Kreativer Nachwuchs: Neue Forschungsgruppen für nachhaltige Bioökonomie
In der BMFTR-Förderinitiative „Kreativer Nachwuchs forscht für die Bioökonomie“ setzen sich drei neue Teams im Wettbewerb durch.
Bioökonomie neu und noch nachhaltiger zu gestalten – das ist das Ziel der Förderinitiative „Kreativer Nachwuchs forscht für die Bioökonomie“. Das Bundesforschungsministerium unterstützt dabei gezielt junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit eigenen Arbeitsgruppen innovative Ideen anzupacken. Drei Nachwuchsgruppen gewannen in der nunmehr fünften Ausschreibungsrunde; sie erhalten nun über fünf Jahre hinweg Fördergelder für ihre vielversprechenden Projekte. Für eine biobasierte Wirtschaft auf breiter Basis ist Forschung, die einen Weg in die Anwendung findet, essentiell. Bei den auserwählten Nachwuchsgruppen geht es um Wege, wie man das Treibhausgas CO2 als Rohstoff verwenden kann, norddeutsche Wälder mit einer „Baumwanderung“ an den Klimawandel anpasst oder eine Kreislaufwirtschaft für Elektronikschrott entwickelt.
Gezähmte Knallgasreaktion für nachhaltige Produkte
Miriam Edel stellt die Frage, wie sich CO2 aus Abgasen einfangen und in nachhaltige Produkte umwandeln lässt. Die Mikrobiologin an der TU Hamburg entschied sich für die so genannte Knallgasfermentation. Dabei wachsen Bakterien mit Wasserstoff, Sauerstoff und CO2. Am Ende des Prozesses entsteht Succinat, ein natürlicher Bestandteil des menschlichen Energiestoffwechsels, das die Industrie etwa Medikamenten, Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetika zufügt. Zudem besitzt biobasierte Succinat großes Potential als Rohstoff für neuartige Produkte, zum Beispiel für biologisch abbaubare Kunststoffe.
Allerdings ist Knallgas hochexplosiv und lässt sich nur schwer in Prozesse einbinden. Deshalb wählte Edel einen neuartigen Ansatz: einen Membran-Biofilm-Reaktor, mit dem man die beiden zusammen hochexplosiven Gase Sauerstoff und Wasserstoff voneinander trennt. Dafür ist ein stabiler und katalytisch aktiver Biofilm entscheidend. Hier konnte die Wissenschaftlerin auf ihren bisherigen Schwerpunkt der letzten drei Jahre aufset-zen: die genetische Modifikation von Mikroorganismen, sodass möglichst viel Succinat entsteht. Die Nachwuchsgruppen-Leiterin hofft auf eine breite Anwendung ihrer Forschung: „Wenn man ganz weit denkt, kann so eine Membran-Biofilm-Anlage eines Tages überall CO2-reiche Gase zu sinnvoll verwendbaren Produkten wie Succinat recyceln, das von der Industrie auf vielfache Weise genutzt werden kann.“
Für ihr Forschungsprojekt „INSPIRE: Innovative Wege zur Produktion von Succinat in Membran-Biofilm-Reaktoren“ hat die Mikrobiologin mit ihrer Nachwuchsgruppe eine Förderung des BMFTR in Höhe von 2,2 Millionen Euro gewonnen.
Welche Bäume sollen „wandern“?
Auch Farooq Ahmad verbindet Wertschöpfung und Nachhaltigkeit. Er möchte norddeutsche Wälder an den Klimawandel anpassen, denn zunehmende Dürren und steigende Temperaturen schwächen Bäume und machen sie anfälliger für Schadinsekten oder Mikroorganismen. Derzeit gehe man in Deutschland von 30 bis 40 Prozent geschädigten Bäumen aus, was jährlich wirtschaftliche Verluste in Milliardenhöhe verursache, betont Ahmad. Wenn man nicht vorbeugt, werden die meisten heute angepflanzten Wälder die Bedingungen des Jahres 2070 nicht überleben. Deshalb will der Pflanzenpathologe Bäume aus wärmeren in kältere Klimazonen migrieren. Das Konzept der unterstützten Baumwanderung zielt darauf ab, die nötige „Wanderung“ des Waldes zu beschleunigen, indem tolerantere Baumarten an weiter nördlich gelegene Standorte verpflanzt werden.
