Bakterien als Klima-Helden

Presseaussendung der TU Wien vom 17.11.2021

Um in Zukunft eine kohlenstoffneutrale Kreislaufwirtschaft zu etablieren, werden Technologien benötigt, die als Rohstoff CO2 verwenden. In Form von Formiat kann CO2 von bestimmten Bakterien verstoffwechselt werden.

Acetogene sind eine Gruppe von Bakterien, die Formiat verstoffwechseln können. Sie bilden beispielsweise Essigsäure – eine wichtige Basischemikalie. Manipuliert man diese Bakterien dahingehend, dass sie Ethanol oder Milchsäure produzieren, ließe sich eine umfassende Kreislaufwirtschaft für das Treibhausgas CO2 realisieren. Damit der Prozess nachhaltig ist, wird das CO2 direkt aus der Luft gewonnen und unter Verwendung von erneuerbarer Energie zu Formiat umgewandelt.

Um herauszufinden, wie genau sich Formiat durch das Acetobakterium woodii (kurz A. woodii) verwerten lässt, untersuchte ein Team um Stefan Pflügl vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien, wie das Bakterium verschiedene Substrate – darunter auch Formiat – verstoffwechselt. Weiters schauten sich die Forschenden über ein metabolisches Modell an, wie sich A. woodii gentechnisch verändern ließe, um andere Substanzen als Essigsäure zu produzieren.

Kreislaufwirtschaft für CO2

„Die Wirtschaft der Zukunft muss kohlenstoffneutral sein“, fordert Stefan Pflügl. Da Kohlenstoff jedoch ein wichtiger Bestandteil vieler Produkte ist – wie beispielsweise Kraftstoff oder Plastik – sollte das vorhandene CO2 recycelt und in den Kreislauf zurückgeführt werden. Eine klimaneutrale Möglichkeit dazu ist, das CO2 aus der Luft zu fixieren und mithilfe erneuerbarer Energie in Formiat umzuwandeln. Diese Verbindung aus Kohlen-, Sauer- und Wasserstoff kann schließlich ein Grundbaustein der Bioökonomie sein. Vorteile von Formiat sind, dass es sich leicht transportieren lässt und flexibel für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen verwendet werden kann. Die Herstellung dieser Stoffe kann mithilfe von acetogenen Bakterien erfolgen, die sich von Kohlenstoffverbindungen ernähren und daraus Essigsäure produzieren.

Formiatverwertung durch A. woodii

Um Acetogene für die Produktion von Rohstoffen zu nutzen, muss man deren Stoffwechsel und Physiologie verstehen. Zwar handelt es sich bei A. woodii um einen Modellorganismus, das heißt, das Bakterium wurde bereits umfangreich untersucht, doch wollte das Forschungsteam eine vergleichende Beobachtung durchführen. So untersuchten Stefan Pflügl und sein Team, wie sich Substrate wie Formiat, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Fruktose auf den Stoffwechsel von A. woodii auswirken.

„Der größte Unterschied, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Substrate, besteht in der Energiemenge, die A. woodii gewinnt“, beobachtet Stefan Pflügl. Dies erklärt er wie folgt: „Acetogene sind wahre Überlebenskünstler, die auch Substrate wie CO, CO2 oder Formiat verstoffwechseln können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Acetogene den wahrscheinlich ältesten Stoffwechselweg für die CO2-Fixierung verwenden. So gelingt es ihnen auch, unter extremen Bedingungen und aus alternativen Nahrungsquellen genug Energie zum Überleben zu erzeugen.“

Damit sind Acetogene nicht nur dazu fähig, CO2 zu verwerten, auch gehen sie dabei sehr effizient vor. Folglich muss nur wenig Energie aufgewendet werden, um CO2 in Formiat umzuwandeln, das dann in die Basischemikalie Essigsäure umgewandelt wird.

