Satellitendaten dienen längst nicht mehr nur zur Wettervorhersage. Sie liefern Agrarforschern wichtige Informationen zu Bodenbeschaffenheit oder Pflanzenwachstum und sind die Grundlage für Ernteprognosen. Auch für Meeresforscher sind die Daten aus dem Orbit ein wichtiges Werkzeug, um aus der Ferne das Algenwachstum beobachten zu können. Bisher konnte man mithilfe der Satelliten die Menge des Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll im Wasser und damit die Algenkonzentration messen. Eine Differenzierung nach Algenarten oder gar eine Vorhersage des Algenwachstums war jedoch kaum möglich.  

Neuer Algorithmus erkennt fünf Algenarten

Einem internationalen Team um Hongyan Xi und Astrid Bracher vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) ist das nun gelungen. In Kooperation mit der französischen Firma ACRI-ST und dem europäischen Satellitendaten-Dienst Copernicus Marine Environment Monitoring Service entwickelten sie einen Algorithmus, der aus den Orbitdaten Angaben zu fünf bedeutenden Phytoplankton-Gruppen herauslesen kann.

Reflektanz der Algenpigmente analysiert

Die Grundlage dafür bildeten Informationen zu den verschiedenen Wellenlängen des Lichts, die mittels Sensoren von den Satelliten aufgenommen werden. Wie die Forscher im Fachmagazin "Remote Sensing of Environment" berichten, konzentrierten sie sich bei der Datenanalyse vor allem auf den Reflexionsgrad. Die sogenannte Reflektanz besagt, wie viel Sonnenlicht von der Erde ins All zurückgeworfen wird. Dieses reflektierte Licht wird von Wassermolekülen und Partikeln im Meer und in der Atmosphäre gestreut, gebeugt und verändert. „Und auch das Plankton, das ja bestimmte farbige Pigmente enthält, beeinflusst die Reflektanz. Je nachdem, welche Algen und welche Pigmente im Wasser vorherrschen, ist die Reflektanz anders“, sagt Hongyan Xi.

Algen hinterlassen Fingerabdruck auf Reflektanz

Demnach hinterlässt jede der fünf verschiedenen Algengruppen auf dem reflektierten Licht sozusagen ihren eigenen Fingerabdruck. Mithilfe des neuen Algorithmus wird dieses Reflektanzmuster sichtbar und damit die Algengruppe.

Um die Reflektanz der jeweiligen Algengruppe zuordnen zu können, wurden im Vorfeld zahlreiche Datenbanken durchforstet. Satellitenmessungen wurden mit Planktonproben kombiniert, die bei Schiffsexpeditionen zur selben Zeit am selben Ort genommen wurden. 12.000 solche Algendatensätze wertete das Team aus. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler schließlich nachvollziehen, wie sich der Reflexionsgrad der jeweiligen Algen verändert, und einen Algorithmus entwickeln, der in der Lage ist, aus der Reflektanz-Information auf die vorherrschenden Algengruppen in den Meeresregionen zu schließen.

Algenblüte erkennen und vorhersagen

Damit haben die Forscher ein wichtiges Werkzeug geschaffen, das es erstmals ermöglicht, auch giftige Algenblüten, sogenannte Harmful algal blooms (HABs), aufzuspüren. Anhand des Algenwachstums können auch Rückschlüsse auf die Wasserqualität gezogen werden. „Außerdem können wir künftig erkennen, ob sich die Verteilung des Phytoplanktons mit dem Klimawandel verändert“, sagt Hongyan Xi. „Das ist wichtig, um die Folgen für die Ökosysteme abzuschätzen.“

bb

Satellite data have long since expanded their use beyond weather forecasting. They provide agricultural researchers with important information on soil properties or plant growth and are the basis for harvest forecasts. Data collected from orbit are also an important tool for marine researchers to observe algae growth. Up to now, satellites have been used to measure the amount of the plant pigment chlorophyll in the water and thus the concentration of algae. However, a differentiation according to algal species or even a prediction of algal growth was virtually impossible.

Algorithm recognizes five main phytoplankton

An international team led by Hongyan Xi and Astrid Bracher from the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI) has now succeeded in doing so. In cooperation with the French company ACRI-ST and the European satellite data service Copernicus Marine Environment Monitoring Service, they developed an algorithm that can distill information on five important phytoplankton groups from the orbital data.

Reflectance of algal pigments analyzed

The basis for this was information on the different wavelengths of light, which are recorded by the satellites using sensors. As the researchers report in the specialist journal "Remote Sensing of Environment", they concentrated primarily on the degree of reflection in their data analysis. The so-called reflectance indicates how much sunlight is reflected back into space by the earth. This reflected light is scattered, bent and altered by water molecules and particles in the sea and in the atmosphere. "And the plankton, which itself contains certain pigments, has an influence on the reflectance. The reflectance can differ, depending on which types of plankton and which pigments are dominant in the water," says Hongyan Xi.

Algae leave a fingerprint on reflectance

This means that each of the five different algae groups leaves its own fingerprint on the reflected light. With the help of the new algorithm, this reflectance pattern becomes visible - and with it the type of phytoplankton.

In order to be able to assign the reflectance to the respective algal group, numerous databases were scoured in advance. Satellite measurements were combined with plankton samples taken during ship expeditions at the same time and place. The team evaluated 12,000 such algal data sets. In this way, the scientists were finally able to understand how the reflectance of the respective algae changes and to develop an algorithm that is able to infer the predominant algae groups in the marine regions from the reflectance information.

