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Schon seit dem Jahr 2000 wird an Löwenzahn als alternativer Kautschuklieferant für die Automobilindustrie gearbeitet. Als erste Idee hatten Continental und Fraunhofer-Forscher Autoreifen präsentiert. Auf der Internationalen Automobilaustellung (IAA), die noch bis zum 27. September in Frankfurt stattfindet, wird nun die nächste Idee vorgestellt: Denn auch für Schwingungs- und Lagerungselemente in Fahrzeugen wie Motorlager könnte der Naturkautschuk eingesetzt werden, wie neueste Forschungsergebnisse belegen.

Traditioneller Naturkautschuk wird bislang ausschließlich in Gummibaumplantagen in den Regenwaldgebieten dieser Erde gewonnen – dem sogenannten Kautschukgürtel. Die Transportwege sind lang, aber zurzeit noch alternativlos. Das würde sich ändern, wenn Naturkautschuk mit mindestens gleichen Leistungseigenschaften künftig auch aus der Löwenzahn-Wurzel gewonnen werden könnte. „Wir sehen große Vorteile für die Umwelt und mehr Unabhängigkeit von traditionellen Rohstoffen mit ihren teilweise stark schwankenden Marktpreisen“, sagt Anna Misiun von Continental. „Löwenzahn wächst auf den marginalen Böden und auch in Regionen mit moderaten Klimaten. Transporte aus tropischen Ländern würden damit entfallen und die CO2-Bilanz des Rohstoffs verbessern.“ Zusätzlich steigt weltweit der Bedarf an Naturkautschuk. Auch hier könnte die umweltfreundliche Alternative aus Löwenzahn für eine Entspannung am Kautschukmarkt sorgen.

Pusteblume mit Potential

Seit dem Jahr 2000 versuchen deutsche Forscher bereits, den Löwenzahn als Gummilieferant für die Industrie fit zu machen. Denn in den Blättern der „Pusteblume“ schlummert ein milchiger Saft, der biotechnologisch aufbereitet, genauso elastisch ist, wie der zur Reifenherstellung üblicherweise verwendete Kautschuk des  Gummibaumes.  Bei der alternativen Kautschukquelle handelt es sich um den russischen Löwenzahn. Im Vergleich zu seinem deutschen Verwandten, liefert die Pflanze aus dem Kaukasus wesentlich mehr Milchsaft. Gemeinsam mit Contitech Vibration Control  wird die Pflanze von Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME und des Instituts für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der Universität Münster bereits seit 2013 intensiv untersucht.Und das mit Erfolg: Inzwischen hat sich der Saft aus der Wurzel des Löwenzahns schon bei der Herstellung einiger Prototypen von Autoreifen bewährt.

Nach Autoreifen nächste Produkte im Visier 

Seither wird nach weiteren Anwendungen für den Einsatz von Löwenzahn-Kautschuk in der Fahrzeugindustrie geforscht. Auf der IAA in Frankfurt (Halle 5, Stand A08) sind derzeit erste Ergebnisse einer neuen Testreihe zu sehen: Sie zeigen vielversprechende Versuche,  den nachhaltigen Rohstoff bei der Herstellung von Schwingungs- und Lagerungselementen wie Motorlager in Autos einzusetzen.

Haltbarkeit von Autoteilen verbessern

Motorlager sind im Fahrzeug das Verbindungsglied zwischen  dem Antriebsaggregat und der Karosserie. Sie nehmen statische Lasten auf, isolieren den Körperschall, begrenzen die Bewegung des Motors und verhindern, dass er bei einem Unfall abreißt. Zusätzlich dämpfen sie Schwingungen und Stöße, die von der Fahrbahn ausgehen. Hier soll der Naturkautschuk helfen, die Elemente auf die unterschiedlichen Anwendungen anzupassen und die Teile gleichzeitig langlebig zu machen. Das Problem: Die Anforderungen an Motor- oder Getriebelager sind anders als bei Autoreifen. „Wir müssen beispielsweise mit starken dynamischen Beanspruchungen bei hohen Temperaturen zurechtkommen. Darum haben wir bei unseren Entwicklungen einen anderen Fokus als die Reifenkollegen“, erläutert Anna Misiun, die bei ContiTech Vibration Control das Löwenzahn-Forschungsprojekt koordiniert.

Löwenzahn-Kautschuk noch nicht massentauglich

Trotz der Schwierigkeiten ist das Ziel des Forscherverbundes klar: die Entwicklung eines umwelt- und ressourcenschonenden Verfahrens, um den Löwenzahn-Kautschuk im industriellen Maßstab herzustellen - und damit die Basis für neue Reifen oder Motorlager zu schaffen. Mit der Entwicklung einer Pilotanlage zur Extraktion von Naturkautschuk aus den Wurzeln des russischen Löwenzahns  und den ersten erfolgreichen Reifen-Prototypen, ist man dem Ziel schon näher gekommen. Bis zu einem kommerziellen Einsatz von ersten Produkten wie dem Reifen werden nach Einschätzung der Forscher aber noch fünf bis zehn Jahre vergehen. „Durch die Nutzung von Löwenzahn als Kautschuklieferant kann die Herstellung von Reifen noch umweltverträglicher werden, ohne dass wir dabei auf unsere hohen Qualitätsstandards verzichten oder Performance-Einbußen in Kauf nehmen müssen“, betont Carla Recker, die bei Continental das Reifenprojekt leitet. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-IME, dem Julius Kühn-Institut und dem Züchtungsunternehmen Aeskulap wird jetzt nach Möglichkeiten gesucht, möglichst viel hochwertigen Kautschuk aus Löwenzahn zu gewinnen.

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen und biobasierten Wirtschaft sind alternative und ressourcenschonendere Stoffe gefragt. Dieser Entwicklungsprozess soll jetzt mit der Gründung eines internationalen Kompetenzzentrums für nachhaltige Chemie angekurbelt werden. Das hat  Umweltstaatssekretär Jochen Flasbarth zum Auftakt der zweitägigen Konferenz „Sustainable Chemistry 2015“ am 24. September in Berlin angekündigt. Vor rund 200 Vertretern aus Wirtschaft und Forschung forderte er die internationale Gemeinschaft auf, Mensch und Umwelt besser vor gefährlichen Chemikalien zu schützen und dabei auch Entwicklungs- und Schwellenländer mit einzubeziehen.

Chemie ist allgegenwärtig. Viele Chemikalien sind giftig oder teilweise für Mensch, Tier und Umwelt schädlich. Doch wie kann Chemie nachhaltiger werden? Über diese und andere Fragen wurde vergangene Woche in Berlin auf der Konferenz „Sustainable Chemistry 2015: The way forward“ diskutiert. An der vom Bundesumweltministerium und dem Umweltbundesamt (UBA) initiierten Veranstaltung nahmen rund 200 Vertreter aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Verbänden teil. „Die Auswirkungen von gefährlichen Chemikalien auf Umwelt und Gesundheit machen nicht an Ländergrenzen halt“, betonte Umweltstaatssekretär Jochen Flasbarth in seiner Auftaktsrede. Er appelierte an die internationale Gemeinschaft, die Anstrengungen zu verstärken, „um die Herstellung und Verwendung von Chemikalien weltweit sicherer zu machen und Mensch und Umwelt vor schädlichen Auswirkungen zu schützen“. Nachhaltige Chemie bedeute mehr als bloß Chemikaliensicherheit.

Globales Netzwerk für nachhaltige Chemie

Um den vor Jahren angekurbelten Prozess der nachhaltigen Chemie voranzutreiben, kündigte Flasbarth die Einrichtung eines internationalen Kompetenzzentrums an. Darin soll ein interdisziplinäres Expertenteam Wissen und Innovationen zur nachhaltigen Chemie bündeln und somit helfen, sie schneller umzusetzen. Das Netzwerk, das 2017 die Arbeit aufnehmen wird, kann laut Flasbarth aber nur erfolgreich sein, wenn das Problem in seiner Gesamtheit betrachtet und nicht nur auf den Aspekt des Chemikalienmanagments reduziert wird. „Zu den Kernaufgaben gehören ökologische Fragestellungen wie der sparsame Verbrauch von endlichen Rohstoffen, die Vermeidung von gefährlichen Abfällen, die Vermeidung von Emissionen gefährlicher Stoffe in die Umwelt, der Erhalt der biologischen Vielfalt, aber auch soziale und ökonomische Fragen“. Gleichzeitig gab Flasbarth zu bedenken, dass das Programm nur umzusetzen sei, wenn es ökonomisch erfolgreich ist und auch den Entwicklungs- und Schwellenländern wirtschaftlichen und sozialen Fortschritt verspricht.