Austausch Öl-basierter Produkte

Um das volle Potenzial von A. woodii auszuschöpfen, untersuchten die Forschenden außerdem, wie sich das Bakterium gentechnisch verändern lässt, um statt Essigsäure Ethanol oder Milchsäure zu produzieren. Während Ethanol die Basis für Kraftstoff bildet, lässt sich aus Milchsäure biologisch abbaubarer Kunststoff herstellen. Öl-basierte Stoffe könnten folglich durch nachhaltigere Alternativen ausgetauscht werden. „Dies wäre nicht nur im Sinne der Bioökonomie, auch könnten CO2 und Kohlenmonoxid, die bei der Verbrennung von Kraft- oder Kunststoff entsteht, wieder zum Ursprungsprodukt werden,“ stellt Stefan Pflügl in Aussicht.

Die Studie, die in der Fachzeitschrift „Metabolic Engineering“ erschienen ist, gibt somit Aufschlüsse über das, was Acetogene wie A. woodii unter bestimmten Bedingungen leisten können. Auf Basis der experimentellen Daten und unter Verwendung eines Modells entwickelten die Forschenden außerdem Strategien, wie sich A. woodii gentechnisch manipulieren und für die Produktion weiterer Stoffe nutzen lässt. (Sarah Link)

Originalpublikation:
Neuendorf, C. S., Vignolle, G. A., Derntl, C., Tomin, T., Novak, K., Mach, R. L., … & Pflügl, S. (2021). A quantitative metabolic analysis reveals Acetobacterium woodii as a flexible and robust host for formate-based bioproduction. Metabolic Engineering, 68, 68-85.

Externer Link: www.tuwien.at

Batteriedaten schnell und automatisiert auswerten und für KI-Prozesse bereitstellen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2021

Elektrochemische Energiespeicher- und Brennstoffzellentechnologien sind Schlüsselelemente für eine erfolgreiche Energiewende. Mit modularen Softwarepaketen ermöglicht die Batalyse GmbH, ein Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT, die automatisierte Erfassung, Dokumentation und Auswertung von Testdaten von Batterien, Akkus und Brennstoffzellen. Anhand der visualisierten Ergebnisse können Materialhersteller und Zellentwickler sowie F&E-Abteilungen ihre Produkte gezielt und effektiv weiterentwickeln und optimieren.

In Batterien und Brennstoffzellen entscheiden optimierte Materialien und Komponenten wie Elektroden, Aktivmaterialien, Elektrolyte und Separatoren über die Lebensdauer, Qualität und Leistungsfähigkeit des Systems. Für die Elektromobilität oder stationäre Energiespeicherung werden neue, nachhaltige, recyclingfähige Materialkombinationen benötigt, die sich gegenüber verfügbaren Systemen etwa durch eine höhere Energiedichte oder geringere Herstellungskosten auszeichnen. Um die Suche nach neuen Materialien und dem richtigen Materialmix zu beschleunigen, bietet die Batalyse GmbH eine modulare Softwarelösung für die effektive Datenauswertung und das Informationsmanagement an. Das Spin-off wurde im Mai 2021 als eigenständige Gesellschaft aus dem Fraunhofer ICT in Pfinztal von Dr. Markus Hagen und seinem Kollegen und CTO der Batalyse GmbH, Eran Nave, ausgegründet.

Bestmögliche Batterie der Zukunft

»Hersteller unterziehen ihre Batterien und Materialien fortlaufenden Kontrollen und prüfen zahlreiche Parameter wie die Qualität der Produktionsprozesse oder der Elektroden. Hierbei unterstützen wir die Unternehmen mit unseren drei Softwaremodulen Data Analysis, Collect und Mind, um letztendlich die beste Batterie der Zukunft zu entwickeln«, sagt Dr. Markus Hagen, CEO der Batalyse GmbH. Data Analysis wertet Batteriedaten und elektrochemische Tests sowohl von Labortestzellen als auch von kommerziellen Zellen aus und vergleicht die Werte. Beispielsweise erhalten Käufer von Batteriezellen die Möglichkeit, Lieferanten und Produktionschargen zu vergleichen. Welche Batteriezelle die beste Performance zeigt, ist sofort ersichtlich.