Detecting and predicting algal blooms

The researchers have thus created an important tool that makes it possible for the first time to detect harmful algal blooms (HABs). The growth of the algae also allows conclusions to be drawn about water quality. "In addition, in the future we’ll be able to determine whether or not the distribution of phytoplankton is affected by climate change," says Hongyan Xi: "an important aspect in terms of predicting the impacts on ecosystems."

bb/um

Pflanzen und Tiere haben sich im Laufe der Evolution an ihre Umwelt angepasst. Die schrittweise Veränderung des Erbguts vollzog sich über unzählige Generationen. Doch der Klimawandel wird für viele Organismen zum Problem, weil er zu rasant voranschreitet. Forscher am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel haben im Rahmen einer internationalen Studie nun untersucht, wie stark epigenetische Mechanismen die Anpassungsfähigkeit von Organismen an die Umwelt beeinflussen.

Einfluss epigenetischer Marker untersucht

Organismen, die an ihre Umwelt angepasst sind, leben häufig länger und erzeugen somit auch mehr Nachkommen. Das heißt, ihre in der DNA gespeicherten Eigenschaften setzen sich damit langfristig durch. Dieser als Selektion bekannte Prozess dauert aber sehr lange. Epigenetische Prozesse hingegen beeinflussen chemisch die Struktur der DNA. Sie steuern jene Bereiche des Erbguts, die für die Aktivierung oder Stilllegung einzelner Gene eines Organismus verantwortlich sind. Hierbei wird zwischen zwei Arten von epigenetischen Markern unterschieden: Stabile Marker können wie die DNA zur langfristigen Anpassung beitragen. Induzierbare Marker können sich im Laufe des Lebens eines einzelnen Organismus verändern. Für Forscher sind sie damit ein Hoffnungsschimmer, weil sie sich schneller an Veränderungen anpassen können.

Anpassungsprozess in Fischpopulation nachgewiesen

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Queen Mary University in London haben GEOMAR-Forscher daher untersucht, wie das Verhältnis zwischen stabilen und induzierbaren Markern ist und inwiefern die Nachkommen im Vergleich zu ihren Eltern besser angepasst sind. Im Fokus der Untersuchung stand der in der Ostsee lebende Dreistachlige Stichling. Die Fischart hat sich im Laufe der Zeit an verschiedene Salz-, Süß- und auch Brackwasserbedingungen angepasst. „Um herauszufinden, welche genetischen und epigenetischen Wege der Anpassung der Stichling bisher genutzt hat, haben wir uns drei Stichlingspopulationen aus verschiedenen Regionen der Nord- und Ostsee mit unterschiedlichen Salzgehalten etwas genauer angesehen“, erläutert Britta Meyer. Sie ist neben Melanie Heckwolf eine der beiden Hauptautorinnen der im Fachjournal "Science Advances" erschienenen Studie.

Epigenetische Muster und Salztoleranz verschieden

Die Forscher fanden heraus, dass sich die verschiedenen Populationen in ihren genetischen und epigenetischen Mustern unterschieden und auch unterschiedliche Toleranzen gegenüber Veränderungen des Salzgehalts aufwiesen. Auch konnte nachgewiesen werden, dass induzierbare Marker tatsächlich zur Anpassung beitragen, allerdings in geringerem Maße als vermutet. „Unser Experiment zeigt, dass die Epigenetik die Anpassung beeinflusst, allerdings sind dabei die Veränderungen von einer Generation zur nächsten geringer als bislang angenommen“, so Melanie Heckwolf. Der Studie zufolge werden Organismen jedoch auch mit epigenetischen Mitteln der Anpassung irgendwann an ihre Grenzen stoßen. „Der Klimawandel ist und bleibt eine der größten Herausforderungen für einzelne Arten und ganze Ökosysteme. Sie lässt sich auch nicht mit den aktuellen Erkenntnissen in der Epigenetik wegdiskutieren“, betont Heckwolf.

bb

Many plants and animals have adapted to their environment during evolution. The gradual change of the genetic make-up took place over generations. The gradual change of the genetic material took place over generations. But climate change is becoming a problem for many organisms because it is progressing too rapidly. As part of an international study, researchers at the GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel have now investigated how strongly epigenetic processes influence the adaptability of organisms to the environment.

Influence of epigenetic markers investigated

Organisms that are adapted to their environment often live longer and therefore produce more offspring. This means that their properties stored in the DNA will prevail in the long term. However, this process known as selection takes a very long time. Epigenetic processes have a chemical effect on the structure of DNA. They control those areas of the genetic material that are responsible for the activation or silencing of individual genes of an organism. A distinction is made between two types of epigenetic markers: Like DNA, stable markers can contribute to long-term adaptation. Inducible markers can change over the course of the life of an individual organism. This makes them a glimmer of hope for researchers because they can adapt more quickly to changes.

Adaptation process proven in fish population

Together with scientists from Queen Mary University in London, GEOMAR researchers have therefore investigated the relationship between stable and inducible markers and the extent to which the offspring are better adapted compared to their parents. The study focused on the three-spined stickleback, which lives in the Baltic Sea. The fish species has adapted to different saltwater, freshwater and brackish water conditions over time. "In order to find out which genetic and epigenetic pathways of adaptation the stickleback has used so far, we took a closer look at three stickleback populations from different regions of the North and Baltic Sea with different salinity levels," explains Britta Meyer. Along with Melanie Heckwolf, she is one of the two main authors of the study just published in the journal "Science Advances".