Die "Sustainable Chemistry Conference 2015" diente auch als Plattform, um bereits erfolgreiche Geschäftsmodelle zu präsentieren. So werden nach Angaben von UBA-Präsidentin Maria Krautzberger erneuerbare Rohstoffe wie Stroh, Heu und Blätter schon heute genutzt, um mit Hefemycelium Baumaterialien herzustellen. „Der Mycelium-Pilz nutzt die Rohstoffe als Nahrung und bindet sie. Durch Hitze und Druck wird das Material zu Formteilen gepresst, die etwa als Bauplatten, Verpackungen oder sogar Möbelstücke Verwendung finden“, erklärte Krautzberger. Das Material könnte auch in der Autoindustrie zur Schallisolierung oder Innenverkleidung verwendet werden.

Leitfaden als Entscheidungshelfer für Unternehmen

Um die Industrie auf dem Weg der Nachhaltigkeit zu begleiten, hat das Umweltbundesamt einen Leitfaden als Entscheidungshelfer aufgelegt. Er soll Unternehmen helfen, nachhaltige Chemikalien von nicht nachhaltigen Stoffen zu unterscheiden und so zum Einsatz weniger schadstoffhaltiger und umweltgefährdender Substanzen motivieren. 

BMBF fördert Projekte zu perfluorierten Chemikalien

Zu den gefährlichsten Substanzen zählen beispielsweise per- und polyflourierte Stoffe (PFC),  die auf Grund ihrer wasser- und schmutzabweisenden Eigenschaften in einer Vielzahl von Produkten des täglichen Lebens wie Outdoorkleidung und Verpackungen verwendet werden. Sie gelangen durch Herstellung, Verwendung oder Entsorgung in die Umwelt und mitunter sogar in Lebensmittel. Erst kürzlich bestätigte die Bundesregierung auf eine Anfrage des Bundesumweltministeriums, dass perfluorierte Substanzen in höheren Konzentrationen die Leber schädigen können und sich im Tierversuch sogar als krebsauslösend und schädlich für die Fortpflanzung erwiesen haben. Im Rahmen des Förderschwerpunktes "Nachhaltiges Wassermanagement" unterstützt das Bundesforschungsministeriums derzeit aktuell zwei Verbundforschungsprojekte, die sich mit den Gefahren von PFC-Chemikalien für Mensch und Umwelt befassen.

Der Spezialchemiekonzern Clariant hat sein neues Biotech-Forschungszentrum am 1. Oktober in Planegg-Martinsried feierlich eröffnet. In das neue Gebäude werden rund 100 Mitarbeiter der Clariant-Sparte Group Biotechnology einziehen. Erst 2013 hatte der Konzern in Frankfurt am Main das Clariant Innovation Center eröffnet. In Straubing betreibt Clariant zudem eine Demonstrationsanlage, in der Biosprit aus Stroh gewonnen wird.

„Das neue Clariant Biotech Center ist neben dem Clariant Innovation Center in Frankfurt ein weiteres wichtiges globales Forschungszentrum für unser Unternehmen“, betonte Clariant-Chef Hariolf Kottmann in seiner Ansprache vor über 100 Vertretern aus Politik und Wirtschaft. Bayern – und insbesondere auch der Großraum München – sei ein führender Forschungs- und Entwicklungsstandort im Bereich der Biotechnologie, so Kottmann weiter. Im Fokus der Clariant-Forscher im neuen Biotech-Zentrum steht vor allem die Entwicklung biobasierter Produkte und Prozsse im Bereich der Feinchemikalien und Biokraftstoffe. Der Chef der Sparte, Andre Koltermann, ist überzeugt, dass das neue Gebäude mit mehr als 6.000 Quadratmetern Labor- und Bürofläche dafür hervorragende Bedingungen bietet.

Industrielle Biotechnologie als Schlüsselbranche

„Ein dezidiertes Forschungszentrum für Biotechnologie in einem eigenen Gebäude im Herzen eines der größten Biotech-Hubs Europas ist mehr als nur eine starke Aussage. Es unterstreicht Clariants Bekenntnis zu Innovation, Nachhaltigkeit und profitablem Wachstum", so Koltermann. Die stellvertretende bayerische Ministerpräsidenten und Wirtschaftsministerin Ilse Aigner gratulierte zur Eröffnung: „Die industrielle Biotechnologie ist eine der Schlüsselbranchen des 21. Jahrhunderts. Mit Clariant haben wir eines der international herausragenden Unternehmen in diesem Bereich in Bayern. Die Eröffnung des neuen Biotechnology Centers in Planegg ist ein sichtbares Bekenntnis zum Forschungsstandort Bayern.“

Besser vernetzt mit Martinsrieder Cluster

Der Schweizer Spezialchemiekonzern hatte im vergangenen Jahr mit den Arbeiten am neuen Zentrum begonnen. In der bisherigen Niederlassung Obersendling  – einst mit nur 20 Mitarbeitern gestartet – reichte der Platz nicht mehr. Ein weiterer Standortvorteil: Clariant kann sich so besser mit dem Biotech-Cluster in Martinsried vernetzen. In Bayern ist zudem eine Demonstrationsanlage angesiedelt, in der jährlich rund 4.500 Tonnen Agrarreststoffe wie Getreide- oder Gemeinsam mit dem Autobauer Mercedes-Benz und dem Kraftstoffspezialist Haltermann wurde bereits ein erster Flottentest mit „Sunliquid 20“ durchgeführt. Es ist ein Benzin, dem ein Anteil von 20 Prozent Celluloseethanol beigemischt ist. Erste Zwischenergebnisse waren Ein weiteres Forschungszentrum betreibt der Konzern zudem in Frankfurt/Main. Hier wurd eim Jahr 2013 das Clariant Innovation Center eröffnet. Es dient als zentrale Drehscheibe zur Vernetzung der weltweiten Forschungsaktivitäten im Bereich Prozesstechnologie.

Biokunststoffe sind zwar biobasiert, aber sie sind nicht automatisch auch umweltfreundlich. Zudem werden die chemischen Grundbausteine für die Bioplastik-Produktion meist noch aus den stärkehaltigen Früchten von Nutzpflanzen gewonnen. Um diese Konkurrenz mit der Nahrungsmittel-Produktion zu vermeiden, ging vor vier Jahren das EU-Forschungskonsortium „Bioconsept“ an den Start. Es hat Produktionsprozesse für zwei sogenannte Plattformchemikalien entwickelt, die aus ungenießbarer Biomasse gewonnen werden – wie etwa Holz oder altem Pflanzenöl. 29 europäische Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft arbeiten in dem Konsortium zusammen, um diese Prozesse erstmals im größeren Maßstab umzusetzen. Bei einer Tagung im Ständehaus in Merseburg wurde am 10. und 11. November Bilanz gezogen.

Das Konsortium „Bioconsept“ ging 2012 an den Start und ist seitdem mit knapp 9 Millionen Euro von der EU gefördert worden. Koordiniert wird das Vorzeigeprojekt mit 29 Partnern aus 13 Ländern von der niederländischen Forschungsorganisation TNO. Mit an Bord sind auch die deutsche Fraunhofer-Gesellschaft, und weitere Forschungsorganisationen aus Belgien, Finnland und Spanien. Hinzukommen zahlreiche Unternehmen aus der chemischen Industrie – darunter zehn Branchenriesen wie Evonik, Clariant und Fluor sowie 14 mittelständische Unternehmen.

Biobasierte Chemikalien-Produktion

Für ihr Projekt der grünen Chemie hatten sich die Forscher ambitionierte Ziele gesteckt: „Wir wollen günstiger und nachhaltiger sein als bestehende Prozesse, ohne dabei in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion zu stehen“, so der Koordinator Dirk Vendoes von TNO in Gent. Als Ausgangsmaterial setzten die Tüftler von Bioconsept deshalb auf „ungenießbare“ Biomasse – bisher ungenutzte pflanzliche Reststoffe wie Öle und Fette sowie Lignocellulose (z.B. Holz oder Stroh). Aus diesen Rohstoffen haben sie Zwischenprodukte hergestellt. Aus diesen chemischen Grundbausteinen lassen sich in einem nächsten Schritt komplexere Verbindungen wie Polymere, Harze, Weichmacher, Biotenside und Lösungsmittel herstellen. Das europäische Vorzeigeprojekt beschäftigte sich mit der gesamten Produktionskette, von den Rohstoffen bis zu den Endprodukten.

