Das Ziel dieses Workshops ist die Vernetzung von Wissenschaftlern, die den Einsatz von Algen für das Nährstoffrecycling und die Wasseraufbereitung in der Landwirtschaft untersuchen wollen. Algen können große Mengen an Nährstoffen, z.B. Phosphat oder Nitrat, aus Abwässern speichern und dabei das Wasser reinigen, weshalb ihre Nutzung einen erheblichen Beitrag zu einer nachhaltigen Lebensmittelproduktion leisten kann.
Der Workshop besteht aus einer Mini-Konferenz am 6. September und einem Vernetzungstreffen am 7. September, das die Bildung von Projektkonsortien unterstützen soll.
Mehr Informationen, Programm & Anmeldung: www.biosc.de/workshop/npc_storage
Pflanzen sind essentiell für eine nachhaltige Bioökonomie. Sie bilden die Grundlage zur Versorgung der wachsenden Weltbevölkerung mit Nahrungs- und Futtermitteln, Biomaterialien und erneuerbaren Energien. Beim 4. BioSC Spotlight werden externe Gäste und BioSC-Mitglieder ihre Forschungsaktivitäten vorstellen, welche die Sicherung von Ertrag und Qualität bei gleichzeitiger Reduktion des Pestizid- und Düngemitteleinsatzes zum Ziel haben und so zu einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen. Die Veranstaltung wird Experten verschiedener Fachdisziplinen aus dem akademischen und industriellen Bereich zusammenführen, die Identifizierung zukunftsweisender Forschungsfelder und Kollaborationen beschleunigen, Netzwerke zur Analyse von Wertschöpfungsketten initiieren, sowie Möglichkeiten zur zukünftigen Verbreitung neuer Technologien erörtern.
Mehr Informationen in Kürze hier: www.biosc.de/Spotlight_PlantPerformance
Nach zwei erfolgreichen NRW-weiten Doktorandentagen zum Thema “Future Bioeconomy” findet in diesem Jahr der 3. NRW-Doktorandentag am 31. Oktober 2018 wieder in Düsseldorf statt. Der wesentliche Fokus dieser Veranstaltung soll auf der Wahrnehmung und Darstellung des Bioökonomieaspektes in der Industrie liegen. Vertreter Bioökonomie-orientierter Unternehmen werden ihre Definition und Perspektive von Bioökonomie in Plenarvorträgen vorstellen. Im Rahmen eines World-Cafés soll aber auch insbesondere die Diskussion zwischen den Industrievertretern und den Doktoranden ermöglicht werden.
Mehr Informationen in Kürze hier: www.biosc.de/Doktorandentag
Das BioSC Forum 2018 findet am 12. November im Gustav-Stresemann-Institut in Bonn statt. Alle 2018 laufenden und abgeschlossenen Projekte aus dem NRW-Strategieprojekt BioSC werden hier präsentiert.
Beiträge gesucht! Wie schon beim Forum 2017 haben die Core Groups auch die Möglichkeit zur Vorstellung erfolgreicher Bioökonomie-Aktivitäten außerhalb des NRW-Strategieprojekts. Dies können normale Förderanträge, aber auch Patente, Exzellenzstrategieanträge und Infrastrukturen sein. Bevorzugt werden Aktivitäten, die aus dem BioSC-Kompetenznetzwerk hervorgegangen sind oder sich darauf stützen. Für jeden Beitrag stehen 15 Minuten inkl. Fragen zur Verfügung.
Wenn Sie Interesse haben, ihre Bioökonomie-relevanten Aktivitäten außerhalb des Strategieprojekts zu präsentieren, senden Sie Ihren Vorschlag bis zum 16. September 2018 an biosc@fz-juelich.de. Die eingegangenen Vorschläge werden dem Geschäftsführenden Direktorium vorgelegt, das bis zum 8. Oktober 2018 Beiträge auswählt.
Mehr Informationen, Programm & Anmeldung: www.biosc.de/biosc_forum_2018
Um den Herausforderungen des 21. Jahrhunderts zu begegnen und erfolgreich eine nachhaltige Bioökonomie zu implementieren, bedarf es der Beiträge zahlreicher Akteure und Forschungsdisziplinen. Grundlagen-, anwendungs- und industrieorientierte Forschung in den Natur-, Agrar-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften müssen in einem systemischen integrativen Ansatz zusammengeführt werden. Beim 3. Internationalen BioSC Symposium diskutieren Experten aus Akademia und Industrie aus verschiedenen Perspektiven aktuelle Ergebnisse und neue Entwicklungen für eine nachhaltige Bioökonomie.
Externe Gäste und BioSC-Mitglieder präsentieren ihre interdisziplinären Projekte in den folgenden Sessions und ergänzenden Posterpräsentationen:
Session I: Socioeconomic Perspectives within a Sustainable Bioeconomy
Session II: Innovations for Plant Production and Resource Management
Session III: Green Value Chains ‐ Processes and Products from Biomass
Der Call for Poster Abstracts ist geöffnet! www.biosc.de/Poster_Call_2018
Mehr Informationen, Programm & Anmeldung: https://www.biosc.de/symposium/2018
Vom 19. – 20. April fand der 2. Global Bioeconomy Summit in Berlin statt. Ausgerichtet vom Bioökonomierat wurde er von rund 700 Teilnehmern besucht. Das BioSC gehörte zu den Mitorganisatoren der Workshops zu Bioraffinerien, Bioökonomie-Ausbildung sowie "Measuring and Monitoring the bioeconomy".
Rund 700 Teilnehmer aus mehr als 70 Ländern trafen sich vom 19. - 20. April in Berlin, unter ihnen viele hochrangige Vertreter aus Politik, Wissenschaft, Zivilgesellschaften und dem Unternehmensbereich. Zum zweiten Mal organisierte der Bioökonomierat das Gipfeltreffen der globalen Bioökonomie.