Data Analysis wertet unabhängig vom eingesetzten Testgerät aus und ist kompatibel zu allen Dateiformaten und Dateistrukturen – ein großer Vorteil gegenüber Konkurrenzprodukten. Die Module Collect und Mind sind separat erhältlich, es empfiehlt sich jedoch, das komplette Paket einzusetzen, da alle Module ineinandergreifen. Die Datenmanagement-Software Collect sammelt alle Rohdaten und zugehörige Metadaten automatisiert ein und speichert sie zentral ab. Dabei beschränkt sich das Tool nicht auf Batterien und Brennstoffzellen, sondern erfasst auch Prozess-, Analyse-, Produktions-, und Bilddaten. Mind visualisiert diese Daten aus Collect und ergänzt zusätzliche Informationen wie Kunden-, Prüflings-, Material- und Projektdaten, die kategorisiert, gefiltert und vernetzt werden können. Ein Berechtigungsmanagement regelt, wer Zugriff auf die jeweiligen Daten erhält, und ermöglicht das Teilen von Projekten mit Kunden. Die Ergebnisse, die Data Analysis liefert, lassen sich darüber hinaus in Collect wieder speichern und in Mind darstellen. Collect und Mind erfassen sämtliche Daten und Informationen und liefern so die Basis für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz. »In der Forschung, Entwicklung und Produktion kostet die Datenauswertung und -dokumentation viel Zeit. Hinter einer einfachen Messung stehen Informationsketten mit hunderten Parametern zu Materialien, Prozessen und Werkzeugen. Durch die Kombination unserer Softwaremodule automatisieren wir die komplette Datenverarbeitung und können Daten und Informationen für einen KI-Einsatz vorbereiten«, ergänzt der CEO.

Während Data Analysis bereits erhältlich ist, werden die Prototypen Mind und Collect aktuell am Fraunhofer ICT eingesetzt. Anfang 2022 sollen sie verfügbar sein. Industriekunden können beide Module jedoch schon jetzt testen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Lebensmittelbetrug effizient und kostengünstig aufklären

Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.10.2021

Durch gefälschte Lebensmittel, insbesondere durch falsche Angaben zur geografischen Herkunft, entsteht jährlich ein wirtschaftlicher Schaden in Milliardenhöhe. Botaniker der Universität Basel haben nun ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe die Herkunft von Lebensmitteln effizient und kostengünstig bestimmt werden kann.

Erdbeeren aus der Schweiz oder Olivenöl aus Italien können im Laden deutlich teurer verkauft werden als wenn diese Produkte aus anderen Ländern stammen. Immer wieder kämpfen Behörden und die Lebensmittelindustrie deshalb gegen Falschdeklarationen der geografischen Herkunft von Produkten. Der jährliche wirtschaftliche Schaden wird auf 30 bis 40 Milliarden Dollar geschätzt.

Eine Methode, um Lebensmittelbetrug aufzudecken, ist die Bestimmung des Delta-O-18-Wertes einer Produktprobe, welche das Sauerstoffisotopenverhältnis charakterisiert. Bislang war dieses Verfahren sehr aufwändig und kostspielig. Bei einem Betrugsverdacht müssen nicht nur Referenzdaten aus dem angeblichen Herkunftsland gesammelt werden, sondern auch Vergleichsdaten aus anderen Regionen, um die Herkunft des Produkts zu validieren oder widerlegen.

Kostengünstig dank Modellrechnung

Der Basler Botaniker Dr. Florian Cueni hat nun in Zusammenarbeit mit der auf Isotopenanalytik spezialisierten Agroisolab GmbH ein Modell entwickelt, mit dem sie das Sauerstoffisotopenverhältnis in Pflanzen einzelner Regionen simulieren können, wodurch das aufwändige Sammeln von Referenzdaten entfällt. Das Modell basiert auf Temperatur-, Niederschlags- und Luftfeuchtigkeitsdaten und Informationen über die Wachstumszeit einer Pflanze. Diese Informationen beziehen sie aus öffentlich zugänglichen Datenbanken.