Holz zu FDCA

Auf zwei Moleküle aus zwei unterschiedlichen Biomassequellen hat sich das Konsortium konzentriert, Furandicarbonsäure (FDCA) sowie Epoxid. „FDCA ist eine Plattformchemikalie, aus der sich Kunststoffe für Verpackungen oder Textilien herstellen lassen“, erklärt Carol Engel von TNO in Gent. Die Forscher haben dazu einen Prozess entwickelt, mit dem sich aus Buchenholz zunächst Zuckermoleküle gewinnen lassen. Sie dienen speziellen Bakterien als Nahrung, die in großen Stahlkesseln kultiviert werden und daraus die organische Säure FDCA herstellen. Zunächst ist das Ergebnis eine braune Brühe. „Wir haben die Produktion und die Aufreinigungsschritte so miteinander verknüpft, dass wir am Ende ein weißes Pulver herstellen können – reines FDCA, fertig für den Industrieeinsatz“, erläutert Engel. Gelungen ist die Umsetzung dem Team um Gerd Unkelbach am Fraunhofer CBP am Chemiestandort Leuna. Das 2012 eröffnete Bioraffinerie-Forschungszentrum beeindruckt mit einem Maschinenpark, der in Europa einzigartig ist. „Wir haben bereits bis zu 50 Kilogramm FDCA hergestellt, und wir wissen, wie sich der Prozess in den industrierelevanten Maßstab skalieren lässt“, betont Bioconsept-Koordinator Vendoes. Bei den Produktionskosten liege man bei 1 bis 2 Euro pro Kilogramm, und damit im gleichen Rahmen wie der derzeit in der Industrie übliche Produktionsprozess.

Weichmacher aus Pflanzenölabfall

Mit der Herstellung der zweiten biobasierten Chemikalie, Epoxid, hat sich ein Team um die Biotechnologin Sabine Zibek vom Fraunhofer IGB in Stuttgart beschäftigt. „Unser Rohstoff ist ein Pflanzenöl, das bei der Biodieselproduktion als Abfall anfällt“, sagt Zibek. Mithilfe von zugegeben Enzymen als Helfer werden Epoxide hergestellt. Epoxide sind in der Kunststoffindustrie als Weichmacher gefragt, mit diesen Zusatzstoffen lassen sich die Eigenschaften von Polymeren gezielt beeinflussen. „Entscheidend zur Kostensenkung trägt unser Enzym-Recycling bei, wir können die Biokatalysatoren bis zu fünfmal wiederverwenden“, so Zibeck. Auch von den Epoxiden wurden bereits bis zu 100 Kilogramm hergestellt. Robuste Enzyme und Mikroorganismen, kontinuierliche Prozesse, neue Reaktoren und selektive Aufarbeitungstechnologien leisteten einen entscheidenden Beitrag zur Kostenreduktion in der Produktion. Sie waren nach Ansicht der Forscher der Schlüssel für die erfolgreich Demonstration der Herstellungsprozesse für FDCA und Epoxide.

Die Biodiversität landwirtschaftlicher Nutzflächen ist seit Jahren rückläufig. Wie hoch der Verlust der Artenvielfalt von Pflanzen und Tieren und Mikroorganismen tatsächlich ist, lässt sich auf Grund der Komplexität bisher nicht exakt bestimmen. Im EU-Forschungsprojekts “Indikatoren für Biodiversität in biologischen und extensiven Landwirtschaftssystemen" (BIOBIO) haben Wissenschaftler ein Instrumentarium geschaffen, mit dessen Hilfe leicht und kostengünstig die Artenvielfalt auf den Äckern Europas gemessen werden kann. Bei dem Agro-Monitoring handelt es sich um ein Set aus 23 Indikatoren, dass sowohl die Vielzahl der Lebensräume, die darin beheimateten Pflanzen- und Tierarten sowie deren genetische Vielfalt aber auch Bewirtschaftungsarten abgleicht. An der Studie, die im Fachjournal Journal of Applied Ecology (2015, Online-Vorabveröffentlichung) erschienen ist, waren auch Forscher der Universität München beteiligt.

Felder, Wiesen und Weiden sind der Lebensraum für Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen. Doch durch die Intensivierung der Landwirtschaft und eine zunehmende Industrialisierung der Tierhaltung gehen Lebensraum und Nahrungsgrundlage vieler Arten verloren. Damit steht auch die Funktionalität unseres Ökosystems auf der Kippe. Doch wie kann man die Artenvielfalt ermitteln und damit das Ausmaß des Verlustes an Biodiversität feststellen? Im Rahmen eines Forschungsprojektes haben Wissenschaftler europaweit nach einer Antwort gesucht. Ziel des EU-Projektes “Indikatoren für Biodiversität in biologischen und extensiven Landwirtschaftssystemen" (BIOBIO) war es einen Satz von Indikatoren zur Biodiversität zu finden, die wissenschaftlich fundiert und auf europäischer Ebene für alle Interessensgruppen gleichermaßen bedeutsam und nützlich sind.

Bei der Entwicklung eines geeigneten Messinstrument waren zwölf europäische Länder, darunter Österreich, Frankreich, Bulgarien und Norwegen beteiligt. In die deutsche Fallstudie war das Team um Sebastian Wolfrum vom Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme der Technischen Universität München involviert. „Wir haben uns an diesem Projekt beteiligt, um die Arten- und Lebensraumvielfalt der bayerischen Agrarlandschaft langfristig zu verbessern. Unsere Erkenntnisse sollen dabei helfen, die Wirksamkeit betrieblicher Agrarumweltmaßnahmen zu beurteilen, sie falls nötig anzupassen und somit den Einsatz staatlicher Fördermittel zu optimieren“, erklärt Wolfram.

Monitoring bündelt 23 Indikatoren

Ausgangspunkt für die Entwicklung des sogenannten „Agro-Monitorings“ waren Gespräche mit erfahrenen Praktikern aus Agrarverbänden, Naturschutz und Verwaltung. Von den Experten erfuhren die Wissenschaftler, von welchen Indikatoren der Artenvielfalt sie den höchsten Mehrwert erwarten. Aus den Antworten ergab sich ein Paket aus Messgrößen, dass sowohl Angaben über Lebensräume und Pflanzenarten aber auch Bewirtschaftungsarten und Informationen zu Wildbienen, Regenwürmer und Spinnen beinhaltete.

Von den insgesamt 23 Indikatoren waren 16 für alle Betriebsarten wie Acker- und Gemüsebau, spezialisierte Weideviehbetriebe, gemischte Landwirtschaft und Dauerkulturbetriebe relevant, während die Übrigen nur auf bestimmte Betriebsarten anwendbar waren.Im Rahmen sogenannter Fallstudien wurde das Indikatoren-Set schließlich in den zwölf europäischen Ländern großflächig getestet. Entsprechende Untersuchungen wurden aber auch in Uganda, Tunesien und Ukraine durchgeführt, um die Anwendbarkeit außerhalb der EU zu prüfen.

Einfach und günstig Biodiversität messen

Das Ergebnis: Die wenigen Messgrößen ergänzen sich so gut, dass sie größere Veränderungen in der Agro-Biodiversität sichtbar machen können. Ob das Indikatoren-Set in der Praxis tatsächlich seine Anwendung finden wird, liegt Sebastian Wolfrum zufolge nicht allein an den Forschern. „Unsere Ergebnisse sind vielversprechend, aber es liegt nun an der Politik, etwas daraus zu machen“. Die Kosten dafür sind zumindest geringer als gedacht. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ein EU-weites Agro-Monitoring der Artenvielfalt mit maximal 0,75 Prozent nur einen bescheidenen Anteil vom europäischen Budget für Agrarpolitik (GAP) beanspruchen würde und die einzelnen Ergebnisse der Mitgliedsländer zu einem europäischen Gesamtbild zusammenfügen könnte.

Drinking water is a natural product and is comprised of around 80% groundwater and spring water. Not surprisingly, the quality requirements for drinking water are extremely high. To this end, intricate analyses provide information on water quality and reveal whether the infrastructure of the water system is in proper working order. For water utility companies, it is also becoming increasingly important to maintain precise knowledge of their water catchment areas so that the respective protected areas can be exactly defined and demarcated. Moreover, the new EU Drinking Water Directive emphasises risk assessments for funded regions, which necessitates corresponding and appropriate methods of measurement.

Water dwellers as indicators

Because drinking water supply systems, from wells to waterworks to pipelines, are populated by a huge variety of wildlife, biological indicators can be extremely informative for these types of hydrological questions and environmental assessments. While some of these count as naturally occurring, others are less desirable and problematic, including the crustacean Asellus aquaticus, which is widespread in northern and western Europe. In some areas, these tiny creatures propagate rapidly and broadly, although they ultimately pose more of an aesthetic than a hygienic problem. Nevertheless, combating this issue is a painstaking, complex and sometimes prolonged process.