Mehr als 100 Sprecherinnen und Sprecher trugen zur Veranstaltung bei, darunter Minister und Regierungsvertreter aus Asien, Afrika, Europa, Süd- und Nordamerika, internationale Politikexperten der Vereinten Nationen, der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) und der Europäischen Kommission sowie hochrangige Wissenschafts- und Industrievertreter. In zehn Plenarsitzungen und 14 Workshops diskutierten die Teilnehmer im Hinblick auf nachhaltige Entwicklungsziele (Sustainable Development Goals, SDGs) eine Vielzahl von gesellschaftlichen, wissenschaftlichen, ökonomischen und politischen Herausforderungen zur Umsetzung der Bioökonomievisionen, die sich häufig unter den Regionen stark unterscheiden.
Das Bioeconomy Science Center war Mitorganisator von drei Workshops zu Bioraffinerien, Bioökonomie-Ausbildung sowie "Measuring and monitoring the bioeconomy". Jeder Workshop wurde von rund 80 Teilnehmern besucht. Kurzen Impulsvorträgen, gehalten von Vertretern unterschiedlicher Interessengruppen, folgten parallel durchgeführte kleine Diskussionsgruppen, deren Ergebnisse schließlich zusammengetragen wurden.
Der Workshop „Bioenergie und Bioraffinerien“ konzentrierte sich auf das Problem, dass aktuelle Ansätze zu Bioraffinerien einen deutlich geringeren Reifegrad bei der integrierten Verarbeitung und ein begrenztes Produktportfolio im Vergleich zu fossilen Raffinerien aufweisen. Dies setzte den Rahmen für Diskussionen der Schlüsselthemen Rohstoffbereitstellung, Umwandlungstechnologien, Nachhaltigkeit und Marktperspektive. Im Workshop „Lehre und Ausbildung“ konzentrierten sich die Diskussionen auf gegenwärtige Mängel von und neue Anforderungen an Bildungsinhalte, den Beitrag des öffentlichen und privaten Sektors und die Entwicklung von Synergien.
Andere GBS Workshops beschäftigten sich zum Beispiel mit „Blue Bioeconomy“, Biodiversität, Klimawandel oder Bioökonomie der Weltregionen. Die Ergebnisse aller Workshops werden demnächst auf der GBS Homepage präsentiert (http://gbs2018.com).
Am Ende der zweitägigen Konferenz waren sich die Teilnehmer des Gipfeltreffens der globalen Bioökonomie einig, dass die Bioökonomie noch nicht angemessen in internationale Foren über Innovation, Klima, Biodiversität und nachhaltige Entwicklungspolitik integriert wird und deshalb ein eigenes, unabhängiges Forum benötigt. Dies wurde von den 40 Mitgliedern des internationalen Gipfelberatergremiums im Abschlusscommuniqué empfohlen.
Forschung, Innovation und Ausbildung auf allen Ebenen bilden eine unverzichtbare Grundlage für die Entwicklung eines nachhaltigen Bioökonomiekonzepts. Beim 2. Global Bioeconomy Summit war das BioSC Co-Organisator eines Workshops zur Lehre und Ausbildung im Bereich Bioökonomie.
Für die Forschung und Ausbildung im Bereich Bioökonomie wird es kein Patentrezept geben. Zur Beschreibung der unterschiedlichen Jobprofile für die personelle Basis in der Bioökonomie muss die Vielfalt der Umstände und Bedürfnisse in unterschiedlichen Regionen und Makroregionen von Entwicklungs-, Schwellen- und entwickelten Ländern berücksichtigt werden. Von den Universitäten und den beruflichen Bildungsstätten angebotene Bildungsinhalte müssen die Anforderungen der Arbeitgeber in den verschiedenen Bioökonomiebranchen erfüllen. Für die Universitäten erfordert dies forschungsbasierte Lehre mit interdisziplinärem Ansatz. Die Betonung muss hier auf Systemdenken, strategischer Planung, Wirtschaftsleistung und der Bewertung von umweltpolitischen, ethischen und sozialen Fragen liegen. In der Berufsausbildung und der betrieblichen Weiterbildung ist die Vielfalt der praktischen Bedürfnisse riesig und effiziente Lösungen müssen in bestehende Ansätze eingebaut werden. Zusätzlich zur Fokussierung auf Natur-, Technik-, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften sollten die Bildungsinhalte auch Innovationskompetenz und unternehmerische Fähigkeiten vermitteln. Diese sind nötig, um die Absolventen für Managementpositionen vorzubereiten, um dann die Veränderungen in bestehenden Branchen zu unterstützen und auch neue Unternehmen in der Bioökonomie zu entwickeln und zu stärken. Außerdem besteht die Notwendigkeit, das Bewusstsein für Bioökonomie bereits im Grund- und Sekundarschulbereich zu erhöhen.
Diese Entwicklungen erfordern die Zusammenarbeit von Universitäten, Berufsbildungseinrichtungen, Industrie und Interessenvertretern aus Politik und Regierung. Internationale Kooperationen können zusätzliche Impulse liefern und benötigen anerkannte Standards, um Maßstäbe zu setzten und diese Initiativen für die Zukunft zu erhalten. Wichtig ist zu verstehen, welche optimalen Mittel (z.B. Qualifikation, Qualitätssicherung, Mobilität, Akkreditierungen, Stipendien, Fördermittel und Beihilfen, etc.), für einen effektiven Personalbestand im Bioökonomiebereich einzusetzen sind.