Difference in Epigenetic patterns and salt tolerance

The researchers found that the different populations differed in their genetic and epigenetic patterns and had different tolerances for changes in salinity. It could also be shown that inducible markers contribute to adaptation, but to a lesser extent than assumed. "Our experiment shows that epigenetics influences adaptation, but the changes from one generation to the next are smaller than previously assumed," said Melanie Heckwolf. According to the study organisms will eventually reach their limits even with epigenetic means of adaptation. "Climate change is and remains one of the greatest challenges for individual species and entire ecosystems. Nor can it be argued away with the current findings in epigenetics," emphasizes Heckwolf.

bb/mb

Um eine akute Infektion mit dem Corona-Virus nachzuweisen, werden täglich Tausende Tests auf Basis der Polymerasekettenreaktion (PCR) durchgeführt. Mithilfe dieses molekularen Kopierverfahrens wird in den Abstrichen das Erbgut des Virus nachgewiesen, das aus dem Biomolekül Ribonukleinsäure (RNA) besteht. Die wenigen Virus-RNA-Moleküle werden zunächst in DNA umgeschrieben und dann durch die PCR in zahlreichen Kopierzyklen vervielfältigt. Erst auf diese Weise kann die Existenz des Viren-Erbguts in den Proben ermittelt werden. Die Fachleute sprechen von Real-time RT-PCR. Vier bis fünf Stunden dauert es im Labor, bis ein Testergebnis vorliegt.

Testergebnis in 15 Minuten

Das Münchner Unternehmen GNA Biosolutions hat einen besonders schnellen Coronavirus-Test entwickelt, der nach Firmenangaben spätestens im Juni auf den Markt kommen soll. Der Test könne binnen 15 Minuten ein eindeutiges Ergebnis liefern, ob jemand mit SARS-CoV-2 infiziert sei, sagte der Firmenchef Federico Bürsgens der Süddeutschen Zeitung. Möglich wird der enorme Zeitgewinn durch die sogenannte Laser-PCR-Methode, die bei den wiederholten Aufheiz- und Abkühl-Zyklen zur Anwendung kommt. Bei dem bisher üblichen PCR-Verfahren wird hier immer die gesamte Reaktionsflüssigkeit erwärmt, obwohl eigentlich nur ein paar wenige DNA-Moleküle aufgeheizt werden sollen.

Laserpulse heizen Goldnanopartikel auf

GNA Biosolutions-Forschungschef Joachim Stehr beschreibt in einem bioökonomie.de-Porträt den Clou des von ihm mitentwickelten Laser-PCR-Verfahrens: „Wir halten die gesamte Flüssigkeit auf einer konstanten Temperatur. Mit kurzen Laserpulsen heizen wir Goldnanopartikel auf, an denen die zu vervielfältigenden DNA-Abschnitte hängen“, so Stehr. Das kurze – nur wenige Mikrosekunden dauernde – Aufheizen der Nanopartikel funktioniert etwa eine Million Mal schneller als das bisherige Heizen der gesamten Flüssigkeit. Binnen 15 Minuten kann so der gesamte Prozess abgeschlossen werden, heißt es von GNA Biosolutions.

Technologie-Entwicklung öffentlich gefördert

Der Firma ist eine Ausgründung aus der Abteilung für Photonik und Optoelektronik der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität. GNA Biosolutions wurde mehrfach vom Bund in seiner Firmenentwicklung unterstützt. Darunter vom Bundeswirtschaftsministerium und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Im Rahmen der Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Biotechnologie - BioChance“ hat das BMBF die Entwicklung der Laser-PCR mit rund 300.000 Euro gefördert.

Nun arbeitet GNA Biosolutions unter Hochdruck an der Produktion mobiler Testgeräte, die beispielsweise an Werkstoren eingesetzt werden könnten, um Mitarbeiter eines Unternehmens schnell zu untersuchen. An der Entwicklung beteiligt sind das Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr und ein Automobilzulieferer aus Mittelfranken. Gefördert wird das Projekt vom bayerischen Wirtschaftsministerium.

pg

In order to detect acute infection with the corona virus, thousands of tests based on the polymerase chain reaction (PCR) are performed daily. With the help of this molecular copy method, the genetic material of the virus, which consists of the biomolecule ribonucleic acid (RNA), is detected in the swabs. The few virus RNA molecules are first transcribed into DNA and then amplified by the PCR in numerous copy cycles. Only then can the existence of the viral genetic material in the samples be determined. Experts refer to this as real-time RT-PCR. It takes four to five hours in the laboratory to obtain a final result.

Test result in 15 minutes

The Munich-based company GNA Biosolutions has developed a particularly rapid coronavirus test which, according to the company, is expected to be introduced to the market in June at the latest. The test can provide a definite result within 15 minutes as to whether someone is infected with SARS-CoV-2, the head of the company, Federico Bürsgens, told Süddeutsche Zeitung. To gain this much time, the so-called laser PCR method is applied, which is used in repeated heating and cooling cycles. In the PCR method used up to now, the entire reaction liquid is heated, although only a few DNA molecules need to be heated.

Laser pulses heat gold nanoparticles

In a biooekonomie.de portrait, GNA Biosolutions' head of research Joachim Stehr describes the highlight of the laser PCR method he co-developed: "We keep the entire liquid at a constant temperature. We use short laser pulses to heat gold nanoparticles to which the DNA segments to be amplified are attached," said Stehr. The short heating of the nanoparticles - which only lasts a few microseconds - works about one million times faster than the previous heating of the entire liquid. The entire process can be completed within 15 minutes, says GNA Biosolutions.

Technology development publicly funded

The company is a spin-off from the Department of Photonics and Optoelectronics at the Ludwig-Maximilians-University of Munich. GNA Biosolutions has been supported several times by the German government in its company development. Among them the Federal Ministry of Economics and the Federal Ministry of Education and Research (BMBF). As part of the "KMU-innovativ: Biotechnologie - BioChance" funding measure, the BMBF has provided the development of laser PCR with approximately 300,000 euros.