Genetic fingerprint enables an analysis of origin

To gain a more detailed understanding of the propagation patterns of these water lice, experts working at the Institute for Groundwater Ecology IGÖ GmbH at the University of Koblenz-Landau have developed a testing procedure that functions not unlike a form of genetic fingerprinting. In this ‘StygoTracing’ process, the origins and the genealogy of the lice can be analysed by means of a DNA check.

Thereby, every creature becomes a biological tracer, thus giving a clear picture of the origins and relationships of different water lice populations. The testing method also provides insights into the flow characteristics of water and the interrelationships between underground water systems. “Using the example of water lice, our test worked perfectly,” says IGÖ head Hans Jürgen Hahn.

A service for the water sector

Since 2014, within the framework of the ‘SME Innovative: Biotechnology’ initiative, the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) has provided funding of 580,000 euros for the development of the molecular biology test. The DNA test lays the groundwork for more efficient, targeted and cost-effective control strategies for dealing with water lice drinking water systems. Today, the IGÖ offers the aquatic fauna DNA check as a service for the water sector and academic research. Thereby, it sees itself as something of a pioneer: “Worldwide, we are among the first to use this kind of test system,” says an emphatic Hahn.

Exploring the microcosms of groundwater

Now, a different ‘SME Innovative’ project is occupied with expanding the StygoTracing process to other animal species in groundwater and surface water. “The groundwater remains a largely unexplored microcosm,” says Hahn. At this time, six pilot regions have been identified across Germany, and three species have moved into the focus of the researchers as biological ‘tracer organisms’ that are worthy of further investigation. As Hahn reports, during the course of the field work, a new species that is not yet described in the literature turned up in the nets of the researchers, meaning that the applied research into testing methods for water management is even providing relevant basic knowledge on biodiversity in the water ecosystem.

Der Erhalt der biologischen Artenvielfalt ist ein Grundpfeiler der Ökosysteme. Gerade für die Landwirtschaft ist sie essenziell. Doch die konventionelle Agrarwirtschaft gilt auch als einer der Auslöser für den Rückgang der Biodiversität. Warum greifen Biodiversitätsmaßnahmen in der Landwirtschaft so schlecht und was muss getan werden, damit es sich ändert? Forscher vom Thünen-Institut für Ländliche Räume haben nach Antworten gesucht und bundesweit insgesamt 44 Landwirte und landwirtschaftliche Berater zu Hemmnissen und Verbesserungsmöglichkeiten bei der Umsetzung von Biodiversitätsmaßnahmen befragt.

Das Ergebnis stellten die Forscher im September gemeinsam mit der Michael Otto Stiftung für Umweltschutz und dem Deutschen Bauernverband in Berlin vor. Die 65 Seiten umfassende FRANZ-Studie mit dem Titel „Hindernisse und Perspektiven für mehr Biodiversität in der Agrarlandschaft“ ist ein „Meinungsbild, dass die Praxis widerspiegelt", sagte Jochen Flasbarth, Staatssekretät im Bundesumweltministerium bei der Präsentation der Studie. Sie zeigt sowohl bestehende Hürden auf, benennt aber auch Maßnahmen, die mehr Biodiversität in der Agrarwirtschaft fördern würden.

Maßnahmen an regionale Bedingungen anpassen

„Die Befragung hat gezeigt, dass sowohl harte Faktoren wie die Wirtschaftlichkeit als auch weiche Faktoren wie das Image über die Umsetzung von Maßnahmen entscheiden. Um eine bessere Akzeptanz zu erreichen, müssten die Maßnahmen flexibler an regionale Ansprüche angepasst werden“, erklärt Thomas Schmidt vom Thünen-Institut. Optimierungsbedürftig ist demnach auch sowohl die Kommunikation innerhalb der Landwirtschaft als auch in der Gesellschaft. „Auch eine Veränderung der Rahmenbedingungen ist notwendig, damit mehr Biodiversitätsmaßnahmen in der intensiven Landwirtschaft umgesetzt werden“, so der Geschäftsführer der Michael Otto Stiftung, Stephan Zirpel.

Bürokratie darf Maßnahmen der Landwirte nicht ausbremsen

Der Generalsekretär des Deutschen Bauernverbandes, Bernhard Krüsken, plädiert dafür, vorhandene Instrumentarien optimal zu nutzen. Sein Appell an die Politik:  „Das Engagement der Landwirte für mehr Biodiversität darf nicht durch Bürokratie, starre Vorgaben, unklare Perspektiven und eine zu geringe Honorierung der Naturschutzleistungen ausgebremst werden.“

Chitosan ist ein wichtiger industrieller Rohstoff. Das aus Chitin gewonnene Biopolymer ist wegen seiner strukturgebenden und biokompatiblen Eigenschaften nicht nur für Medizin­produkte bestens geeignet. Er wird aber auch zur Herstellung von Fasern, Schaumstoffen oder Folien genutzt. Bisher wurde der Rohstoff meist aus Krabbenschalen gewonnen. Im EU-Projekt „Nano3Bio“ hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) nun die Grundlage für die biotechnologische Herstellung dieses wichtigen Rohstoffs gelegt. Das Vorhaben wurde von der Europäischen Kommission in den vergangenen vier Jahren mit rund zehn Mio. Euro gefördert.

„Wir haben in wichtigen Bereichen den Durchbruch von der Grundlagenforschung hin zur Anwendung in biotechnologischen Verfahren erreicht oder vorbereitet", so das Fazit von Bruno Moerschbacher vom Institut für Biologie und Biotechnologie der Pflanzen der WWU. Die Ergebnisse wurden im September beim Abschlusstreffen der Forscher in Indien präsentiert.

Einsatzfeld für Chitosan erweitert

So entwickelten die Forscher eine neue Methode zur Herstellung von Chitosanen mit eindeutig definierten Strukturen, sodass ein passgenauer Einsatz des Rohstoffs möglich ist. Auch gelang es ihnen erstmals, das Biopolymer aus Algen zu erzeugen. Erfolge gibt es zudem auch für die Krebstherapie zu vermelden. Hier ebneten sie den Weg dafür, dass sich Medikamente durch Chitosane gezielt in Tumorzellen schleusen lassen. Zugleich identifizierten sie Gene von Bakterien, Pilzen und Algen, die für die biotechnologische Erzeugung von Chitosanen maßgeblich sind. Damit ist der Grundstein gelegt, um aus dem Rohstoff Chitin nicht nur passende Chitosane für vielfältige Anwendungen, sondern auch einen qualitativ hochwertigen Rohstoff herzustellen.

Rohstoffe ersetzen

Moerschbacher ist überzeugt, dass die Arbeit des Teams zukunfsweisend ist. „Schließlich werden erneuerbare Ressourcen immer wichtiger, da viele fossile Rohstoffe zur Neige gehen und durch ihren Abbau oder ihre Nutzung erhebliche Umweltschäden verursachen. Biotechnologisch hergestellte Stoffe werden also in absehbarer Zeit viele bisherige Rohstoffe ersetzen müssen."

bb

Ein internationales Forschungsteam, darunter Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben, hat die Genomsequenz der Perlhirse im Fachjournal „Nature Biotechnology“ veröffentlicht. Die Perlhirse ist eine besonders dürrertolerante Getreidepflanze und eine der Hauptnahrungsquellen in den trockenen Gebieten Afrikas und Asiens. Ihre Genomsequenz könnte eine wichtige Ressource für Züchter darstellen, um Kulturpflanzen für die Anforderungen des Klimawandels anzupassen.

Gut gewappnet gegen Dürre

Die Perlhirse (Pennisetum glaucum (L.) R. Br., syn. Cenchrus americanus (L.) Morrone) weist einige Besonderheiten auf: Sie wächst auch unter sehr trockenen, heißen klimatischen Bedingungen und kann selbst auf nährstoffarmen Böden erfolgreich angebaut werden. Zwar kann ihr Ernteertrag nicht mit den weltweit wichtigsten Nutzpflanzen Mais, Reis und Weizen mithalten, doch aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit ist sie ein Grundnahrungsmittel für die Bevölkerung arider und semiarider Gebiete Asiens und Afrikas. Die globale Erwärmung wird in den nächsten Jahren immer mehr Gebiete austrocknen lassen. Darum ist es besonders wichtig, den genetischen Ursachen der Widerstandsfähigkeit ausgewählter Pflanzen auf den Grund zu gehen, um diese künftig auf bisher empfindlichere Pflanzen übertragen zu können.