Zusätzlich zu zielgerichteten Bildungsangeboten auf Universitäts- und Berufsausbildungsebene ist es notwendig, Knotenpunkte oder Kompetenzzentren mit Vorbildfunktion in der Bioköonomie zu schaffen. Hier kann das Dreieck aus Forschung, Lehre und Ausbildung so wachsen, dass integrative Ansätze durch Ansprache der relevanten, die unterschiedlichen Bereiche der Bioökonomie repräsentierenden Interessenvertreter gefördert werden, ob in der Produktion von Biomasse (z.B. aus Landwirtschaft, Aquakultur, Forstwirtschaft) und deren Verwendung in der Lebensmittel- oder der Nicht-Lebensmittelwertschöpfungskette (z.B. Energie, Arzneimittel, Gesundheit). Gleichzeitig mit diesen Bemühungen müssen Aktivitäten für die lebenslange Fort- und Weiterbildung einbezogen werden, um die Ziele und Folgen der Bioökonomie herauszustellen.
Schlüsselthemen des Workshops waren: (i) die Anforderungen an Wissen, Fähigkeiten und Kompetenzen der Bioökonomie, (ii) der Innovationsbedarf bei den aktuellen Konzepten der Bioökonomielehre und (iii) die Notwendigkeit die Kooperation zwischen den Bildungseinrichtungen zu steigern und/oder zu stärken. Daher bestand ein weiteres Ziel des Workshops in der Bereitstellung einer Basis zur Entwicklung und Einführung einer „Europäischen/Internationalen Bioökonomie Ausbildungsplattform“ mit Interessenvertretern aus Akademie, Industrie, Gesellschaft und öffentlicher Verwaltung. Internationale Maßnahmen müssen das notwendige Wissen, die Fähigkeiten und Kompetenzen zur Entwicklung einer Bioökonomie definieren, die eine nachhaltige Verwendung biobasierter Materialien bei der Produktion und in Konsumgütern fördert.
Die Ergebnisse aller Workshops werden demnächst auf der GBS Homepage präsentiert (http://gbs2018.com).
Am 15. Juni 2018 fand die dritte Veranstaltung in der Reihe „BioSC Spotlight“ in Aachen statt. 45 Teilnehmer tauschten sich intensiv zum Thema Phosphat-Recycling aus. Wissenschaftler aus Akademia und Industrie hielten insgesamt sieben Fachvorträge. Wie die vorangegangenen Veranstaltungen bot auch dieses BioSC Spotlight wieder einen Rahmen für den inter- und transdisziplinären Austausch zu einem Themenfeld, das zu der Implementierung einer nachhaltigen Bioökonomie beiträgt.
Programm des 3. BioSC Spotlight
Der endliche Rohstoff Phosphat ist essentiell für die Landwirtschaft. Seine Rückgewinnung und Wiederverwertung insbesondere zur Düngung ist von großer Bedeutung. Sämtliche mineralischen Phosphatreserven sind außerhalb Europas zu finden und werden größtenteils in ca. 50-100 Jahren erschöpft sein. Hinzu kommt, dass Phosphat aus Dünger ins Grundwasser gelangt oder sich im Boden anreichert. Schließlich ist mineralisches Phosphat mit Schwermetallen belastet, die bei seiner Verwendung als Dünger in die Nahrungskette gelangen. Im Rahmen des 3. BioSC Spotlights wurden Möglichkeiten und Methoden zur Rückgewinnung von Phosphat vorgestellt und diskutiert.
Die Veranstaltung wurde von Prof. Ulrich Schwaneberg, dem stellvertretenden Sprecher des Bioeconomy Science Center, eröffnet. Anschließend gab der Keynote-Sprecher Dr. Rainer Schnee von der Deutschen Phosphor-Plattform e.V. einen detaillierten Überblick über die aktuellen Möglichkeiten der Phosphat-Rückgewinnung und die Perspektiven für eine zukünftige Etablierung.
In der ersten thematischen Session „Phytases for phosphate recovery from plant residues“ stellte Prof. Lars Blank von der RWTH Aachen das BioSC-Projekt P-ENG vor, in dessen Rahmen Phytasen optimiert wurden, um das in Rapspresskuchen enthaltene Phytat abzubauen, und das freigesetzte Phosphat mit Hilfe von Hefen gespeichert wurde. Carolin Block von der Universität Bonn präsentierte die Ergebnisse ökonomischer Untersuchungen zu den Marktchancen von derart gewonnenem Phosphat. Dr. Anna Joëlle Ruff von der RWTH Aachen stellte das BioSC-Projekt PhytaPhos vor, in dem Zuckerrübenreste mit optimierten Phytasen behandelt wurden, um das enthaltene Phytat zu Phosphat abzubauen, und die behandelten Reste erfolgreich als Dünger genutzt wurden.
In der zweiten thematischen Session „Nutrient transfer from waste water to algae“ ging es um die Rückgewinnung von Phosphat aus Abwässern, aber auch um die notwendige Weiterentwicklung der Phosphat-Analytik. Prof. Ulf Theilen von der Technischen Hochschule Mittelhessen stellte einen eindrucksvollen Pilotversuch zum Phosphatrecycling mit Mikroalgen in der Kläranlage einer Kleinstadt vor. Dr. Peter Mojzeš von der Universität Prag gab eine Einführung in die Raman-Spektroskopie und erläuterte die Möglichkeiten, die diese für die in situ-Detektion von Phosphat in einzelnen Zellen bietet. Prof. Alexei Solovchenko von der Universität Moskau berichtete zunächst über das BioSC-Projekt AlgalFertilizer, bei dem Mikroalgen dazu genutzt wurden, Phosphat aus Abwässern aufzunehmen, und die Algen-Biomasse dann erfolgreich als Dünger ausgebracht wurde. Anschließend präsentierte er grundlegende Untersuchungen zur Aufnahme von Phosphat in Mikroalgen und Cyanobakterien und stellte dar, welche Forschungslücken geschlossen werden müssen, um Phosphatrückgewinnung mit diesen Organismen als Standardmethode entwickeln und etablieren zu können.