Überprüft und validiert hat Cueni das Modell an einem einzigartigen Delta-O-18-Referenzdatensatz für Erdbeeren, der europaweit über 11 Jahre zusammengetragen wurde. Die Fallstudie hat gezeigt, dass das Modell die Herkunft der Erdbeeren mit hoher Präzision simulieren kann.

Vielfältig einsetzbar

«Mit geringfügigen Anpassungen der Parameter kann unser Modell zur Bestimmung aller pflanzlichen Produkte genutzt werden», sagt Prof. Dr. Ansgar Kahmen, der das Forschungsprojekt geleitet hat. Somit liesse sich die herkömmliche Isotopenanalytik durch die präzise Simulierung der Herkunftsgebiete landwirtschaftlicher Lebensmittel vereinfachen und beschleunigen.

Von Interesse ist das Modell der Basler Botaniker einerseits für die behördliche Lebensmittelforensik oder die Ermittlungsbehörden, wenn es beispielsweise um die Herkunft konfiszierter Drogen geht, aber auch für private forensische Institute, die Lebensmittel kontrollieren oder als Gutachter vor Gericht auftreten. Andererseits interessieren sich NGOs wie WWF oder Greenpeace dafür – vor allem im Hinblick auf die Bestimmung der Herkunft von illegal eingeschlagenem Holz – und schliesslich auch die Lebensmittelindustrie, für die der Verkauf potenziell falsch deklarierter Lebensmittel rufschädigend ist.

Originalpublikation:
Florian Cueni, Daniel B. Nelson, Markus Boner, Ansgar Kahmen
Using plant physiological stable oxygen isotope models to counter food fraud.
Scientific Reports (2021)

Externer Link: www.unibas.ch

Klimafester Baum

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 06.07.2021

Gegen den Trockenstress: Neues Verfahren aus der Biomechanik lässt Wurzeln in die Tiefe wachsen

Baumwurzeln werden von feuchten Bodenbereichen angelockt, ein Phänomen, das als Hydrotropismus bekannt ist. Oberflächliches Bewässern führt deshalb dazu, dass Wurzeln nahe der Oberfläche bleiben, statt in die Tiefe zu wachsen. Biomechaniker des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben mit der Methode der Splittzylinder ein leicht anzuwendendes Verfahren entwickelt, mit dem die Baumwurzeln in tiefere, feuchtere Bodenschichten gelockt werden. Damit sollen die Bäume widerstandsfähiger gegen Folgen des Klimawandels werden.

Stadt- und Parkbäume, aber auch Bäume auf den Grundstücken privater Hausbesitzer leiden durch den Klimawandel und die damit bei uns einhergehenden geringeren Niederschläge immer stärker unter Trockenstress. Pflanzenwurzeln wachsen durch sogenannten Hydrotropismus normalerweise in Richtung höherer Bodenfeuchte. „Regelmäßiges oberflächliches Bewässern führt dazu, dass die Wurzeln Richtung Oberfläche gezogen werden, statt in die Tiefe, wo sie mehr Feuchtigkeit finden“, erläutert Professor Claus Mattheck von der Abteilung Biomechanik am Institut für Angewandte Materialwissenschaften des KIT. „Wir müssen den Wurzeln also einen Anreiz bieten, nach unten zu wachsen.“ Modernere Bewässerungsmethoden bringen bereits mit vertikal eingesetzten Rohren Wasser in tiefere Bodenschichten, locken Wurzeln somit nach unten, wo die Erde nicht so schnell austrocknet.

Mit Splitt gegen Trockenheit

Mit der nun am KIT entwickelten Methode der Splittzylinder könnten sich Straßenbäume in der Stadt, Bestandsbäume in Parks oder im heimischen Garten mit einem einfachen Verfahren besser gegen Trockenheit wappnen. Grundlage dafür ist eine Mischung aus grobem Splitt und Terra preta, einem ursprünglich aus dem Amazonasgebiet kommenden fruchtbaren schwarzen Boden. Diese Mischung soll möglichst tief in die Erde eingebracht werden, etwa durch Bohren eines 20 bis 30 Zentimeter breiten Lochs.