GNA Biosolutions is now working under high pressure on the production of mobile test devices that could, for example, be used at factory gates in order to quickly screen company employees. The Institute of Microbiology of the German Armed Forces and an automotive supplier from Middle Franconia are involved in the development of the devices. The project is funded by the Bavarian Ministry of Economic Affairs.

pg/um

Bioethanol ist ein Alkohol, der entweder aus Getreide oder Zuckerrüben sowie aus Agrarresten gewonnen wird. In einer Bioethanol-Fabrik gibt es große Tanks, in denen Hefen die zuckerhaltige Biomasse zu Ethanol vergären. Bioethanol wird Benzin beigemischt und ist als Super-E10 an den Tankstellen erhältlich. 

Doch in der Corona-Krise ist Bioethanol plötzlich zum enorm nachgefragten Grundstoff für die Hersteller von Desinfektionsmitteln geworden. Vor dem Hintergrund der Versorgungsengpässe für Neutralalkohol haben die deutschen Behörden, wie in Frankreich und Österreich, unter der Voraussetzung bestimmter Qualitätsanforderungen auch technischen Alkohol - zu dem Bioethanol zählt - für die Nutzung in Desinfektionsmitteln freigegeben. Zahlreiche Bioethanolproduzenten haben deshalb ihre Produktion in kürzester Zeit umgestellt. 

Produktionsstrecke umgerüstet

So hat der Biokraftstoffhersteller Verbio eine Teilstrecke seiner Bioethanol-Anlage am Unternehmenssitz in Zörbig in Sachsen-Anhalt binnen weniger Tage auf die Herstellung eines eigenen Handdesinfektionsmittels umgestellt. Dafür hat sich Verbio eine Sondergenehmigung von der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin eingeholt. Die Umstellung der Produktionsstrecke aber auch die Abfüllung der Desinfektionsmittel waren eine Herausforderung, wie der Geschäftsführer des Zörbiger Werks, Wolfram Klein, einräumt: „Bioethanol, der als Biokraftstoff verwendet wird, ist nicht geschmacks- und geruchsneutral. Der gesamte Herstellungsprozess musste umgestellt werden, um diese wichtige Anforderung zu erfüllen.“

Neben einer neuen 24-Stunden-Abfüllung musste zudem die Verpackungslogistik völlig neu eingerichtet werden. „Normalerweise liefern wir unser Bioethanol in Tankzügen oder Tank-LKW an unsere Kunden, die Mineralölunternehmen. Jetzt bieten wir Desinfektionsmittel in 10-Liter und 20-Liter Kanistern und 220-Liter Fässern an“, so Klein. Derzeit werden 40.000 Liter pro Woche hergestellt, wie das Unternehmen mitteilt. Die Produktionsmengen sollen jedoch schrittweise hochgefahren werden, um die Anfragen von Krankenhäusern und Apotheken bedienen zu können. Nach Einschätzung des Unternehmens stehen bis auf Weiteres Bioethanol in ausreichenden Mengen für die Desinfektionsmittelproduktion zur Verfügung. Das neue Desinfektionsmittel können Krankenhäuser und Apotheken ab sofort bestellen.

Bioethanol is an alcohol produced from either cereals or sugar beets as well as from agricultural residues. In a bioethanol factory, there are large tanks in which yeasts ferment the sugar-containing biomass to ethanol. Bioethanol is added to petrol and is available as Super-E10 at petrol stations.

However, during the corona crisis, bioethanol has suddenly become an enormously sought-after feedstock for the manufacturers of disinfectants. Against the background of the supply bottlenecks for neutral alcohol, the German authorities, as in France and Austria, have also approved technical alcohol - which includes bioethanol - for use in disinfectants, subject to certain quality requirements. Numerous bioethanol producers have therefore converted their production in a very short time.

Production line converted

The biofuel manufacturer Verbio, for example, switched part of its bioethanol plant at its headquarters in Zörbig in Saxony-Anhalt to the production of its own hand disinfectant within a few days. Verbio has obtained a special permit for this from the Federal Institute for Occupational Safety and Health. The conversion of the production line but also the filling of the disinfectants was a challenge, as the managing director of the Zörbig plant, Wolfram Klein, admits: "Bioethanol used as biofuel is not neutral in taste and smell. The entire production process had to be changed to meet this important requirement".

In addition to a new 24-hour filling line, the packaging logistics also had to be completely redesigned. "Normally we deliver our bioethanol in tank trucks or tanker trucks to our customers, the mineral oil companies. Now we offer disinfectants in 10-liter and 20-liter canisters and 220-liter drums," says Klein. The company currently produces 40,000 liters per week, the company reports. However, the production volumes are to be gradually increased in order to be able to meet the demands of hospitals and pharmacies. According to the company's estimates, sufficient quantities of bioethanol are available for the production of disinfectants until further notice. Hospitals and pharmacies can now order the new disinfectant.

Erbsen, Linsen und Soja sind bekannte Proteinquellen für eine gesunde Ernährung. Mit der Blauen Süßlupine hat das Grimmener Unternehmen Prolupin eine heimische Pflanze ins Rampenlicht gerückt, die lange Zeit eher wegen ihrer Farbenpracht geschätzt wurde. Bis dato galten die aus der Lupine gewonnenen Proteine als wenig schmackhaft. Dem 2010 als Spin-off des Fraunhofer IVV gegründen Start-up war es gelungen, jene chemischen Verbindungen zu identifizieren, die für den bitteren und bohnigen Geschmack der Samen verantwortlich sind, und ein neuartiges Verfahren zu entwickeln, um diese Lupinenproteine als pflanzliche Alternative zum Milcheiweiß für die Lebensmittelherstellung zu etablieren.