Sowohl die Vorträge als auch die engagierten Diskussionen spiegelten die hohe Aktualität und Relevanz des Themas Phosphatrecycling wider. Der Forschungsbedarf und die noch nicht genutzten Möglichkeiten wurden vielfach thematisiert. Wie die vorangegangenen Veranstaltungen bot auch dieses BioSC Spotlight wieder einen Rahmen für den inter- und transdisziplinären Austausch zu einem Themenfeld, das zu der Implementierung einer nachhaltigen Bioökonomie beiträgt.
Phosphorus recycling: Facts and perspectives
Dr. Rainer Schnee, Deutsche Phosphor-Plattform e.V., Board of Directors
Phosphor gehört rein mengenmäßig zu den häufigsten Elementen der Erde. Er liegt aber nicht in elementarer Form vor, sondern fast ausschließlich in Form des Phosphat-Anions PO43- bzw. in mineralischen Phosphatsalzen. Die größten Phosphatmengen liegen in mineralischer Form in der Erdkruste, der Geosphäre vor. Ebenfalls große Mengen sind in den Gewässern und Meeren gelöst. Und ein weiterer Anteil findet sich in mannigfaltigen Funktionen in der Biomasse. In den terrestrischen Lebensprozessen spielt demnach Phosphat eine essentielle, lebensnotwendige Rolle.
Da keine nennenswerten Phosphatmengen über die Atmosphäre transportiert werden, ist die Mobilität im Boden und im Wasser entscheidend. Gegenwärtig werden pro Jahr über 200 Millionen Tonnen Phosphat aus mineralischen Lagerstätten gewonnen und vor allem in der Landwirtschaft als Dünger und Futtermittel eingesetzt. Insofern ist die lokale, regionale und globale Verfügbarkeit von Phosphat für die Futter- und Nahrungsmittelproduktion lebensentscheidend und nicht substituierbar. Zusätzlich werden Phosphor und Phosphate in der Nahrungsmittel-, Waschmittel-, Baustoff-, Halbleiterindustrie in verschiedenen Funktionen eingesetzt. Ein umfassendes und detailliertes Monitoring der gegenwärtigen und zukünftigen Phosphor-Stoffströme ist unabdingbar für das Verständnis und das Management seiner raum-zeitlichen Dimensionen und Funktionen.
Von zentraler Bedeutung wird die effiziente Nutzung als Düngemittel sein. Damit einher gehen eine Optimierung der Pflanzenverfügbarkeit, eine Minimierung der dissipativen Verluste, eine möglichst geringe Eutrophierung der Gewässer und eine möglichst hohe Rückgewinnung als Sekundärrohstoff mittels Akkumulation und Recycling in den technisch-industriellen und biologischen Wertschöpfungsketten. Das sind zusammen mit den sozio-ökonomischen Kontexten die Eckpfeiler einer zukunftsweisenden Ressourcenstrategie für Phosphor.
Als Grundlage für die Bewertung der Kritikalität von Phosphor wird ein Ressourcenstrategie-Konzept angewendet, das anhand spezifischer Kriterien den Lebenszyklus und seine unterschiedlichen Wertschöpfungsketten von der Förderung in den Lagerstätten über die Aufbereitung, Funktionalisierung und Nutzung in mannigfaltigen Prozessen und Produkten bis hin zur Nachnutzung oder Entsorgung erfasst, analysiert und bewertet. Eine Kritikalitätsanalyse für Phosphor ergibt u.a., dass
Weitere technisch-funktionale, ökonomische, ökologische, soziale und politische Dimensionen der Phosphornutzung werden in Betracht gezogen und zu einer umfassenden Analyse und Bewertung seiner Kritikalität zusammengeführt.
P-ENG: Efficient phosphate recovery from agro waste streams by enzyme, strain, and process engineering
Prof. Dr. Lars M. Blank, RWTH Aachen University
The project focuses on the development of a new value chain to recover phosphate from plant waste material. The ultimate aim is to recycle phosphate into polyphosphates of new values. Therefore phytase, the enzyme able to release phosphate from plant material, is studied in this BioSC project. Through variations in protein modification (glycosylation) different properties such as thermostability or enzyme activity are optimized until a superior phytase is created. The impact of the enzyme production on the production host, the yeast Pichia pastoris, is analyzed with the whole metabolism in sight. Through this approach it is possible to predict steps in the cell metabolism during protein production which can be tuned to further improve phytase production. Bioprocess development contributes through establishing high-throughput screening environment in form of micro bioreactor systems. Utilizing that system clones generated by the other partners can easily be tested to identify the best producing strains. With the use of yeasts that collect phosphate it is possible to use the released phosphate to form polyphosphates. The possible market entries for superior phytase and polyphosphates are evaluated on a basis of market research, existing products, and company interviews. Furthermore the generic technology potential will be studied (e.g. IP).
Commercializing phosphorus from renewable resources: What are the major challenges?
Carolin Block, University of Bonn
The use of renewable resources opens up the way for more sustainable production systems. Recovering resources from low value by-products or waste streams reduces the dependency on fossil materials. However, the change from traditional to bio-based technologies leads to several challenges for value chain actors. Thus, actors for instance might face high switching costs, missing industry or quality standards. Moreover, in the bioeconomic setting actors from distinct industries need to establish new relationships leading to structural changes and emerging value chains.
