen des Projektes „PRUNI-Repel“ den Lebenszyklus des Schädlings untersucht. Das Team um Jürgen Gross vom JKI suchte nach Ansatzpunkten, um das Insekt gezielt daran zu hindern, an Pflaumenbäumen zu saugen und sich weiter zu vermehren. Der Grund: Hat sich das Insekt erst einmal vermehrt, verbreitet sich auch der Krankheitserreger. Die Ergebnisse der Studie sind im Fachjournal „Frontiers in Plant Science“ erschienen.

Schädlinge wechseln von Pflaumensaftkur zur Nadelbaumdiät

Wie die Forscher herausfanden, wechselt der Pflaumenbaumsauger im Sommer sein Quartier - noch während die Früchte reifen. Bereits in den Monaten Juni und Juli ziehen die Insekten in höhere Lagen um. Dort stellt C. Pruni seine Ernährung komplett um und zwar auf eine „Nadelbaumdiät“. „Durch unsere Aufnahmen mittels der Elektro-Penetrographie von Pflaumenblattsaugern, die an verschiedenen Koniferenarten saugen, konnten wir erstmals nachweisen, dass die Tiere tatsächlich Nahrung in Form von Phloem- und Xylemsaft der Nadelbäume aufnehmen.“

Wirtsbaum- und Diätwechsel sichert Überleben

Den Forschern zufolge sichert dieser Wirtsbaum- und Diätwechsel den Insekten das Überleben bis zur nächsten Paarungszeit im Frühjahr. Dann wechseln sie wieder in das Obstbaumquartier, weil die Larven für ihre Entwicklung den Pflaumennektar benötigen. „Jetzt, da wir sicher wissen, dass die Tiere sich von Nadelbäumen ernähren, wollen wir nun die einzelnen Komponenten der Baumsäfte genauer studieren“, erklärt JKI-Nachwuchsforscherin Jannicke Gallinger, die an der Studie beteiligt war.

Steinobstschädling mit Saftmix in die Falle locken

Nachdem die Forscher die Lebensgewohnheiten des Schädlings kennen, wollen sie den Steinobstschädling nun mit einer List bekämpfen. Die Idee: Ein Saftmix, der den Insekten besonders schmeckt, soll sie in die Falle locken. Dieser Cocktail soll C.pruni daran hindern, an den Pflaumenbäumen zu saugen und sich dort zu vermehren.

bb

Nachhaltige Alternativen gefragt

Artgerecht sollen die Vierbeiner ernährt werden und gesund soll es selbstverständlich auch sein. Bereits heute sind durch die zunehmende Urbanisierung und den Klimawandel landwirtschaftliche Nutzflächen gefährdet. Es ist zwingend notwendig nachhaltige Lösungen zu finden. Einen wichtigen Beitrag können Insekten leisten. Sie sind eine vielversprechende Alternative zu klassischen Fleischlieferanten.

Gesund und schmackhaft

Insekten sind äußerst nährstoffreich. Sie sind reich an Proteinen, Vitaminen, Mineralstoffen und ungesättigten Fettsäuren. Außerdem weisen Insekten einen vergleichsweise hohen bis vollständigen verzehrbaren Anteil auf und reproduzieren sich schnell. Auch im Ressourcenbedarf sind Insekten der Fleischproduktion weit überlegen, sie benötigen nur einen Bruchteil an Fläche, Futter und Wasser.

Marktreife

Mehrere Start-ups haben sich in den letzten Jahren mit der Thematik beschäftigt. Ihr Ziel - die nachhaltige Hundeernährung, ihre Ideen - ähnlich, das Futter - im Fachhandel oder online erhältlich.

Ohne sie gäbe es keine Elektromotoren, keine Smartphones und keine Plasmabildschirme: Schlüsselmetalle wie Terbium, Cer und Europium – sogenannte Seltene Erden – sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Weil sie, wie der Name sagt, knappe Ressourcen sind, kommt ihrem Recycling eine besondere Bedeutung zu. Zwar steigen die Sammelquoten defekter Energiesparlampen und Handys seit Jahren an.  Die Rückgewinnung der wertvollen Hightechmetalle ist schwierig, denn sie liegen nur in geringen Konzentrationen vor. Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Bergakademie Freiberg haben jetzt ein biotechnologisches Verfahren vorgestellt, das diese Herausforderung bewältigt.