Zwei neue Investoren an Bord

Neben dem preisgekrönten Lupinen-Eis der Marke „Made with Luve" bietet Prolupin mittlerweile maßgeschneiderte Lupinenprotein-Isolate zur Herstellung von Back- und Fleischwaren an. Nun konnte das Team um Geschäftsführer Malte Stampe im Rahmen einer Finanzierungsrunde mit Capricorn Partners aus Belgien und dem Wachstumsinvestor Novax zwei neue Hauptinvestoren gewinnen. Gemeinsam mit den bisherigen Investoren Munich Venture Partners und eCapital Entrepreneurial Partners wurde frisches Kapital in zweistelliger Millionenhöhe eingesammelt, wie Polupin kürzlich verkündete. Weitere finanzielle Details wurden nicht genannt.

Wachstum und Expansion 

Mit dem Geld will Prolupin nun weiter wachsen und mit seinen Lupinenprodukten den breiten Markt erobern. „Die Verstärkung unseres Teams durch Capricorn und Novax wird es uns ermöglichen, das Wachstum von Prolupin im B2B- und B2C-Bereich zu beschleunigen", sagt Stampe. Neben dem Lupinenprotein-Isolat (LPI) soll auch das Eissortiment Neukunden im In- und Ausland überzeugen. Prolupin ist seit kurzem auch Mitglied der EIT Food  - Europas führender Initiative für Lebensmittelinnovation.

bb

Zwei heiße Sommer und vor allem zwei trockene Jahre liegen in Deutschland hinter uns. Das haben auch viele Landwirte und Obstbauern zu spüren bekommen, deren Erträge dadurch deutlich eingebrochen sind. Durch den Klimawandel ist davon auszugehen, dass sich derartige Ereignisse künftig häufen werden. Eine Ursache für die Ernteausfälle ist, dass die Kulturpflanzen Blüten und Früchte abwerfen, die sie voraussichtlich nicht bis zur Reife versorgen können. So lässt sich Energieverschwendung vermeiden. Die molekularbiologischen Hintergründe dafür hat nun ein Team der Universität Hohenheim im Fachjournal „Science“ vorgestellt.

Bei reifem Obst wirkt das Hormon Ethylen

Dass Pflanzen Früchte oder Blätter abwerfen, ist ein normaler Vorgang im Jahreszyklus. Auf diesem Weg verbreiten sie ihre Samen und rüsten ihren Stoffwechsel für den Winter. Diese Prozesse sind auch auf molekularer Ebene recht gut verstanden. So sorgt das Wachstumshormon Auxin dafür, dass während der Wachstumszeit die Trennzone am Stil von Früchten und Blättern stabil bleibt. Ist die Fruchtreife erreicht oder beginnt der Herbst, greift das Hormon Ethylen ein und die Trennzone wird aktiviert – Früchte oder Blätter fallen zu Boden.

Enzym aktiviert ein Peptidhormon 

Was aber steckt dahinter, wenn Pflanzen bei Trockenstress ihre Blüten oder Früchte abwerfen? „Die Pflanze ist bestrebt, nur so viele Früchte auszubilden wie sie auch ernähren kann“, erläutert Andreas Schaller, Biochemiker an der Universität Hohenheim. „Wer einen Apfelbaum hat, kennt das Phänomen aus dem eigenen Garten: Im Juni fallen oft viele kleine Äpfel herunter. Nur die Verbleibenden reifen zu vollen, schönen Früchte heran.“ Am Beispiel der Tomate konnten die Hohenheimer Forscher nun zeigen, dass das Peptidhormon Phytosulfokin (PSK) diesen Vorgang steuert.

Trockenstress steigert Aktivität des Phytaspase 2-Gens

Während normale Pflanzenhormone direkte Wirkung ausüben, existieren Peptidhormone als Vorstufen. Erst wenn sie durch bestimmte Enzyme gespalten werden, entsteht ihre aktive Form. „Unsere Versuche haben gezeigt, dass die Aktivierung durch das Enzym Phytaspase 2 erfolgt, das die Vorstufe von Phytosulfokin ganz spezifisch spaltet und damit das Peptidhormon freisetzt“, berichtet Schaller. Das so aktivierte Peptid bewirke im Ansatz des Blütenstiels dann eine Auflösung der Zellwände und damit den Abwurf der Blüten.

Herrscht Trockenstress, ist das Gen für das Enzym Phytaspase 2 besonders aktiv. „Das Peptidhormon wird gebildet und das führt zu einem verstärkten Abwurf der Blüten, wohingegen ein Ausschalten des Gens den Abwurf verhindert“, resümiert Schaller.

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Wasser ist ein kostbares Gut und sorgt nicht selten für Nutzungskonflikte. Denn die für Mensch, Tier und Pflanze lebenswichtige Ressource gerät durch Klimawandel, Urbanisierung und Verschmutzung zunehmend unter Druck. Die Landwirtschaft als Haupternährungsproduzent verursacht Experten zufolge allein 70% des globalen Wasserverbrauchs. Nicht nur in warmen Regionen wie Spanien, auch in Deutschland kommt es durch Dürre und Hitze schon heute zu Engpässen bei der Bewässerung und damit zu Ertragseinbußen. Um Nutzungskonflikte zu vermeiden, sind alternative Lösungen gefragt. Für den Pflanzenbau gibt es nun ein neues Bewässerungskonzept.

Im Verbundprojekt „Einsatz hydroponischer Systeme zur ressourceneffizienten landwirtschaftlichen Wasserwiederverwendung (HypoWave) haben 13 Partner aus Forschung und Wirtschaft Abwässer für den nachhaltigen Pflanzenbau ins Visier genommen. Das Vorhaben wurde vom Bundesforschungsministerium im Rahmen der Fördermaßnahme Wave unterstützt. Ziel war es zu klären, ob der Einsatz von recyceltem Abwasser den hohen Wasserbrauch in der landwirtschaftlichen Produktion reduzieren kann und ob aus dem Abwasser gewonnene Nährstoffe für die Produktion verschiedener Gemüsesorten und Zierpflanzen nutzbar sind.