In order to explore the challenges for the chain actors, a case study on a new technology for phosphorus recovery from rapeseed oil press cakes, a by-product in oil mills which ends up in animal feed, was carried out within the BioSC project P-ENG. The literature research and expert interviews with 4 different value chain actors (phosphorus processor, biotechnological company, rapeseed oil processor and feeding mix producer) reveal that there are challenges referring to five major categories, namely organizational, institutional and regulatory, economic viability, geographical and product quality issues. None of the current chain actors has the competencies to carry out the phosphorus recovery process from extraction to commercialization on its own. The results highlight the need for further research developments such as closer integration of academia and industry and economic viability studies to tackle these challenges.
PhytaPhos: Optimizing the phosphorus cycle in the sugar beet production process by phytase supplement
Anna Joëlle Ruff1, Prof. M. Becker3, Dr. U. Arnold3, Dr. M. Trimborn3, Prof. U. Schurr4, Dr. S. Schrey4, A. Robles Aguilar4, Ulrich Schwaneberg1,2
1 RWTH Aachen University, Institute of Biotechnology, Aachen, Germany
2 DWI –Leibniz Institut für Interaktive Materialien, Aachen, Germany
3University Bonn; Institute of Crop Science and Resource Conservation INRES, Bonn, Germany
4 FZ Jülich, IBG-2, Institute of Bio- and Geosciences: Plant Sciences, Jülich, Germany
Phosphate is a main component of fertilizers and therefore essential to feed humankind. Subsequently, recycling concepts for phosphorus are a key request to ensure a self-sustaining food production in Europe and to avoid rapid depletion of concentrated natural deposits. Within the BioSc-funded project PhytaPhoS, we propose a new value chain to recover phosphate from plant waste material. The principle storage form of phosphorus in plants is phytate (inositol hexaphosphate). The approach is based on the naturally occurring phytases that free the phosphate bound in an organic form. In sugar production processes this could be achieved by supplementing thermally resistant phytases to leach the phytate phosphate form sugar beet slices. With this procedure the phosphorus concentration in sugar beet slices in fodder and in consequence P-excess in fields will be reduced. Instead, isolated phosphorus will be transferred into spent lime and subsequently back to the sugar beet fields. Thereby a hub forward to an independent phosphorous use would be enabled and emerging value chains contribute to a sustainable bioeconomy.
Nutrient Removal with Microalgae –
Reduction of the Effluent Concentration from Wastewater Treatment Plants
Wawilow, T.1; Hasport, N. 1, Theilen, U1 and Thomsen C. 2
1 THM - University of Applied Sciences - ZEuUS, 35390 Gießen, Germany
2 Phytolutions GmbH, 28759 Bremen, Germany
An alternative, environmentally sustainable method to remove nutrients from wastewater is to integrate an algae-mediated wastewater treatment to reduce nutrient loads to preserve water bodies from eutrophication and generate effective biomass. Compared with conventional treatment methods the generated microalgae biomass is more energetic and rich in content with phosphorous (P) and nitrogen (N). Therefore, a tertiary biotreatment coupled with the production of potentially valuable biomass, which can be used for energetic or material purposes, is an efficient alternative to avoid using chemicals for the removal of phosphorus via precipitation and flocculation. Algae species Scenedesmus was applied for wastewater treatment and had proven abilities of removing nitrogen and phosphorous in retention time of 24 hours. In this study, a photobioreactor (PBR) was implemented for large-scale research to treat the effluent of the WWTP while microalgae growth rate, nutrition removal as well as operational and external conditions were evaluated. Moreover, the biomass was separated and methane potential tests were conducted using microalgae as substrate.
Detection and quantification of polyphosphates in microalgae by means of Raman microscopy
Peter Mojzeš, Institute of Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, CZ
The potential of microalgae to sequester phosphorus from wastewater and to return it to agriculture as a fertilizer has emphasized the importance of microscopic methods allowing detection and quantification of polyphosphates in situ at single cell level. Confocal Raman microscopy, a method combining the molecular specificity of vibrational spectroscopy with spatial resolution of confocal optical microscopy, can be a method of choice, since Raman signal of polyphosphates is clearly recognizable even in the presence of other biomolecules in the same cellular region. However, routine applicability of Raman microscopy to microalgae has long been hindered by a strong autofluorescence of photosynthetic pigments. Recently, we have developed a simple methodology [1] for fast and efficient suppression of the algal fluorescence, which open the door to an unexplored world and enabled relatively rapid and simple quantification of polyphosphates from Raman chemical maps along with other biomolecules [2]. Recent progress in the field, advantages, limitations and pitfalls of the method will be demonstrated and discussed.
[1] Š. Moudříková et al., Algal Res. 16 (2016) 224-232.
[2] Š. Moudříková et al., Anal. Chem. 89 (2017) 12006-12013.
Luxury phosphorus uptake and diazotrophy in green algae & cyanobacteria: AlgalFertilizer and follow-up projects
Alexei Solovchenko*, Olga Karpova, Tatiana Ismagulova, Larisa Semenova, Irina Selyakh, Alexandr Lukyanov and Olga Gorelova.
Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
*solovchenko@mail.bio.msu.ru
Sustainable usage of finite and non-renewable phosphorus (P) resources is a grave challenge to humanity. Shortage of P fertilizers threatens the food security. The P lost due in inefficient processing chain gives rise to eutrophication of water bodies. In view of this, potential environmental, social, and economic impact of currently non-sustainable usage of P is commensurate to that of oil and gas shortage.
Single celled phototrophs including cyanobacteria and eukaryotic microalgae featuring so called “luxury uptake” of P constitute promising vehicle for by sequestering the lost P and returning it, in form of P-rich biomass, to the field. The reasons are (i) fast growth rate of these organism, (ii) capability of rapidly taking up P up to 4−7% of their cell dry weight, and (iii) gradual release of the accumulated P upon application of microalgal biomass to the soil in the from available to crop plants.