Dabei hat Ahmad mit seinem neuen Forschungsteam verschiedene Eichenarten aus Süddeutschland und Spanien im Blick. Er untersucht genetische Grundlagen der Klimaanpassung. Das Migrationspotenzial der Eichen nach Norddeutschland misst sich an ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber klimabedingten abiotischen Stressfaktoren wie Kälte und Hitze und biotischen Stressfaktoren wie bestimmten Krankheitserregern. Mithilfe von Genomanalysen wollen die Forschenden spezifische Gene und genetische Prozesse identifizieren, die den Eichen in einer neuen Umgebung Widerstandsfähigkeit gegenüber all diesen verschiedenen Einflüssen verleihen.
Die Ergebnisse über die Erbinformationen von besonders stressresistenten Bäumen tragen dazu bei, mit molekularen Markern gezielt Bäume zu züchten, die an die zukünftigen Wachstumsbedingungen angepasst sind. „Langfristig kann es so gelingen, die Verfügbarkeit des heimischen Rohstoffes Holz für eine biobasierte Wirtschaft auch unter drastisch geänderten Umweltbedingungen sicherzustellen“, fasst der Wissenschaftler das Potenzial zusammen. Für sein Projekt OMICSFAM (Multi-omics for assisted tree migration under biotic stress and climate change scenarios - Multi-Omics für die unterstützte Baumverpflanzung unter biotischem Stress und Klimawandelszenarien) erhält Ahmad für seine Nachwuchsforschungsgruppe an der Kieler Christian-Albrechts-Universität rund 2,25 Millionen Euro Forschungsförderung vom BMFTR.
Wertvollen Elektronikschrott recyceln
Das Projekt BioFlexElectronics von Benjamin Willner an der TU Dresden will biobasierte Materialien entwickeln, die eine Kreislaufwirtschaft für Elektronikschrott ermöglichen. Das birgt enormes wirtschaftliches Potenzial: Der Schrott enthält erhebliche Mengen an Metallen, darunter kritische Rohstoffe und Seltene Erden. Vor allem die Leiterplatten sind eine wertvolle Ressource mit hohen Konzentrationen an Edelmetallen für „Urban Mining". Dennoch werden sie heutzutage größtenteils nicht recycelt, bestehende Verfahren sind zu teuer, energieintensiv und umweltschädlich. Derzeit bestehen die Leiterplatten meist aus Verbundwerkstoffen auf Basis fossiler Rohstoffe, oft Epoxid-Glasfaser-Platten auf Grundlage von Bisphenol A. Dieser Schadstoff beeinflusst Hormone und schädigt dadurch die menschliche Gesundheit sowie Organismen in der Umwelt.
Willners Nachwuchsgruppe setzt dagegen auf biobasierte Rohstoffe wie Lignin, Tannin und Polysaccharide. Sie entstammen Abfallstoffen aus der Forst- und Landwirtschaft, sind in Europa reichlich verfügbar und konkurrieren nicht mit der Lebensmittelproduktion. Die natürliche Abbaubarkeit biobasierter Materialien nutzt der Physiker gezielt, um Substratmaterialien zu entwickeln, die zudem industrielle Anforderungen erfüllen: Hochtemperaturbeständigkeit für Lötprozesse, pH-Beständigkeit für Ätzverfahren und Flammschutz für die Sicherheit. Mit einer kontrollierten Abbaubarkeit sollen sich die Metalle kostengünstig vom Substrat trennen lassen.
Die konkreten Anwendungsfelder umfassen flexible Leiterplatten, die mit bestehenden industriellen Fertigungsprozessen kompatibel sind und sich nahtlos integrieren lassen. Hinzu kommen biobasierte Substrate für aufkommende High-Tech-Bereiche wie gedruckte und dehnbare Elektronik in den schnell wachsenden Bereichen Wearables und Medizintechnik. Diese Strategie nutzt erneuerbare Bio-Ressourcen, um eine Kreislaufwirtschaft für die bestehende Elektronikindustrie zu ermöglichen und zugleich die nachhaltige Entwicklung der nächsten Generation elektronischer Technologien voranzutreiben. Das BMFTR fördert das zukunftweisende Projekt BioFlexElectronics über fünf Jahre hinweg mit 3,1 Mio. Millionen Euro.
Ulrike Roll (Projektträger Jülich)
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