Fast 1000 Hirse-Genome wurden sequenziert

„Trotz ihrer landwirtschaftlichen Bedeutung in einigen Regionen der Welt ist die Perlhirse vergleichsweise ertragsarm und damit wenig interessant für den modernen Landbau“, erklärt Yusheng Zhao, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Quantitative Genetik am IPK in Gatersleben. „Um ihre besonderen Qualitäten zukünftig züchterisch erschließen zu können, wurde gemeinsam mit Kooperationspartnern in Amerika, Asien und anderen europäischen Ländern das Genom einer Perlhirsensorte sequenziert und weitere fast 1000 verschiedenen Hirse-Genotypen resequenziert, um einerseits Einblicke in die genetische Struktur und Vielfalt dieser Kulturart sowie deren Entstehungsgeschichte zu erhalten und anderseits Werkzeuge für deren züchterische Verbesserung zu entwickeln.“

Die Studienergebnisse der Forscher geben so Aufschluss über die genetischen Hintergründe verschiedener landwirtschaftlich interessanter Eigenschaften, wie der besonderen Trocken- und Hitzetoleranz der Perlhirse. Dieses Wissen könnte angesichts des dringenden Bedarfs an trocken- und hitzetoleranten Kultupflanzen auch für die Verbesserung anderer Arten genutzt werden. 

jmr

An international consortium including scientists from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) in Gatersleben has published the genome sequence of the pearl millet, a drought resistant crop plant that is one of the main food sources in arid and semi-arid areas. The genome sequence was published in the journal “Nature Biotechnology”.

A drought-resistant food plant

The pearl millet (Cenchrus americanus 72 (L.) Morrone synonymous for Pennisetum glaucum) is a major food plant in arid and semi-arid regions of Africa, India and Asia. It is extremely drought-resistant and thus important to small and medium farmers who grow the plant without larger irrigation systems. Even under adverse drought and heat conditions, when rice, maize or wheat provide no more harvest yields, the pearl millet still delivers a good harvest index. Given global warming, increasing drought issues, and nutrient-depleted farmland, plants that survive these circumstances and still provide a good harvest yield are of ever growing importance. The specific genetic make-up of such resistant plants could provide solutions to improve the drought resistance of other plants as well.

Genome sequence holds the key

Although the high resistance against drought stress of the pearl millet is well-known, the molecular mechanisms underlying this are far from understood. "The first steps to elucidate molecular mechanisms in any organism from plants to animals to microbes is to sequence and analyze their genome, proteome and metabolome", says systems biologist Wolfram Weckwerth, head of the Department of Ecogenomics and Systems Biology and Chair of the Vienna Metabolomics Center of the University of Vienna.

Comparing genomes to find the solution

In addition to the genome of the pearl millet, the consortium also sequenced 994 further breeding lines and wildtypes to reveal molecular properties that underlie the drought resistance mechanisms on a genome basis. "Furthermore, this study provides the basis for marker-selected breeding studies", says the coordinator of the genome project Rajeev Varshney.

In the future the researchers aim to use their newfound genetic knowledge of drought resistance to improve the resilience of major food plants such as rice, maize or wheat.

jmr

„Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) ist der Weg zu einer besseren Zukunft für alle“, schreibt UNESCO-Generalsekretärin Irina Bokova in der von der UN verfassten Roadmap zur Umsetzung des Weltaktionsprogramms „Bildung für nachhaltige Entwicklung“. Das 44 Seiten umfassende Dokument enthält die Nachhaltigkeitsziele sowie die wichtigsten Handlungsfelder, um diese in der beruflichen Bildung auf nationaler Ebene zu verwirklichen. Mit dem Förderschwerpunkt „Berufsbildung für nachhaltige Entwicklung (BBnE)“ hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) einen nationalen Aktionsplan vorgelegt.

Mehr Geld für nachhaltige Bildung im Lebensmittelbereich

Im Rahmen der dritten Förderrunde (2015-2019) werden zur Umsetzung des Weltaktionsprogramms seit Frühjahr 2016 bereits zwölf Modellversuche mit insgesamt 6 Mio. Euro durch das BMBF gefördert. Nun wurde das Budget zur Förderung zusätzlicher Maßnahmen um weitere 3 Mio. Euro aufgestockt. Im Fokus der Förderung stehen nachhaltigkeitsorientierte Konzepte für die berufliche Bildung in Lebensmittelhandwerk und -industrie. Dazu zählen insbesondere Berufe wie Bäcker, Fleischer, Mälzer, Süßwaren- und Milchtechnologen aber auch Chemiker.

Verbraucher achten zunehmend auf faire und nachhaltig produzierte Waren. Beschäftigte im Lebensmittelbereich müssen daher in der Lage sein, nachhaltigkeitsrelevante Aspekte der Wertschöpfungskette zu erkennen und zu bewerten, um nachhaltige Alternativen erkennen und diese den Kunden und Auftraggebern vermitteln zu können. Dafür ist das Wissen über soziale Bedingungen in der Rohstoffgewinnung sowie umwelt- und ressourcenschonende Herstellungsverfahren genauso wichtig, wie Kenntnisse zu den Transportwegen der Zutaten, deren gesundheitliche Verträglichkeit oder mögliche Abfallreduzierung. Diese Kenntnisse sollen Beschäftigte im Lebensmittelbereich bereits über die berufliche Aus- und Weiterbildung vermittelt bekommen. „Um eine gerechtere, friedlichere und nachhaltigere Welt zu erschaffen, brauchen wir alle mehr Wissen, Kompetenzen und verbindende Werte sowie ein stärkeres Bewusstsein für die Notwendigkeit einer solchen Veränderung“, betont UNESCO-Generalsekretärin Bokova.

Wir trinken es, bewässern die Feldern damit oder nutzen es als Kühl- oder Lösungsmittel: Grundwasser. Das riesige Wasserreservoir unter unseren Füssen ist lebensnotwendig und seine Nutzung für uns Menschen selbstverständlich. Für den Grundwasserökologen Christian Griebler ist das unsichtbare Wasser weit mehr als nur ein Rohstoff. „Das Grundwasser ist nur deshalb so sauber, weil die ganze Biologie drin ist und das reinigt. Dieser Untergrund ist voll von Mikroorganismen und Krebsen, Würmer, Milben, die dort Kohlenstoff und Nährstoffe umsetzen.“ Grundwasser ist daher wie Boden, Wald, Seen oder das Meer ein Ökosystem mit vielfältigen Lebensgemeinschaften, das zudem wertvolle Dienstleistungen für andere Ökosysteme und für uns Menschen erbringt.

Bewusstsein für Grundwasserökosystem schärfen

Als kommissarischer Leiter des Instituts für Grundwasserökologie am Helmholtz-Zentrum München will der gebürtige Österreicher dem unterirdischen Weltmeer zu mehr Präsenz verhelfen. Sein Ziel: Das gesellschaftliche Bewusstsein für ein Ökosystem schärfen, dass abseits der umsorgten Oberflächengewässer noch immer ein Schattendasein führt.

Das Interesse zur Biologie wurde bei Griebler bereits früh geweckt. In Pfarrkirchen bei Bad Hall in Oberösterreich geboren und aufgewachsen waren es zunächst die Insekten die seine Leidenschaft prägten. Ein Studium der Biologie war naheliegend, konkurrierte aber zeitweise mit seinem Interesse zur Malerei. „Naturwissenschaften, Biologie oder Forschung hat ja auch viel mit Kreativität zu tun. Die Malerei habe ich ausprobiert, mit dem Wissen, die Chance ist gering. Und als das nicht funktionierte, habe ich eben Biologie weitergemacht“, berichtet der heute 47-Jährige.