Diazotrophic species of cyanobacteria are capable of fixing atmospheric nitrogen (N). On one hand, this process makes them less dependent on the availability of N in the medium so cyanobacteria can potentially recover P from waste streams with imbalanced N:P ratio. On the other hand, diazotrophy is a very energy-intensive process which can compete for ATP with the processes of P acquisition and storage in the cell. The successful biotechnological application of cyanobacteria to close the P loop is limited by insufficient understanding of C/N balance impact on and the molecular mechanisms of luxury P uptake.
We report on the effect of diazotrophy on luxury P uptake and storage in the cell in a diazotroph strain Nostoc sp. PCC 7120 in comparison with a nearly-isogenic non-diazotroph strain Nostoc sp. PCC 7118. Although the P starvation and the fast phase of inorganic P (Pi) uptake were similar in both strains studied, induction of diazotrophy impared significantly the ability of PCC 7120 to accumulated inorganic polyphosphate (PolyP) in the cell. Since PolyP is a main P storage compound in the cell, the availability of N seems to of primary importance for efficient recovery of P from waste streams. Biotechnological implications of using diazotrophic and non-diazotrophic cyanobacterial strains for recovery of P from waste streams with different N/P balance are discussed.
Vom 26. Juni bis zum 9. Juli ist Prof. Gregory LeFevre von der University of Iowa zu Gast in der Core Group von Prof. Ulrich Schwaneberg, RWTH Aachen. Er forscht u.a. zu Biotransformationen im Zusammenhang mit den Wirkungen und dem Abbau verschiedener Chemikalien in der Umwelt.
Gregory LeFevre ist Assistant Professor am Department of Civil & Environmental Engineering der University of Iowa und gleichzeitig Fakultätsmitglied am Center for Biocatalysis and Bioprocessing.Seine Expertise liegt in den Bereichen Biotransformationen, Abbau von Schadstoffen in der Umwelt und Phytoremediation. Außerdem forscht er zu neuen Produkten und Stoffwechselwegen, u.a. unter Einsatz massenspektrometrischer Verfahren.
Der Bundessaat Iowa ist aufgrund seiner intensiven Agrarproduktion mit vielen Herausforderungen bezüglich Umwelt- und Wasserqualität sowie Gesundheitsrisiken konfrontiert. Prof. LeFevre forscht zum Abbau von Chemikalien wie Pestiziden und Herbiziden speziell in Gewässern. Zwei Forschungsgebiete mit direktem Bezug zur Nutzung von Pestiziden sind die Sanierung von Agrarsystemen, in denen bereits Pestizide und Herbizide ausgebracht wurden, und die Entwicklung von Detektions- und Schutzmaßnahmen in Bezug auf bekannte und neue Schadstoffe (z.B. Herbizide oder Mikroplastik) in Trinkwasserreservoiren.
Das Abbauverhalten von Schadstoffen zu verstehen und ihre Wirkungen in der Umwelt beurteilen und einschätzen zu können sind wesentliche Grundlagen für die Erhaltung von Wasser und landwirtschaftlichen Ressourcen und damit für eine nachhaltige Bioökonomie.
Während seines Aufenthalts trifft sich Prof. LeFevre mit verschiedenen BioSC Core Groups, um Kooperationsmöglichkeiten zwischen der University of Iowa und dem BioSC auszuloten.
Die Geschäftsstelle weist darauf hin, dass Aufenthalte von Gastwissenschaftlern jederzeit beantragt werden können. Die Vorlage für einen solchen Antrag umfasst lediglich zwei Seiten und ist im BioSC-Intranet abrufbar. Bei Interesse und Fragen steht die Geschäftsstelle gerne unter biosc@fz-juelich.de zur Verfügung.
Innerhalb der Förderinitiative "Maßgeschneiderte biobasierte Inhaltsstoffe für eine wettbewerbsfähige Bioökonomie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung haben die beiden NovoSurf-Projektpartner erfolgreich Mittel zur Durchführung des Verbundprojekts NemaContAnt eingeworben. In dem Projekt wird die Nutzung von Rhamnolipiden zur Kontrolle pflanzenparasitärer Nematoden evaluiert.
Pflanzenparasitäre Nematoden führen jedes Jahr zu großen Verlusten in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion – weltweit und in NRW. Nematizide sind in vielen Ländern - inklusive Deutschland – weitgehend verboten und pflanzenbauliche Maßnahmen wie z. B. resistente oder tolerante Pflanzensorten, wenn erhältlich, lösen das Problem oft nicht ausreichend. Daher ist die Entwicklung neuer, effektiver und umweltverträglicher Bekämpfungsmaßnahmen erforderlich.
Eine vielversprechende Möglichkeit ist die Nutzung natürlich vorkommender, mikrobieller Moleküle wie z. B. der Rhamnolipide. Genau hier setzt die Kooperation der beiden BioSC Core Groups an der Universität Bonn und der RWTH Aachen an. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit hat mit dem BioSC-Projekt NovoSurf begonnen und wird weitergeführt mit dem im September 2017 gestarteten, vom BMBF geförderten 3-jährigen Verbundprojekt NemaContAnt - Tailor-made rhamnolipids as nature-inspired nematode control agents for sustainable sugar beet production (Maßgeschneiderte Rhamnolipide als Natur-inspirierte Agentien zur Nematodenkontrolle für eine nachhaltige Zuckerrübenproduktion).