„Wir gehen davon aus, dass die Wurzeln der Bäume von der gut durchlüfteten, durch Verkehrsschwingungen kaum verdichtbaren und mit Terra preta angereicherten Splittsäule angelockt werden und diese zunehmend durchwurzeln“, beschreibt Mattheck das Ziel des Verfahrens. Experimente mit Maispflanzen bestätigen diese Hypothese. Untersuchungen an Bäumen laufen an mehreren Standorten.

Die Idee, hier Terra preta als Dünger zu verwenden, stammt von Siegfried Fink, Professor für Forstbotanik an der Universität Freiburg, der am Amazonas forschte.

Nun sind tiefere Bodenschichten zumeist etwas feuchter und ziehen die Wurzeln somit an. „Wenn im unteren Ende des Splittzylinders die Wurzeldichte zu hoch wird, ist zu erwarten, dass die Wurzeln sich in dieser tiefen und feuchteren Bodenschicht auch außerhalb des vorgegebenen Zylinders breitmachen. Eine dauerhafte Bewässerung ist dann nicht mehr notwendig“, so Mattheck. In der größeren Tiefe finden die Wurzeln auch bei Dürre mehr Wasser.

„Der Splittzylinder ist für die Bäume sozusagen Futterstelle und Wurzeltauchstation in einem und damit Hilfe zur Selbsthilfe“, zeigt sich der Wissenschaftler mit dem neuen Verfahren zufrieden. „Die Durchwurzelung der Splittzylinder braucht aber etwas Zeit und damit der Baumfreund Geduld.“ Lehmböden seien jedoch ungeeignet für diese Methode, weil sie bei Starkregen voll Wasser laufen und die Wurzeln ersticken würden. (jh)

Externer Link: www.kit.edu

Zuckerhirse: Süßes Versprechen für die Umwelt

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.06.2021

Am KIT entwickelte neue Sorghumsorte akkumuliert besonders viel Zucker und lässt sich energetisch und stofflich nutzen – Forschende berichten in Industrial Crops & Products

Zuckerhirse lässt sich zur Herstellung von Biogas, Biokraftstoffen und neuen Polymeren nutzen. Zudem kann sie dazu beitragen, Phosphatdünger zu ersetzen. Eine am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte neue Zuckerhirsesorte akkumuliert besonders viel Zucker und gedeiht unter heimischen Bedingungen. Wie die Forschenden in der Zeitschrift Industrial Crops & Products berichten, hängen der Zuckertransport und die Zuckerakkumulation mit dem Bau der Leitungsbahnen der Pflanzen zusammen. Dies ergab ein Vergleich zwischen Zucker- und Körnerhirse. (DOI: 10.1016/j.indcrop.2021.113550)

Mit der Weltbevölkerung wächst der Bedarf an Nahrungsmitteln, Rohstoffen und Energie. Dadurch nehmen die Belastungen für die Umwelt und das Klima zu. Eine Strategie, den Treibhausgasausstoß zu verringern, besteht darin, sogenannte C4-Pflanzen anzubauen. Diese betreiben besonders effizient Photosynthese, binden daher Kohlendioxid (CO2) besser und bauen mehr Biomasse auf als andere Pflanzen. Gewöhnlich sind sie an sonnige und warme Standorte gebunden. Zu den C4-Pflanzen gehört die Sorghumhirse, auch Mohrenhirse genannt, eine Hirseart aus der Gattung Sorghum in der Familie der Süßgräser. Die besonders zuckerhaltigen Sorten heißen Zuckerhirse. Zu den weiteren Sorten gehört die als Futtermittel eingesetzte Körnerhirse. Sorghumhirse lässt sich auf schwer zu bewirtschaftenden sogenannten Grenzertragsflächen anbauen, sodass sie nicht mit sonstigen Nahrungs- oder Futterpflanzen in Konkurrenz tritt.