Phagen-Display-Methode als Angel

Die Forscher verwenden dazu die in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnete Phagen-Display-Methode. Als Bakteriophagen bezeichnen Biologen auf Bakterien spezialisierte Viren. Mit molekularbiologischen Verfahren lassen sich an diesen Phagen kurze Peptidketten – die Bausteine für Eiweiße – anbringen. „Die Peptide können kleine Taschen formen, in die bestimmte Mini-Strukturen passen“, erklärt Franziska Lederer, Biologin am HZDR. Je nach Kombination der Peptide lassen sich so rund eine Milliarde unterschiedlich geformter Taschen erzeugen, auch solche, in die spezifisch ein Seltene-Erden-Element passt.

Bringt man diese Vielzahl an Phagen über einer Probe mit einem Element der Seltenen Erden aus, binden dort jene mit den passenden Taschen. Diese speziellen Phagen können nun analysiert und gezielt hergestellt werden, um künftig genau dieses Element aus Elektroabfällen herauszuangeln.

Peptide, auch Naturstoffe genannt, sind die Grundbausteine von Proteinen und werden nicht nur von unseren Zellen, sondern auch von Mikroorganismen wie am Fließband zusammengebaut. Als Grundbausteine von Proteinen, die wiederum unter anderem das Gerüst für zahlreiche Enzyme und medizinische Therapeutika sind, ist ihr Potenzial enorm. Vor allem die Pharma- und Kosmetikindustrie setzen deshalb immer mehr auf Peptide aus mikrobieller Herkunft. Diese Multitalente für den industriellen Einsatz maßzuschneidern, ist daher erklärtes Ziel vieler Forscher. Ein Team um Jens Wöhnert und Helge Bode von der Goethe-Universität Frankfurt am Main ist nun auf diesem Weg einen großen Schritt vorangekommen. Wie die Forscher im Fachjournal „Nature Communications“ berichten, konnten sie sowohl die Struktur als auch die Funktion sogenannter Docking-Domänen – wichtige Zwischenschritte bei der Peptid-Biosynthese – entschlüsseln.

Spezielle Enzyme kurbeln Peptidproduktion an

Bei der Peptidbildung sind Mikroorganismen auf die Hilfe spezieller Enzyme angewiesen. Diese nicht-ribosomalen Peptid Synthetasen (NRPS) sind dafür verantwortlich, dass die Peptide wie am Fließband zusammengesetzt und produziert werden. Vergleichbar mit der Montage eines Autos sind die NRPS an hintereinander geschalteten Stationen dafür verantwortlich, dass jeweils eine bestimmte Aminosäure eingebaut und prozessiert wird, bis am Ende ketten-, ringförmige oder anders modifizierte Peptide entstehen. Vor allem bei der Bildung größerer Petide kommen mehrere dieser speziellen NRPS-Schlüsselstellen nacheinander zum Einsatz – je größer das Peptid, desto mehr NRPS-Stellen. Die Reihenfolge dieser NRPS' wird von sogenannten Docking-Domänen bestimmt, die die einzelnen NRPS-Abschnitte im Schlüssel-Schloss-Prinzip aneinanderfügen. Die Passgenauigkeit der Andockstellen ist dabei entscheidend für die erfolgreiche Biosynthese der Peptide,

Wechselwirkung von Docking-Domänen geklärt

„Wir konnten die Strukturen von einzelnen Docking-Domänen und erstmals auch eines Docking-Domänen-Paars von NRPS bestimmen“, erläutert Carolin Hacker, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Jens Wöhnert. „So war es möglich, die Regeln für die Wechselwirkung der Docking-Domänen aufzuklären und diese so zu verändern, dass neue Naturstoffe gebildet werden“, fügt Xiaofeng Cai, Postdoktorandin in der Arbeitsgruppe von Helge Bode hinzu.

Biosynthesewege verknüpfen

Auch wenn die ersten Ergebnisse zu den Docking-Domänen vielversprechend sind: Der Weg zu maßgeschneiderten Naturstoffen ist noch weit. „Wir brauchen Strukturen weiterer und strukturell unterschiedlicher Docking-Domänen, um diese schließlich wie einen Baukasten zu verwenden. Unser Ziel ist es, verschiedene Biosynthesewege zu verknüpfen und so ganz neue Wirkstoffe herzustellen“, erklärt Wöhnert. „Die Natur war da sehr erfinderisch und es gibt offensichtlich viele unterschiedliche Möglichkeiten, diese komplexen Enzyme zur Zusammenarbeit zu überreden“, ergänzt Bode.

bb

Der Schwarzhörnige Totengräber, im Fachjargon Nicrophorus vespilloides genannt, gehört zu den Aaskäfern und ist in ganz Europa heimisch. Er betreibt intensive Brutpflege und vergräbt Kadaver kleiner Tiere als Futterquelle für seinen Nachwuchs. Laut einer neuen Studie von Forschern der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU, des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie (MPI) in Jena und der Universität Mainz, geben die Käfer-Eltern ein spezielles Darmsekret auf das Aas, um ihren Nachwuchs vor faulendem Futter und den daraus resultierenden Giftstoffen zu schützen.