Innerhalb des NovoSurf-Projekts haben Wissenschaftler der beiden Gruppen herausgefunden, dass Rhamnolipide sehr wirksam gegen Nematoden sind. Im NemaContAnt-Projekt will das Team nun am System Zuckerrübe - Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) zeigen, dass man aus Rhamnolipiden ein neues, maßgeschneidertes, biobasiertes und umweltfreundliches Produkt zur Nematodenkontrolle entwickeln kann.
Am iAMB in Aachen wird die Produktion von Rhamnolipiden optimiert. Dabei wird angestrebt, die Produktausbeute zu erhöhen, die Rhamnolipide strukturell zu diversifizieren und die Reinigung der Moleküle effizienter zu gestallten. Der Einsatz von Melasse, einem biologischen, erneuerbaren Rohstoff aus der Zuckerraffinerie zur Produktion von Rhamnolipiden wird erprobt und optimiert. Zudem erfolgt eine ökonomische Bewertung des Produktionsprozesses. Am MPM in Bonn werden die vom iAMB hergestellten Rhamnolipide auf ihre Wirksamkeit gegen den Rübenzystennematoden und ihren Einfluss auf die Wirtspflanze untersucht und bewertet, um das vielversprechendste Molekül zu identifizieren. Weitere Untersuchungen sollen den Wirkungsmechanismus aufklären und zeigen, ob sich Rhamnolipide auf Nicht-Zielorganismen im Pflanzen-assoziierten Mikrobiom auswirken. Auf dieser wissenschaftlichen Basis können Rhamnolipide zu Produkten für die Praxisanwendung entwickelt werden.
Projektpartner
Prof. Florian Grundler, Dr. Sylvia Schleker, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES), Molekulare Phytomedizin (MPM), Universität Bonn
Prof. Lars Blank, Dr. Till Tiso, Institute of Applied Microbiology (iAMB), RWTH Aachen University
Kontakt (Projektleitung/-koordination)
Dr. Sylvia Schleker
INRES – Molekulare Phytomedizin, Universität Bonn
Karlrobert-Kreiten-Str. 13
D-53115 Bonn
Tel.: +49 (0)228 73-3900
e-mail: sylvia.schleker@uni-bonn.de
Vom 30. Mai bis zum 1. Juni 2018 fand in Gent (Belgien) die „International Conference on Renewable Resources & Biorefineries (RRB14) “ statt. Zum 14. Mal trafen sich Teilnehmer aus Wissenschaft und Industrie, um über das Thema Bioökonomie zu diskutieren.
In den parallel stattfindenden Sessions gab es unter anderem Beiträge zu folgenden Themen: Bioraffinerien, biobasierte Materialien, sowie Mikro- und Makroalgen-Technologien. Neben vielen anderen interessanten Vorträgen wurden zwei Keynote-Vorträge von renommierten Wissenschaftlern gehalten. Gadi Rothenberg von der University of Amsterdam sprach über „A new biodegradable plastic made from plants“ und Mark Mascal von der University of California präsentierte „CMF is the new HMF: Functionally equivalent but more practical in terms of its production from biomass“.
Das Bioeconomy Science Center war mit einer Reihe wissenschaftlicher Beiträge gut vertreten: Neben Vorträgen aus den Focuslabs AP³ (Philipp M. Grande und Holger Klose, FZ Jülich) und Bio² (Markus Müller, RWTH Aachen) waren auch die Core Groups Büchs und Mitsos von der RWTH Aachen durch Benedikt Heyman und Andrea König mit weiteren Beiträgen vertreten. Die mehr als 230 Teilnehmer aus über 30 verschiedenen Ländern spiegelten das äußerst umfangreiche und interdisziplinäre Spektrum der Bioökonomie wieder. Neben den Poster Sessions gab es vor allem in den Pausen zwischen den Vorträgen Gelegenheit, mit Kollegen aus der Akademie, Industrie, verschiedenen Förderorganisationen und Verlagen Kontakte zu knüpfen. Schließlich rundeten die Einbindung der Ghent University, die ihr 200-jähriges Jubiläum feierte, und der Stadt Gent als einer der Förderer der Konferenz durch eine Stadtführung und eine Hafenrundfahrt das Programm erfrischend ab und sorgten für einen interessanten lokalen Kontext.
Seit dem Frühjahr dieses Jahres verstärkt Prof. Ingar Janzik das Team der Geschäftsstelle im Bereich Education. Durch den Weggang von Greta Mittweg ist eine kleine Zäsur in den Education-Aktivitäten eingetreten. Für 2018 sind aber wieder ein NRW-Doktorandentag Bioökonomie sowie Aktivitäten zur Vernetzung der BioSC-Doktoranden geplant. Darüber hinaus laufen die Planungen für die nächsten Summer Schools und die Entwicklung von Konzepten, die Bioökonomie einerseits bereits Bachelor- und Masterstudenten sowie andererseits im Beruf stehenden Menschen im Rahmen von „Life Long Learning“-Ansätzen zu vermitteln. Insgesamt wird das Thema Vernetzung von Education-Aktivitäten im Bereich der Bioökonomie auf regionaler wie internationaler Ebene eine wichtige Aufgabe sein.
Ingar Janzik hat in Bochum Biologie studiert und promovierte an der ETH Zürich. Es folgten eine kurze Postdoc-Station im Forschungszentrum Jülich und eine Juniorprofessur an der Heinrich Heine Universität Düsseldorf. Seit 2008 ist sie nach dem Jülicher Modell Professorin für Grüne Biotechnologie an der FH Aachen und Wissenschaftlerin im IBG-2. Ihr Forschungsschwerpunkt ist der pflanzliche Sekundärmetabolismus. Sie hat darüber hinaus maßgeblich das Doktorandenprogramm des Instituts IBG-2 sowie die gerade im Aufbau befindliche Doktoranden- und Betreuerplattform JuDocs des Forschungszentrums Jülich mit entwickelt. Seit 4 Jahren ist sie Mitglied des Doktorandenausschusses.