Hydroponisches Verfahren durch Abwassernutzung optimiert

Auf dem Gelände der Kläranlage in Hattorf bei Wolfsburg wurde dafür eigens ein Gewächshaus zum Gemüseanbau errichtet. Im Pilotprojekt drehte sich alles um den hydroponischen Anbau von Salatpflanzen, das heißt, die Pflanzen wurden ohne Erde in Gefäße gebracht und ausschließlich mit einer Nährstofflösung versorgt. „Das Besondere am bodenlosen hydroponischen Pflanzenbau in unserer Pilotanlage ist, dass wir das ohnehin wassersparende Verfahren durch den Einsatz von speziell aufbereitetem Abwasser erfolgreich optimieren konnten“, so Projektleiter Thomas Dockhorn von der Technischen Universität Braunschweig. Das aufbereitete Abwasser wurde zuvor in der Kläranlage in einem mehrstufigen Verfahren behandelt und hygienisiert .

Win-win-Situation für Landwirte und Abwasserentsorger

Mit dem Hypowave-Verfahren haben die Forscher nicht nur eine ungenutzte Wasserquelle für den Pflanzenbau erschlossen. Sie konnten auch zeigen, dass sich die Salatpflanzen für die weitergehende Abwasserreinigung eignen, weil sie Stickstoff und Phosphor aufnehmen. Dockhorn spricht von einer Win-win-Situation für Landwirtschaft und Abwasserentsorger. „Für die Umsetzung des HypoWave-Verfahrens sind jetzt landwirtschaftliche Betriebe mit Innovationsinteresse gefragt“, ergänzt Projektkoordinatorin Martina Winker vom ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung in Frankfurt am Main.

Das Verfahren eignet sich nicht nur für den Salatanbau, sondern auch für andere Gemüsearten wie Gurken, Paprika und Tomaten, betonen die Forscher. Vor allem ländliche Gegenden mit regionaler Wasserknappheit und Kläranlagen ohne nennenswerte industrielle Einleitung sowie Länder mit chronischem Wassermangel könnten demnach von dem neuen Bewässerungskonzept profitieren.

Mehrstufiges Risikomanagement empfohlen

Untersuchungen der im Projekt genutzten Abwässer ergaben, dass weder das recycelte Wasser noch die Salate mikrobiell belastet sind. Damit das in der Praxis später auch gelingt, rät das Team schon bei der Wahl der Kläranlage darauf zu achten, dass so wenig wie möglich Abwässer von Industrieanlagen einfließen. Empfohlen wird ein mehrstufiges Risikomanagment - beginnend bei Arbeitshygiene und Arbeitsschutz über zusätzliche Elemente wie eine UV-Bestrahlung des Bewässerungswassers bis hin zur strikten Trennung von Wasser- und Pflanzensphäre. Schließlich liefert das Projektteam auch Tipps, wie sich solch ein Gewächshaus ästhetisch in die Landschaft einbetten lässt, ohne Ökosystemleistungen der Landschaft zu gefährden.

bb

Water is a precious resource and often causes conflicts of use. This is because this resource, which is vital for humans, animals and plants, is coming under increasing pressure from climate change, urbanization and pollution. According to experts, agriculture alone accounts for 70% of global water consumption. Not only in warm regions such as Spain, but also in Germany, drought and heat are already causing bottlenecks in irrigation and thus yield losses. Alternative solutions are needed to avoid conflicts of use. There is now a new irrigation concept for crop cultivation.

In the HypoWave-project, 13 partners from research and industry have set their sights on wastewater for sustainable crop cultivation. The project was supported by the German Federal Ministry of Education and Research as part of the Wave funding measure. The aim was to clarify whether the use of recycled wastewater can reduce the high-water consumption in agricultural production and whether nutrients extracted from the wastewater can be used for the production of various vegetables and ornamental plants.

Hydroponic process optimized through wastewater utilization

On the site of the sewage treatment plant in Hattorf near Wolfsburg, a greenhouse was built especially for this purpose for growing vegetables. In the pilot project, everything revolved around the hydroponic cultivation of lettuce plants, i.e. the plants were placed in containers without soil and supplied exclusively with a nutrient solution. "What is special about the bottomless hydroponic plant cultivation in our pilot plant is that we were able to successfully optimize the already water-saving process by using specially treated wastewater," says project manager Thomas Dockhorn from the Technical University of Braunschweig. The treated wastewater was previously treated and sanitized in a multi-stage process in the wastewater treatment plant.

Win-win situation for farmers and wastewater disposal companies

With the Hypowave process, the researchers have not only opened up an unused water source for plant cultivation. They were also able to show that lettuce plants are suitable for more extensive wastewater treatment because they absorb nitrogen and phosphorus. Dockhorn speaks of a win-win situation for agriculture and wastewater disposal companies. "Agricultural businesses with an interest in innovation are now in demand for the implementation of the HypoWave process," adds project coordinator Martina Winker from ISOE - Institute for Social-Ecological Research in Frankfurt am Main.

The method is not only suitable for growing lettuce, but also for other vegetables such as cucumbers, peppers and tomatoes, the researchers emphasize. Above all rural areas with regional water shortages and sewage treatment plants without significant industrial discharges, as well as countries with chronic water shortages, could therefore benefit from the new irrigation concept.