Fäulnismikroben durch nützliche Mikroorganismen ersetzt

Wie die Chemiker und Ökologen im Fachjournal „PNAS“ berichten, ersetzen die Käfer die schädlichen, fäulnishervorrufenden Mikroorganismen, die das Aas besiedeln, mit nützlichen Mikroorganismen aus ihrem eigenen Darm. So entsteht eine gesunde und nährstoffreiche Umgebung, in der sich die Käferlarven gut entwickeln. Ohne Gegenmaßnahmen würde das Aas schnell von Mikroben zersetzt werden und faulen, wodurch giftige Stoffwechselprodukte gebildet und Nährstoffe abgebaut würden.

Käfersekret lässt Larven besser gedeihen

Für die Studie haben die Forscher die Bakterien- und Pilzgemeinschaften von Kadavern mit und ohne Käfersekret bestimmt und die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen verglichen. Außerdem untersuchten sie zwei typische Fäulnisverbindungen, Putrescin und Cadaverin, die maßgeblich zum Verwesungsgeruch beitragen. Das Ergebnis: „Die Käfer sterilisieren nicht einfach den Kadaver. Vielmehr ersetzen sie das für Aas typische Mikrobiom mit einem noch komplexeren: mit Symbionten aus ihrem eigenen Darm“, erläutert der Erstautor Shantanu Shukla vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie. Die vom Käfer übertragenen Hefepilze, so Shukla weiter, ersetzen und verdrängen die Schimmelpilze aus dem Boden, die einen Kadaver normalerweise sehr schnell überwachsen.

Außerdem belegt die Studie den Nutzen des Käfersekretes: Käferlarven, die an Kadavern ohne Symbiontenfilm groß gezogen wurden, blieben deutlich kleiner, unabhängig von der Futtermenge. „Der Totengräber ist ein faszinierendes Beispiel dafür, wie sich Lebewesen mit Hilfe ihrer symbiotischen Mikroorganismen schwierige Ressourcen erschließen können“, fasst Heiko Vogel vom MPI in Jena und Leiter der Studie zusammen.

Ressource für neue antimikrobielle Wirkstoffe

In zukünftigen Projekten soll jetzt das Potenzial der identifizierten Hefepilze genauer unter die Lupe genommen werden. „Da das von den Käfern übertragene Mikrobiom das Wachstum gefährlicher und giftproduzierender Bakterien und Pilze unterdrückt, wird diese Ressource für die Suche nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen genutzt“, so Andreas Vilcinskas, Professor am Institut für Insektenbiotechnologie der JLU und Leiter der Antibiotikaforschung im Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie.

Die Studie wurde von der Max-Planck-Gesellschaft und der Fraunhofer-Gesellschaft über das Kooperationsprojekt „AIM-Biotech – Einsatz von Insekten-assoziierten Mikroorganismen in der industriellen Biotechnologie” gefördert.  

jmr

Lachgas, bei Chemikern als Distickstoffmonoxid (N₂O) bekannt, schädigt die Ozonschicht und ist ein potentes Treibhausgas. Sechs Prozent der vom Menschen verursachten Klimaerwärmung werden dem Gas zugeschrieben. Rund zwei Drittel der weltweiten N₂O-Emissionen verursacht die Viehhaltung. Doch auch Pflanzen haben einen bislang unterschätzten Anteil am globalen Lachgasausstoß, wie eine interdisziplinäre Forschergruppe der TH Bingen und der Universität Heidelberg jetzt im Fachjournal „New Phytologist“ berichtet.