Begeisterung für ein "exotisches" Thema

Vor allem die Exkursionen ins Donaudelta begeisterten den Insektenliebhaber während seines Studiums von 1988 bis 1996 an der Universität Wien. Gleichzeitig wurde dabei erstmals sein Blick für die Bedeutung der verschiedenen Ökosysteme geschärft. Dass die Hautflügler bei der Suche nach einem Diplomthema plötzlich ins Abseits gerieten, war wohl Schicksal. Am Institut für Limnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Mondsee begegnete Griebler einem Professor, der sich mit einem für ihn damals eher „exotischen“ Thema befasste. „Ich hatte schon vier Jahre Biologie studiert und bis zu diesem Zeitpunkt noch kaum etwas von Grundwasserökologie gehört. Die Erkenntnis, dass das Süßwasser, das wir global zur Verfügung haben, 95 Prozent Grundwasser ist, war für mich ein Schlüsselerlebnis.“

Dieser „Aha-Effekt“, wie Griebler sagt, war Auslöser, dass der angehende Biologe 1993 von heute auf morgen das Thema wechselt und in eine Nische einstieg, die bis dato fernab jeglichen öffentlichen Bewusstseins war. „Es war die Faszination der Erkenntnis, dass es einen Lebensraum gibt, den man als solchen so noch gar nicht wahrgenommen hat. Das bissl Wasser was wir sehen, wird beackert und das ist auch wirklich wichtig. Aber zu diesen Weltmeeren unter unseren Füssen gab es damals ganz wenig.“

Mikrobielles Leben im Grundwasser erforschen

Im Vergleich zu den großen Ökosystemen Boden oder Meer ist der Lebensraum unter unseren Füssen zwar noch nicht ganz so populär. Dank Grieblers Forschungsarbeit ist die Grundwasserökologie heute aber kein Randthema mehr, dass in Limnologie-Lehrbüchern, wie noch zur Grieblers Studienzeiten, kaum Erwähnung fand. Bereits in seiner Doktorarbeit am Institut in Mondsee, die er 1998 abschloss, widmete er sich dem mikrobiellen Leben im Grundwasser. Woher die Winzlinge in tausend Meter Tiefe ihre Energie beziehen, ist nur ein Thema, dass den Grundwasserökologen bis heute antreibt.

Konzepte für nachhaltigen Grundwasserschutz

Nach drei Jahren Postdoc am Zentrum für Angewandte Geowisschenschaften der Universität Tübingen in denen sich Griebler mit dem mikrobiellen Abbau von Ölverbindungen im Grundwasser beschäftigte, übernahm er 2004 die Leitung einer eigenständigen Arbeitsgruppe für „Mikrobielle Ökologie“ und später, 2014, die Leitung des Instituts für Grundwasserökologie am Helmholtz Zentrum München. Hier entwickelt er mit seinen Kollegen vor allem nachhaltige Konzepte zur Überwachung und zum Schutz und Management des unsichtbaren Wasserspeichers. Seit vielen Jahren pendelt der vierfache Familienvater zwischen München und Wien, dem momentanen Lebensraum der Familie.

Grundwasser als Haupt-Trinkwasserquelle

Sauberes und hygienisch einwandfreies Trinkwasser ist in Deutschland Standard. Doch 70% dessen, was wir täglich an Wasser konsumieren, stammt aus dem Grundwasser. Damit ist das unterirdische Wasserreservoir hierzulande die wichtigste Trinkwasserquelle. Griebler macht sich dafür stark, dass dieses unsichtbare Ökosystem mehr Aufmerksamkeit erfährt. Denn als ein Teil der Ökosysteme unserer Erde ist das kostbare Gut inzwischen ebenso durch Verschmutzung gefährdet wie Böden oder Weltmeere, betont Griebler. „Es gibt heute kein Grundwasser mehr, wo nichts drin ist. In jedem Wasser sind Schadstoffe und einzelne Stoffe tauchen immer wieder auch im Trinkwasser auf.“ Griebler zufolge sind in den oberflächennahen Grundwasserschichten schon heute Pestizide, Pharmazeutika oder Antibiotika zu finden, wobei Nitrat seit Jahrzehnten unser Grundwasserproblem Nummer Eins ist.

Selbstreinigungsprozesse ankurbeln

„Alles was oben ankommt, kommt früher oder später auch unten an; also ins Grundwasser. Die Frage ist nur, wie schnell und in welchem Umfang“, betont der Forscher. Am IGÖ wird daher untersucht, wie belastbar das unterirdische Ökosystem ist, wie und in welchem Umfang Mikroorganismen Schadstoffe umsetzen können und ob und wie durch Nährstoffzugabe der Selbstreinigungsprozess an schwer belasteten Orten angekurbelt werden kann. „Es gibt viele schwer kontaminierte Grundwässer. Hier kann man selektiv Mikroorganismen vor Ort stimulieren, in dem man ihnen Sauerstoff oder spezifische Nährstoffe wie Stickstoff, Schwefel oder Vitamine gibt und so den Selbstreinigungsprozess anregt“, erklärt Griebler.

Ökologische Folgen neuer Technologien beachten

Darüber hinaus wird am IGÖ auch an Strategien geforscht, um zu verhindern, dass weitere Schadstoffe überhaupt ins Grundwasser gelangen, und welche Auswirkungen veränderte Land- und Wassernutzungsverhältnisse auf das unterirdische Reservoir haben. Hier untersucht Griebler,  welche Auswirkungen beispielsweise der Trend zur Nutzung von oberflächennaher Geothermie durch Erdwärmepumpen zur Klimatisierung von Gebäuden und Kühlprozessen in der Industrie hat. „Das Grundwasser hat das ganze Jahr über die gleich Temperatur. Mit Einleitung oder Entzug von Wärme wird plötzlich eine Saisonalität in das System gebracht. Man muss bei neuen technologischen Entwicklungen immer auch die Auswirkungen auf die Ökosysteme betrachten und verstehen. Hier hinkt das Verständnis um die ökologischen Folgen, der Technologieanwendung leider immer hinterher“.

Spuren längst verbotener Pestizide noch messbar

Wirtschaft und Politik für das Thema Grundwasser zu sensibilisieren, ist daher ein Hauptanliegen des Biologen. „Wir müssen uns darüber klar sei, dass Grundwasser eine sehr lange Verweildauer im Boden hat. Wenn wir hier einmal ein Problem haben, ist es für lange Zeit da und nicht so schnell wieder rauszubekommen.“ Griebler erinnert hier an das Herbizid Atrazin. Das Pflanzenschutzmittel ist seit 25 Jahren in Deutschland und seit 20 Jahren in Österreich verboten. Obwohl es nicht mehr eingesetzt wird, sind Spuren davon bis heute im Grundwasser messbar, wie aktuelle Forschungsarbeiten zeigen.

Gleichberechtigung der Grundwasserökosysteme vor dem Gesetz

Das Beispiel führt klar vor Augen: Das Ökosystem Grundwasser hat an den Fehlern der Vergangenheit noch zu knapsen, wenn die Schadstoffe aus dem Boden längst verschwunden und somit unsichtbar sind. Christian Griebler weiß um die Hürden des „trägen Systems“ und versucht geduldig, mit Worten und Taten gegenzusteuern. Seine Mission ist klar: „Es geht um eine Gleichberechtigung der Grundwasserökosysteme auch vor dem Gesetz. Wir müssen das Grundwasser endlich als Lebensraum und nicht nur als Ressource betrachten und das Grundwasser-Ökosystem wie Oberflächengewässer gleichermaßen schützen und überwachen.“

Autorin: Beatrix Boldt

We drink from it, water the fields with it, or use it as a coolant or solvent: groundwater. This vast reservoir of water under our feet is essential for human and animal life, but for the majority of the time we take it entirely for granted. For groundwater ecologist Christian Griebler, this invisible water is far more than just a commodity. “The groundwater is so clean only because of the biology that it contains, which ultimately has a purifying function. This substrate is bursting with microorganisms and crustaceans, worms and mites, all of which are busily converting carbon and nutrients.” Like the soil, forests, lakes or the sea, the groundwater is thus an ecosystem that encompasses a broad range of symbiotic communities. These also provide valuable services for other ecosystems – and for us humans.

Raising awareness for the groundwater ecosystem

As the acting director of the Institute for Groundwater Ecology at the Helmholtz Center Munich, the native of Austria is hoping to bring greater visibility to this subterranean ocean. His goal: to increase general awareness of an ecosystem that, aside from well-cared-for surface waters, still leads a life in the shadows.

Christian Griebler’s interest in biology was awakened at an early age. Born and raised in Pfarrkirchen near Bad Hall in Upper Austria, it was the topic of insects that first gave shape to his passion. While his later studies in biology were a straightforward decision, they nevertheless had to compete with an interest in painting. “Science, biology or research have a great deal to do with creativity. I tried my hand at painting with the full knowledge that the chances of success were low. When that didn’t pan out, I simply continued with biology,” says the 47-year-old.

Enthusiasm for an “exotic topic”

During his studies at the University of Vienna from 1988 to 1996, a series of excursions into the Danube Delta were a source of particular inspiration for the would-be entomologist. These field trips represented the first sharpening of his understanding of the importance of different ecosystems. It may have been fate that, while searching for a diploma subject, the hymenopteran insects suddenly fell out of favour. At the Institute of Limnology of the Austrian Academy of Sciences in Mondsee, Griebler encountered a professor who recommended a rather more ‘exotic’ subject for the young biologist. "I had already been studying biology for four years, and until that time had hardly heard of groundwater ecology. The realisation that 95 percent of the fresh water that is globally available is groundwater was a key formative experience for me.”