Multi-level risk management recommended

Examination of the wastewater used in the project showed that neither the recycled water nor the salads are microbially contaminated. In order to ensure that this is achieved in practice, the team advises that as little wastewater as possible from industrial plants should be used when choosing a wastewater treatment plant. A multi-stage risk management is recommended - starting with industrial hygiene and safety at work and including additional elements such as UV irradiation of irrigation water and the strict separation of water and plant spheres. Finally, the project team also provides tips on how such a greenhouse can be aesthetically embedded in the landscape without endangering the ecosystem services of the landscape.

bb/mb

Der Outdoor-Ausstatter Vaude und der Hersteller von thermoplastischen Elastomeren und flexiblen Polymerverbindungen Hexpol TPE haben einen weiteren kleinen Schritt hin zu einer biobasierten Kreislaufwirtschaft vollzogen: Sie präsentieren ein Trinkventil aus Biokunststoff für eine Fahrradtrinkflasche.

Biobasiert und recyclingfähig

Bei der Entwicklung der „Bike Bottle Organic“ verfolgte das baden-württembergische Unternehmen Vaude das Ziel, ein Produkt zu konzipieren, das vollständig aus biobasierten Kunststoffen besteht. Denn die Trinkflasche sollte sich in die Produktreihe „Green Shape“ einreihen, deren Grundsatz es ist, zugleich funktional, umweltfreundlich und nachhaltig zu sein. Eine Herausforderung stellte diesmal das Weichventil am Mundstück dar: „Dank der Dryflex Green TPEs konnte Vaude ein technisches Bauteil, in diesem Fall ein Weichventil, aus biobasiertem Material herstellen“, schildert Vaude-Manager Clément Affholder.

Einfärbbar, formstabil und UV-beständig

Dass das nicht so einfach war, lag sowohl an den mechanischen Anforderungen als auch an den Voraussetzungen für die Verarbeitbarkeit. „Unser individuell für Vaude entwickeltes Compound basiert zu einem Anteil von mehr als 34 Prozent auf biobasierten Materialien und lässt sich konventionell als Drop-in-Lösung verarbeiten, so dass keine Werkzeuganpassung notwendig ist“, betont Hexpol-Managerin Kathrin Heilmann. Zu den weiteren Anforderungen, die das neue Ventil erfüllt, gehören die Vorgaben für den Lebensmittelkontakt in der Europäischen Union und den USA und die Möglichkeit, das Ventil einzufärben. Außerdem muss das Material auf den Kunststoffen Polypropylen und Polyethylen haften, formstabil sowie UV-beständig sein und sich vollständig wiederverwerten lassen.

Erneuerbare Ressourcen für High-Performance-Produkt

Vaude bezeichnet die vielseitigen Materialeigenschaften als ausschlaggebend, sich für eine Kooperation mit dem internationalen Kunststoffexperten Hexpol entschieden zu haben. Affholder freut sich nun angesichts des erfolgreichen Verkaufsstarts: „Es ist ein wichtiger Schritt vorwärts, der hilft, den ökologischen Fußabdruck von Konsumprodukten zu verringern, und gleichzeitig zeigt, dass sich erneuerbare Ressourcen in High-Performance-Produkten einsetzen lassen.“

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The outdoor outfitter Vaude and the manufacturer of thermoplastic elastomers and flexible polymer compounds Hexpol TPE have taken another small step towards a biobased circular economy: They present a drinking valve made of bioplastics for a bicycle drinking bottle.

Biobased and recyclable

In developing the "Bike Bottle Organic", the Baden-Württemberg based company Vaude pursued the goal of designing a product that consists entirely of biobased plastics. The drinking bottle should be part of the "Green Shape" product range, whose principle is to be functional, environmentally friendly and sustainable at the same time. This time, the soft valve on the mouthpiece presented a challenge: "Thanks to the Dryflex Green TPEs, Vaude was able to manufacture a technical component, in this case a soft valve, from biobased material," explains Vaude manager Clément Affholder.

Colorable, dimensionally stable and UV-resistant

The fact that this was not so easy was due to both the mechanical requirements and the conditions for processability. "The Dryflex Green TPE compound, developed individually for Vaude, is based on more than 34% biobased materials, it can be processed using conventional production methods, as a drop-in solution without the need for tool modification," said Hexpol manager Kathrin Heilmann. Other requirements that the new valve meets include the specifications for food contact in the European Union and the USA and the possibility of coloring the valve. In addition, the material must adhere to polypropylene and polyethylene, be dimensionally stable, UV-resistant and fully recyclable.

Renewable resources for a high-performance product

Vaude describes the versatile material properties as the decisive factor in choosing to cooperate with the international plastics expert Hexpol. Affholder is now delighted with the successful sales launch: "It is an important step forward that helps to minimize the environmental impact of consumer goods and at the same time shows that renewable resources can be used in high-performance products".

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Schmetterlinge wie der Purpurbär gelten in der Insektenwelt als Schönheiten, die nicht zuletzt wegen ihrer Farbenpracht faszinieren. Doch der Prachtfalter Rhyparia purpurata ist auch hierzulande nur noch selten anzutreffen. Wie viele seiner Verwandten steht er auf der Roten Liste als gefährdete Art. Um den Rückgang der Insekten zu stoppen, will die Bundesregierung künftig 100 Mio. Euro in deren Schutz investieren, darunter auch in Insektenforschung und -monitoring. Studien hatten bereits in der Vergangenheit belegt, wie dramatisch die Situation auch in Deutschland ist. Nun zeigen Forscher der Zoologischen Staatssammlung München SNSB-ZSM, welche Rolle die Landnutzung für die Insektendiversität spielt.