Prof. Dr. Ingar Janzik
Geschäftsstelle BioSC
c/o Forschungszentrum Jülich / IBG-2
52425 Jülich
Tel.: +49-(0)2461-61-6559
+49-(0)170 5542157
Fax.: +49-(0)2461-61-2492
E-Mail: i.janzik@fz-juelich.de
Prof. Laura Hartmann leitet den Lehrstuhl für Präparative Polymerchemie am Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf. Im Zentrum ihrer Forschung steht die Synthese, Charakterisierung und Anwendung biomimetischer und biofunktionaler Polymere und Materialien.
Laura Hartmann entwickelt mit ihrer Gruppe neue Synthesestrategien zur Darstellung hochdefinierter biofunktionaler Polymere. Hierzu verwendet Sie die Festphasensynthese in Kombination mit maßgeschneiderten Bausteinen zum Erhalt monodisperser, sequenzdefinierter Makromoleküle auf Oligoamid-Basis. Besonderes Augenmerk liegt auf der Funktionalisierung von Polymeren und Materialien mit Kohlenhydrat-Liganden und deren Wechselwirkungen mit Bakterien und Viren.
Laura Hartmann promovierte 2007 an der Universität Potsdam nach Anfertigung ihrer Dissertation am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm. Anschließend arbeitete sie zwei Jahre an der Universität Stanford, Kalifornien, als Postdoc auf einem Projekt zur Entwicklung einer künstlichen Hornhaut gemeinsam mit Gruppen des ‚Chemical Engineering‘ und der Augenklinik. Zurück in Deutschland leitete sie ab 2009 eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Berlin und habilitierte sich im Jahr 2014 an der Freien Universität Berlin im Fach ‚Makromolekulare Chemie‘. Im Jahr 2014 folgte sie einem Ruf als W3-Professorin an die Heinrich-Heine Universität Düsseldorf.
Prof. Dr. Laura Hartmann
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Institut für Organische und Makromolekulare Chemie
Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Das Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik 3: Analytik (ZEA-3) im Forschungszentrum Jülich entwickelt Analysenverfahren und wendet diese im Rahmen relevanter wissenschaftlicher Herausforderungen an. Die Kompetenzfelder des ZEA-3 umfassen u.a. Strukturaufklärung von organischen Molekülen, Charakterisierung von Proteinen und Molekül-Element-Wechselwirkungen, bildgebende chemische Analytik und Diffusionsprozess-Untersuchungen in flüssiger und fester Phase.
Mitglieder der neuen Core Group unter Leitung von Dr. Stephan Küppers sind Dr. Pitter Huesgen und Dr. Sabine Willbold.
Dr. Küppers studierte Chemie an der RWTH Aachen. Nach einem Post-doc-Aufenthalt arbeitete er zehn Jahre bei der Schering AG im Bereich der Wirkstoffentwicklung und ist seit 2002 Leiter des ZEA-3. Seine wissenschaftlichen Schwerpunkte liegen auf dem Gebiet der Prozess-und Umweltanalytik sowie der Verfahrensvalidierung.
Dr. Huesgen entwickelt mit dem Team „Analytik Molekularer und Biologischer Systeme" im ZEA-3, massenspektrometrie-basierte Verfahren zur Strukturaufklärung und Quantifizierung von Signalstoffen, Metaboliten und Proteinen in Pflanzen und Bakterien. Schwerpunkt der Forschung, seit 2015 unterstützt durch einen ERC starting grant, sind proteolytische Prozesse in pflanzlichen Stressantworten. Dr. Huesgen promovierte 2007 am Lehrstuhl für Physiologie und Biochemie der Pflanzen an der Universität Konstanz. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada, wechselte er 2014 nach Jülich.
Dr. Willbold forscht mit ihrer Gruppe als NMR-Spezialistin insbesondere an der Charakterisierung phosphororganischer Verbindungen in Zellen, Pflanzen und Böden mittels 31P-NMR-Spektroskopie. Dr. Willbold studierte Chemie in Bayreuth und promovierte dort 1994 auf dem Gebiet der NMR-Spektroskopie metallorganischer Verbindungen. Nach Postdoc´s am Institut für Anorganische Chemie der Universität Bayreuth und am Institut für Biochemie und Biophysik der Universität Jena ist Dr. Willbold seit 2002 am ZEA-3 tätig.
Dr. Stephan Küppers, Dr. Sabine Willbold, Dr. Pitter Huesgen
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik
Analytik (ZEA-3)
Wilhelm-Johnen-Str.
52428 Jülich
Postdoc-Stelle am Institut für Pflanzliche Zellbiologie und Biotechnologie/Exzellenzcluster CEPLAS
Prof. Dr. Markus Pauly
Technikerstelle am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik, RWTH Aachen
Prof. Dr. Jochen Büchs
Studentische Wissenschaftliche Hilfskraft am Institut für Quantitative Genetik und Genomik der Pflanzen, HHU Düsseldorf
Prof. Dr. Benjamin Stich
Gärtner in Gartenbau und Algenkultivierung am Institut für Bio- und Geowissenschaften 2 (Pflanzenwissenschaften), Forschungszentrum Jülich
Prof. Dr. Ulrich Schurr
IT-Spezialist für wissenschaftliche Server- und Speichersysteme sowie Datenmanagement am Institut für Bio- und Geowissenschaften 2 (Pflanzenwissenschaften), Forschungszentrum Jülich
Prof. Dr. Ulrich Schurr
"Mikrobielle Biofabriken für die industrielle Bioökonomie" (BMBF)
20. August 2018 (erste Stufe)
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