34 Pflanzenarten im Labor untersucht

Das Team hat 34 Pflanzenarten untersucht, darunter wichtige Ackerpflanzen wie Tabak und Mais, und unter kontrollierten Bedingungen im Labor ermittelt, wie viel Lachgas die Pflanzen in die Luft abgeben. „Das Verhältnis von N₂O und CO₂ korreliert, und so konnten wir die bereits gut erforschte Kohlendioxidfreisetzung der Pflanzen nutzen, um die Menge des abgegebenen Lachgases zu berechnen“, erläutert Katharina Lenhart, die an beiden beteiligten Hochschulen arbeitet. Dazu mussten die Messungen in Dunkelheit ausgeführt werden, damit die Ergebnisse nicht durch das bei der Photosynthese der Luft entnommene CO₂ verfälscht werden.

Durch Analysen der Isotopenzusammensetzung des Lachgases – also der Anteile der natürlichen Varianten der beteiligten chemischen Elemente – konnten die Forscher zudem ausschließen, dass das Gas von Mikroorganismen oder anderen Quellen als den Pflanzen stammte. Wie ein Fingerabdruck hat jede Quelle ihr typisches Muster und lässt sich so unterscheiden. 

Alle getesteten Arten emittierten Lachgas

Im Ergebnis zeigte sich, dass jede der untersuchten Pflanzenarten Distickstoffmonoxid emittiert. Nach Schätzungen der Forscher gehen somit fünf bis zehn Prozent des natürlichen Lachgases in der Atmosphäre auf Pflanzen zurück. Im Gegensatz zu der vom Menschen verursachten Klimaerwärmung ist dieser Prozess Teil eines natürlichen Effekts, ebenso wie die weit größeren N₂O-Emissionen durch Mikroben. Dennoch muss das Ausmaß dieses Prozesses bekannt sein, um den menschlichen Anteil am Lachgasausstoß richtig berechnen zu können. Bislang werden Pflanzen in den gängigen Klimamodellen nicht als Lachgasquelle berücksichtigt.

Jetzt sollen Feldstudien folgen

„Diese Studie war nur ein erster Schritt, um die Lachgasfreisetzung durch Pflanzen zu quantifizieren und die biochemischen Prozesse zu verstehen“, betont Lenhart. „Um die Rolle der Pflanzen am Kreislauf von Lachgas wirklich zu verstehen und genauer zu beziffern, sind weitere Untersuchungen an repräsentativen Pflanzenarten und vor allem an Bäumen notwendig.“ Die Forscher wollen nun Feldstudien durchführen und dabei weitere Pflanzenarten einbeziehen.

bl

Laughing gas, also known as nitrous oxide or N₂O, damages the ozone layer and belongs to the so-called greenhouse gases. Six percent of man-made global warming is attributed to this gas. And most of the global N₂O emissions are caused by livestock farming. However, an interdisciplinary research group from the University of Applied Sciences Bingen and the Heidelberg University now reports that plants also emit substantial amounts of this gas and therefore share a previously underestimated amount of the global nitrous oxide emissions. The results are published in the journal "New Phytologist".

Examining 34 plant species

The team studied 34 different plant species, including important arable crops such as tobacco and maize, and determined under controlled laboratory conditions how much nitrous oxide the plants emit to the air. “The N₂O and CO₂ ratio is correlated, so we were able to use the ample existing research on plant carbon dioxide emissions to calculate the amount of nitrous oxide released,” explains Katharina Lenhart, botany professor at the Bingen University and guest scientist in Heidelberg. The measurements were carried out in darkness so that the results would not be falsified by the CO₂ removed from the air during photosynthesis.

By analyzing the isotope composition of nitrous oxide - the proportion of natural variants of the chemical elements involved - the researchers were also able to rule out the possibility that the gas originated from microorganisms or sources other than plants. Like a fingerprint, each source has its typical isotope pattern and can thus be distinguished.

Including plants in new climate change models

The results showed that each of the investigated plant species emits nitrous oxide. According to the researchers' estimates, five to ten percent of the natural nitrous oxide in the atmosphere is caused by plants. However, in contrast to man-made global warming, this is part of a natural process, as are the much larger N₂O emissions from microbes. Nevertheless, the extent of this process must be known in order to adequately calculate the human contribution to nitrous oxide emissions and climate change. Until now, plants have not been considered as a source of nitrous oxide in current climate models.

Field studies to follow

“This study was just a first step toward quantifying plant emissions of nitrous oxide and understanding the related biochemical processes,” emphasises Lenhart. “To truly understand the role of plants in the nitrous oxide cycle and to quantify it more precisely, further studies on representative types of plants, especially trees, are needed.” For future studies the researchers are therefore planning to carry out field studies including other plant species and looking at the emissions as part of an entire ecosystem.

jmr