Mehr Schmetterlinge auf Ökohöfen

Im Rahmen einer Vergleichsstudie hatte das Team Insektenfallen auf ökologisch sowie konventionell bewirtschafteten Agrarflächen in Bayern aufgestellt. Ziel war es, das Insektenaufkommen in beiden Gebieten zu analysieren. Die Ergebnisse sind wenig überraschend, aber überraschend eindeutig. Wie die Forscher im Fachjournal Ecology and Evolution berichten, gab es auf ökologisch bewirtschafteten Feldern 2,6-mal so viele Insekten wie auf konventionellen Flächen. Bezogen auf Biomasse, Artenvielfalt sowie Vorkommen stark gefährdeter und vom Aussterben bedrohter Arten seien ökologisch bewirtschaftete Gebiete für die Insektenfauna ein klarer Vorteil, heißt es in der Studie.

Anteil gefährdeter Arten doppelt so hoch

Insgesamt wurden in beiden Untersuchungsgebieten 4.000 Arthropodenarten und 604 Schmetterlingsarten nachgewiesen. Mit einem klaren Vorsprung von 60% wurden demnach auf den Flächen des Ökohofs eindeutig mehr Schmetterlingsarten gesichtet als auf konventionell bewirtschafteten Äckern. Hier gingen den Forschern sogar gefährdete Arten wie der Purpurbär in die Fallen. Mit 30 gefährdeten Arten war deren Anteil doppelt so hoch wie auf der Vergleichsfläche.

Insekten mittels DNA-Referenzbibliothek schnell identifiziert

Am SNSB-ZSM werden mittels genetischer Artenbestimmung, dem sogenannten DNA-Barcoding, seit einigen Jahren in Bayern Insektenarten charakterisiert gespeichert. Auf diese DNA-Referenzbibliothek konnten die Forscher bei der Studie zurückgreifen und damit schnelle Ergebnisse liefern. Nur so war es möglich, die Vielzahl der Insektenarten, die den Forschern in die Fallen gingen, in kürzester Zeit zu identifizieren. „Wir konnten somit die Auswirkungen verschiedener Landnutzungsformen auf den Insektenbestand erstmals auf breiter Basis untersuchen“, so Axel Hausmann, Leiter der Sektion für Schmetterlinge an der Zoologischen Staatssammlung München.

Die Untersuchung wurde von der Firma HIPP und vom Bayerischen Pakt für Forschung und Innovation („SNSB-innovativ“) unterstützt und wird weitere fünf Jahre fortgeführt.

bb

Im Vorfeld der Untersuchung wurden Nudeln mit Spirulina-Füllung als vielversprechende Produktidee identifiziert. Spirulina-Algen sind Proteinquellen, die sich in Deutschland unabhängig von nutzbarer Ackerfläche produzieren lassen. Sie sind eine mögliche Alternative, um die steigende Nachfrage nach tierischen Proteinen zu stillen und dennoch die Nutztierhaltung zur Fleischproduktion mit ihren ökologischen Folgen zu begrenzen.

In einem zweiten Schritt wurde jetzt die Beliebtheit unterschiedlicher Pasta-Füllungen getestet. Dafür wurden in Deutschland, in den Niederlanden und in Frankreich insgesamt 420 Verbraucherinnen und Verbraucher unter standardisierten Bedingungen mit Spirulina-Pasta verkostet. Die Füllungen unterschieden sich im Algenanteil und wurden jeweils in verschiedenen Geschmacksrichtungen angeboten.

In der Studie zeigte sich, dass ein höherer Bekanntheitsgrad von Spirulina mit einer höheren sensorischen Beliebtheit der Algen-Pasta einherging. Die Steigerung des Bekanntheitsgrades durch Marketingmaßnahmen ist also förderlich für die Akzeptanz. Weiterhin wurde bestätigt, dass es bei der Entwicklung neuer Produkte unerlässlich ist, Verbraucherinnen und Verbraucher frühzeitig in den Prozess einzubeziehen, um Rezepturen an die Geschmäcker anzupassen und erfolgreiche Fleischalternativen zu entwickeln.

Favorit der Probanden war übrigens eine Nudel-Füllung aus Spirulina, Zitrone und Basilikum.

Prior to the study, pasta with spirulina filling was identified as a promising product idea. Spirulina algae are protein sources that can be produced in Germany independently of usable farmland. They are a possible alternative to satisfy the increasing demand for animal proteins and yet limit livestock farming for meat production with its ecological consequences.

In a second step, the popularity of different pasta fillings was tested. For this purpose, a total of 420 consumers in Germany, the Netherlands and France were tasted with spirulina pasta under standardised conditions. The fillings differed in their algae content and were each offered in different flavours.

The study showed that a higher level of awareness of spirulina was associated with a higher sensory popularity of algae pasta. Increasing the level of awareness through marketing measures is therefore conducive to acceptance. Furthermore, it was confirmed that in the development of new products it is essential to involve consumers in the process at an early stage in order to adapt recipes to tastes and develop successful meat alternatives.

Incidentally, the test persons' favourite was a pasta filling made from spirulina, lemon and basil.

In der Elektrobiotechnologie untersuchen Forscherteams seit Längerem, wie sich elektrischer Strom aus mikrobiellen Stoffwechselprozessen nutzen lässt. Es ist aber auch denkbar, diesen Strom für die biotechnologische Produktion von sauerstoffsensiblen Enzymen oder Biochemikalien zu nutzen. Der Schlüssel liegt darin, den Sauerstoff aus dem bakteriellen Stoffwechsel zu entfernen. Die Biochemikerin Miriam Agler-Rosenbaum von der Universität Jena erforscht in dem Projekt „e-MICROBe“, wie das gelingen kann. Der Europäische Forschungsrat unterstützt sie mit einem  „ERC Consolidator Grant“, der mit 2 Mio. Euro dotiert ist.