This ‘aha’ effect, as Griebler describes it, was a trigger for the budding biologist, and in 1993 he switched subjects from one day to the next, stepping into a niche that until that time was far from the public consciousness. “I was fascinated by the realisation that there is a biosphere out there that is barely perceived as such. A great deal of research was being done on the water that we can actually see, and that’s also genuinely important. But back then, there was really very little attention being given to these oceans under our feet.”

Exploring microbial life in the groundwater

In comparison to the great ecosystems of the soils or seas, this biosphere under our feet has some catching up to do regarding popularity. Thanks to Griebler’s research work, groundwater ecology is no longer a marginal topic as it was during Griebler’s student days, when it barely appeared in the textbooks on limnology. Griebler would eventually devote himself to the microbial life in groundwater during his doctoral thesis at the Institute in Mondsee, which he completed in 1998. How these tiny creatures, which live at a depth of one thousand meters, actually source their energy is just one of the topics that still motivate groundwater ecologists today.

Concepts for sustainable groundwater protection 

In 2004, after three years of postdoctoral studies at the Center for Applied Geosciences at the University of Tübingen, where he was occupied with the microbial degradation of oil compounds in groundwater, Griebler became the head of an independent working group for ‘Microbial Ecology’ and later, in 2014, the head of the Institute of Groundwater Ecology at the Helmholtz Centre Munich. Here, together with his colleagues, he developed sustainable concepts for monitoring, protecting and managing these invisible reservoirs of water. For four years, the father of four commuted between Munich and Vienna, where his family is currently based.

Groundwater as the main source of drinking water

Clean and hygienic drinking water is taken for granted in Germany. However, those doing the drinking are probably unaware that 70% of the water consumed daily comes from the groundwater. Thus, the underground water reservoir is Germany’s most important source of drinking water. Against this backdrop, Griebler is working hard to ensure that this invisible ecosystem receives more attention. This is not least because, as a part of the Earth’s ecosystem, the precious commodity is now endangered by contamination, much like the soils or oceans, emphasises Griebler. “Today, there is no groundwater that is entirely without contamination. Pollutants are present in every waterbody, and individual substances often appear in drinking water.” According to Griebler, pesticides, pharmaceuticals or antibiotics are already found in the near-surface groundwater layers, with nitrate representing our number one groundwater issue for some decades.

Boosting the self-purifying processes 

“Everything that makes it onto the top layer will work its way downwards sooner or later, namely into the groundwater. The only question is how quickly and to what extent,” emphasises the researcher. The IGOE is thus investigating the resilience of the underground ecosystem, as well as how and to what extent microorganisms can convert pollutants, and whether and how the addition of nutrients can stimulate the self-purification process in heavily polluted locations. “There are many heavily contaminated groundwaters. In such cases, it is possible to targetedly stimulate the local microorganisms by providing them with oxygen or specific nutrients such as nitrogen, sulphur or vitamins, which boosts the process of self-purification,” explains Griebler.

Considering the ecological consequences of new technologies

In addition, the IGOE is also conducting research into strategies to prevent yet more pollutants from entering the groundwater, as well as the effects of changing land and water use conditions on underground reservoirs. Here, among other activities, Griebler is investigating the effects of the trend towards the use of low-depth terrestrial heat by geothermal heat pumps for air conditioning in buildings and cooling processes in industry. “The groundwater has the same temperature all year round. With the introduction or withdrawal of heat, a seasonality is suddenly introduced into the system. It is always necessary to look at and understand the impact of new technological developments on ecosystems. Unfortunately, the understanding of the ecological consequences always lags behind the application of the technology.”

Still measurable traces of long-banned pesticides

An awareness of the topic of groundwater in the areas of industry and policy is therefore a major concern for the biologist. “We have to realise that groundwater has a very long retention period in the ground. If we have a problem in one location, it will be present for a long time and will not be so easy to eliminate.” To underline this, Griebler uses the example of the herbicide atrazine. The plant protection agent has been banned in Germany for 25 years and in Austria for 20. Although it is no longer used, traces are still measurable in the groundwater, as recent research has shown.

Legal equality for groundwater ecosystems

The example clearly shows: the groundwater ecosystem is still coping with the mistakes of the past, even when the pollutants have long since disappeared from the soil and are therefore essentially invisible. Christian Griebler is well aware of the hurdles posed by this “lethargic system” and with words, deeds, and patience is attempting to counteract current and potential future damage. His mission is clear: “It’s about equal rights for groundwater ecosystems, even before the law. Ultimately, we should consider groundwater as a biosphere and not just a commodity, and provide the groundwater ecosystem with the same protection and monitoring as the surface water.”

In der Forschung kommt es fast täglich zu neuen, weitreichenden Erkenntnissen. Viele davon wären sehr nützlich, um eine nachhaltigere Wirtschaft zu etablieren, sowie Nahrung und Unterkünfte für die wachsende Weltbevölkerung bereitzustellen. Neue Forschungsergebnisse werden jedoch zunächst in Fachjournalen publiziert, und diese verlangen oft hohe Lizenzgebühren von Hochschulen oder Wissenschaftlern, damit diese an die jeweiligen Texte gelangen können. Als Geschäftsführerin und Mitbegründerin der Open Science Plattform "Frontiers" setzt sich Kamila Markram deshalb dafür ein, neue Forschungsergebnisse für jeden frei verfügbar zu machen; sie sollen nach dem Konzept "Open Access" publiziert werden. Dieses würde zudem die Kommunikation und den Erkenntnisaustausch zwischen den Wissenschaftlern deutlich vereinfachen und beschleunigen, und so den Weg zu einer nachhaltigeren zukünftigen Wirtschaft ebnen.

New breakthroughs in science occur almost daily. Many of them would be very useful to further a more sustainable economy and to provide food and shelter for a growing population. However, customarily, new results are published in scientific journals and many of those charge expensive subscription fees to researchers, universities, and interested readers around the world. Thus, argues Kamila Markram, if new research results would be freely available - under so-called Open Access conditions - communication and knowledge exchange between researchers would be much better and faster. As the CEO and co-founder of the Open Science Platform "Frontiers", she is an avid advocate for freely availabe research results, which in turn will speed up the development of a more sustainable future economy.

Holz ist ein äußerst vielseitiges Material, das mehrfach genutzt werden kann. Allerdings kommt eine solche Wiederverwertung oder Kaskadennutzung in Europa nur selten zum Einsatz. In Deutschland wird Altholz meist direkt für die Energieerzeugung verwendet und verbrannt, ohne es vorher als Baumaterial oder für andere Zwecke einzusetzen. In dem EU-Projekt CaReWood (für Cascading Recovered Wood) haben sich 15 Projektpartner aus fünf Ländern zusammengeschlossen, um Gebrauchtholz in einer Kaskadennutzung weiterzuverarbeiten und somit zu einer verbesserten Ressourceneffizienz beizutragen. Das Projekt ist über drei Jahre bis Mai 2017 gelaufen und wurde vom Bundeslandwirtschaftsministerium über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert.

Alte Bauhölzer neu verwerten

Peter Meinlschmidt, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Holzforschung (WKI), und seine Kollegen haben Messtechniken entwickelt, um Kontaminationen wie Kunststoffe, Farben oder PVC in sogenanntem Altholz zu erkennen und effiziente Verfahren zur Oberflächenreinigung zu etablieren. „Beim Gebäuderückbau etwa fallen große Mengen Bauholz in hervorragender Qualität an, die sich prinzipiell recyceln lassen. Dies trifft auch auf Althölzer zu, die oberflächlich mit Holzschutzmitteln behandelt wurden, wie wir bei unseren Tests feststellen konnten“, erklärt der Physiker. „Es gilt, Techniken zur Wiederverwertung von in großen Stücken vorliegenden Gebrauchtholzes zu entwickeln, also die Balken als solche zu erhalten.“

Techniken für die Wiederverwertung entwickeln

Mit verschiedenen Durchleuchtungsmethoden, die teilweise auf molekularer Ebene Verunreinigungen erkennen können, stellen die Wissenschaftler nicht nur fest, ob Hölzer kontaminiert sind, sondern auch wie tief die Verunreinigungen sitzen und wie viele der Deckschichten abgetragen werden müssen. Laut Meinlschmidt ist es ausreichend, wenn die Deckschichten wenige Millimeter tief abgetrennt werden. Zum Reinigen der Oberflächen haben die Forscher unterschiedliche Verfahren angewendet: Neben der Verwendung rotierender Bürsten oder dem Sandstrahlen wurde auch gesägt und gehobelt. Für die Tests nutzten die Forscher am Fraunhofer WKI Paletten sowie Altfensterrahmen.