Eine neue Zuckerhirsesorte namens KIT1 hat Dr. Adnan Kanbar in der Arbeitsgruppe Molekulare Zellbiologie unter Leitung von Professor Peter Nick am Botanischen Institut des KIT entwickelt. KIT1 akkumuliert besonders viel Zucker und gedeiht besonders gut unter gemäßigten Klimabedingungen. Sie lässt sich sowohl energetisch zur Herstellung von Biogas und Biokraftstoffen als auch stofflich zur Produktion neuer Polymere nutzen. Der geschätzte Zuckerertrag je Hektar liegt bei über 4,4 Tonnen, was knapp 3 000 Litern Bioethanol entspräche. Darüber hinaus lassen sich die bei der Biogasherstellung anfallenden Gärreste als Dünger nutzen, der den knapp werdenden Phosphatdünger ersetzen kann.

Auf die Anatomie des Pflanzenstängels kommt es an

Forschende im Nick-Labor am Institut für Angewandte Biowissenschaften und am Institut für Technische Chemie des KIT sowie bei der ARCUS Greencycling Technology in Ludwigsburg haben nun die Zuckerhirsesorte KIT1 und die Körnerhirsesorte Razinieh miteinander verglichen, um die unterschiedliche Zuckerakkumulation im Pflanzenstängel zu untersuchen. Für die in der Zeitschrift Industrial Crops & Products publizierte Studie betrachtete das Team die Stängelanatomie. Dazu zählen die verdickten Bereiche oder Knoten (Nodien) und die schmalen Bereiche oder Abstände zwischen den Knoten (Internodien), aber auch Transkripte wichtiger Saccharose-Transporter-Gene sowie Stressreaktionen der Pflanzen bei hoher Salzkonzentration im Boden. Sowohl bei KIT1 als auch bei Razinieh war die Zuckerakkumulation in den mittleren Internodien am höchsten. Allerdings zeigte sich ein Zusammenhang zwischen der Zuckerakkumulation und dem Bau der Leitungsbahnen, die dem Transport von Wasser, gelösten Stoffen und organischen Substanzen dienen. Die Leitungsbahnen sind zu Leitbündeln gruppiert. Diese bestehen aus dem Phloem (Bastteil) und dem Xylem (Holzteil). Im Phloem werden vor allem Zucker und Aminosäuren, im Xylem vor allem Wasser und anorganische Salze transportiert; zudem übernimmt das Xylem eine stützende Funktion. Die Untersuchung ergab, dass bei KIT1 und fünf weiteren Zuckerhirsesorten im Stängel die Phloem-Querschnittsfläche wesentlich größer als die Xylem-Querschnittsfläche ist – der Unterschied ist viel ausgeprägter als bei der Körnerhirsesorte Razinieh. „Untere Studie ist die erste, die sich mit dem Zusammenhang zwischen dem Bau der Leitbündel und der Zuckerakkumulation im Stängel befasst“, sagt Nick.

Zuckerhirse wird mit Salzstress besser fertig

Wie die Studie weiter ergab, führte Salzstress zu höherer Zuckerakkumulation in KIT1 als in Razinieh. Die Expression von Saccharose-Transporter-Genen ist in den Blättern von KIT1 unter normalen Bedingungen höher und steigt unter Salzstress deutlich an. „Neben den anatomischen Faktoren könnten auch molekulare Faktoren die Zuckerakkumulation im Stängel regulieren“, erläutert Kanbar. „Auf jeden Fall kommt KIT1 mit Salzstress besser zurecht.“ (or)

Originalpublikation:
Adnan Kanbar, Ehsan Shakeri, Dema Alhajturki, Michael Riemann, Mirko Bunzel, Marco Tomasi Morgano, Dieter Stapf, Peter Nick: Sweet versus grain sorghum: Differential sugar transport and accumulation are linked with vascular bundle architecture. Industrial Crops & Products, 2021. DOI: 10.1016/j.indcrop.2021.113550

Externer Link: www.kit.edu