Beitrag zum Umweltschutz

Mit CaReWood leisten die Projektpartner einen Beitrag zum Umweltschutz. „Wälder werden europaweit wieder vermehrt abgeholzt, Primärholz ist in Europa im Rückgang begriffen. Deutschland ist hier allerdings eine Ausnahme. In früheren Jahrzehnten gepflanzte Nadelholzwälder werden sich selbst überlassen – in der Hoffnung, dass sich die ursprünglich hierzulande heimische Buche wieder ausbreitet, die besser an Klimaschwankungen angepasst ist“, so Meinlschmidt. „Für den Upcycling-Gedanken spricht auch, dass Altholz qualitativ oftmals von besserer Qualität mit besseren mechanischen Stabilitäten ist, da Baumbestände früher langsamer gewachsen sind als in den letzten Jahrzehnten angepflanzte Wälder“, so der Physiker. Ihren Umweltschutzgedanken konnten die Fraunhofer Forscher bereits in Myanmar umsetzen, wo sie die Restauration der weltweit längsten Teakholzbrücke unterstützen. Dort werden die alten, bis zu 10 Meter langen Stämme aus der Brückenkonstruktion als Ganzes erhalten und sekundär als Geländer oder Sitzbänke genutzt.

Die Zukunft für Gebrauchtholz ist vielversprechend: Die Altholzverordnung wird derzeit überarbeitet und voraussichtlich 2018 in Kraft treten. In ihrer Überarbeitung soll die stoffliche Verwertung einer energetischen vorgezogen werden – ganz im Sinne der CaReWood-Projektpartner.

jmr

Wood is a very versatile material that can be reused multiple times. However, such recycling or cascade utilisation is very rare in Europe. In Germany, old wood is mostly used for energy generation and is thus simply burnt instead of using it for instance as building material. 15 project partners from five different countries banned together in the EU project CaReWood (Cascading Recovered Wood) to improve resource efficiency by recycling used wood via cascade utilisation. The project was funded for three years until May 2017 by the Federal Ministry of Food and Agriculture and their Agency for Renewable Resources.

New use for old timbers

Peter Meinlschmidt, researcher at the Fraunhofer Institute for Wood Research WKI, and his colleagues developed new technologies in order to identify contaminations such as plastics, paint or PVC within old wood and establish efficient ways of cleaning the surfaces. “The dismantling of buildings for instance produces large quantities of good-quality timber that could be recycled. The same thing holds true for scrap wood where the surface has been treated with wood preservatives,” explains the physicist. “The point is to develop technologies that enable the reutilisation of large pieces of scrap wood without having to chop them up.”

Developing techniques for reutilisation

Using several imaging tools and methods that even visualized the molecular makeup of the contaminations, the researchers were able to determine if and to what extent the woods are contaminated. According to Meinlschmidt, removing the cover layers only a few millimetres deep would be sufficient in many cases. To clean the surfaces the researchers employed several different methods: rotating brushes, sandblasting, sawing, and planing. To test these methods the Fraunhofer researcher used pallets as well as old window frames.

Protecting the environment

Moreover, CaReWood also does its part to protect the environment. “Across Europe, more and more woods are being chopped down again, and fresh wood is becoming rare. Except for Germany. Previously planted pine forests are left alone, in the hopes that the originally indigenous beech trees are coming back again, since they are also more resistant to climate change,” says Meinlschmidt. “Another benefit of the old wood is the fact that their quality is oftentimes better, because the old trees used to grow more slowly.”

In Myanmar the researchers were already able to actively support the environment by recycling old and large wooden beams of the longest teak wood bridge in the world. The old beams are being reused as railings or benches.

The future for wood reutilisation looks promising as well: a new and improved waste wood ordinance will most likely be in effect in 2018. Part of it will be to prioritise material reutilisation before an energetic one – just as the CaReWood participants were aiming for.

jmr

Der Bewuchs von Algen oder Muscheln an Schiffsrümpfen macht kleinen und großen Schiffen gleichermaßen zu schaffen. Denn diese siedeln sich an der im Wasser treibenden Schiffswand an und verwandeln einst glatte Fassaden in eine raue, zerklüftete und schmuddelige Schiffshaut. Der äußere Makel ist dabei allerdings das kleinere Übel. Der flächendeckende Biofilm erhöht sowohl den Reibungswiderstand als auch das Gewicht und bremst so die Schiffe regelrecht aus. Dadurch benötigen vor allem Containerschiffe wesentlich mehr Energie um Vorwärts zu kommen, was den Treibstoffverbrauch bis zu 30% nach oben treiben kann und auch den CO₂-Ausstoß erhöht.

Schiffsrümpfe unsichtbar machen

Für Reederein ist das sogenannte Biofouling seit Langem ein großes Problem und ein nicht unerheblicher Kostenfaktor. Der Essener Spezialchemiekonzern Evonik scheint dafür eine Lösung gefunden zu haben. Im neuen Kompetenzzentrum „Smart Surface Solutions“ arbeiten die Evonik-Experten an einer neuen Beschichtung, die Schiffsrümpfe für die unliebsamen Passagiere unsichtbar macht und zugleich umweltfreundlich ist. „Biofouling ist eines der letzten ungelösten Probleme der Lackindustrie. Bisher wurde die optimale Lösung für effiziente und zugleich umweltfreundliche Schiffsanstriche noch nicht gefunden. Daher sind Antifouling-Lacke eines der Kernthemen unseres neuen Kompetenzzentrums ‚Smart Surface Solutions‘“, erklärt Stefan Silber, Leiter des Innovationsmanagements Coating Additives aus dem Segment Resource Efficiency von Evonik.

Schiffsrümpfe als Wasser getarnt

Um dem Bewuchs zu verhindern, wurden bisher Biozide als Schiffsanstrich verwendet, die schwer abbaubar sind und den im Wasser lebenden Tieren und Mikroorganismen schaden. Evonik will hingegen einen Anstrich entwickeln, der die Mikroorganismen austrickst. Der neue Lack soll dabei den Organismen vorgaukeln, dass der Schiffsrumpf eigentlich Wasser ist und es sich nicht lohnt, anzudocken. Dafür werden im Lack ein wasserabweisendes Silikon mit einem wasserliebenden Polymer kombiniert. So entstehen amphiphile Polymere – das heißt, wasserliebende und wasserabweisende Bereiche – die sich abwechseln. Die wasserliebenden Bereiche ziehen das Wasser um den Schiffsrumpf an und bilden damit ein eine Art Wasserhülle um die Polymere, die einer Tarnjacke gleicht. Der Wechsel mit den wasserabweisenden Bereichen sorgt dafür, dass die Kleinsttiere Schiffsrumpf und Wasser nicht mehr genau unterscheiden können und verunsichert sind, so dass sie dem Rumpf fern bleiben.

Antihaftschicht erschwert Biofouling zusätzlich

Das wasserabweisende Silikon-Hybridharz in der Beschichtung erschwert durch eine spezielle Antihaftwirkung zusätzlich noch das Ansiedeln der Organismen. Die wenigen Tierchen und Mikroorganismen, denen es gelingt, dennoch am Schiffsrumpf anzudocken, soll der Wasserstrom selbst bei geringer Fahrtgeschwindigkeit wieder ablösen. „Wir nutzen damit ein bewährtes Produkt auf neue Weise und erweitern zugleich die Expertise von Evonik. So gelingt es uns, neue Lösungen für Lacke zu entwickeln, die Schiffe vor Bewuchs schützen – und zwar ohne die Organismen direkt anzugreifen“, erklärt Silber.

Kostenersparnis für Reederein

Dass die neue Beschichtung Mirkoorganismen abschreckt, haben erste Tests unter Realbedingungen bereits gezeigt. Mit Partnern aus der Lackindustrie sollen nun die ersten polymeren Schiffstarnkappen hergestellt werden. Sie sollen gleichzeitig länger halten, so dass Schiffe nicht so oft einen neuen Anstrich erhalten müssen. So könnten Reederein nicht nur die Kosten für Treibstoff sparen, sondern auch ihre Instandhaltungskosten senken. Auch die Einwanderung invasiver Arten über den Seeweg könnte dadurch erschwert werden.

bb