Neuigkeiten aus dem WTT


Juli 2020

Aufrüstset_Foto_©UFZ Bioelektrosynthesen können einen wesentlichen Beitrag für die zukünftige Bioökonomie leisten. Das patentierte Aufrüstset dient zur Erweiterung konventioneller Bioreaktoren, das deren Nutzung für die mikrobielle Bioelektrosynthese ermöglicht – nach der Devise: weg vom Eigenbau hin zu reproduzierbaren Forschungsbedingungen [1].

Bioelektrosynthesen als essentielle Bausteine einer erfolgreichen Bioökonomie

Die Elektrobiotechnologie deckt bereits heute ein breites Spektrum möglicher Anwendungen ab; dies beginnt bei Biobrennstoffzellen zur Reinigung von Abwasser und reicht über Biosensoren, die Entfernung von Schadstoffen aus Wasser oder Boden bis hin zur Synthese komplexer Chemikalien. Dabei kann CO2 als Rohstoff in Bioelektrosynthesen eingesetzt werden und helfen, die Ziele der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030“ zu erreichen. Bisherige Forschungen befinden sich bezüglich der verwendeten Technik allerdings noch im Anfangsstadium [2].

Mit dem Aufrüstset kann auf bereits vorhandene Bioreaktoren, dazugehörige Regelungstechnik und Peripherie zurückgegriffen werden, sodass sich Standardbioreaktoren bei Bedarf in Bioreaktoren für die Bioelektrosynthese umrüsten lassen. Dieser Schritt ist reversibel, sodass teure Doppelanschaffungen unnötig sind. Weiterhin erlaubt dieses System – im Gegensatz zu anderen Ansätzen – eine systematische Skalierung der Prozesse.

Unser Angebot

Gesucht wird ein Industriepartner (bevorzugt Hersteller von Bioreaktoren oder elektrochemischer Reaktionstechnik) zur Weiterentwicklung der bereits vorhandenen Prototypen, für eine Produktion und den Vertrieb des Aufrüstsets für Bioreaktoren für die Bioelektrosynthese.
Auf Basis heutiger vielversprechender Forschungsergebnisse möchte das UFZ gemeinsam mit seinen Partnern eine Technologie von morgen entwickeln, um damit einen wesentlichen Beitrag zu Rohstoffsicherung, Nachhaltigkeit und Klimaschutz zu leisten. Werden Sie Teil des Teams!

[1] Patente: WO2015/082490 und EP18701701
[2] DECHEMA-Positionspapier

Weitere Informationen: Prof. Dr. Falk Harnisch ( falk.harnisch@ufz.de ), Department Umweltmikrobiologie

Juli 2020

Juni 2020

Patenturkunde Deutschland will seine globale Führungsrolle bei Wasserstofftechnologien sichern und hat dafür gerade eine Nationale Wasserstoffstrategie veröffentlicht. Wasserstoff bekommt damit eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Vollendung der Energiewende, denn er ermöglicht es, mit Hilfe erneuerbarer Energien die CO2-Emissionen vor allem in Industrie und Verkehr deutlich zu verringern. Die Nutzung der Sonnenenergie für die chemische oder biologische Erzeugung von Wasserstoff ist dabei ein attraktives und umweltfreundliches technologisches Ziel, das am UFZ seit einigen Jahren im Department Solare Materialien verfolgt wird.

Stand der Technik

Die photokatalytische Wasserspaltung - die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Sonnenlicht - stellt eine technologisch wichtige Alternative zur energieaufwendigen elektrolytischen Wasserspaltung dar. Dafür werden in der Regel Algen oder Cyanobakterien eingesetzt, welche unter bestimmten Bedingungen während des Stoffwechselprozesses Wasserstoff an die Umgebung abgeben. So kann man in Algenreaktoren mittels Photosynthese Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandeln. Wesentlichster Nachteil aller Techniken ist die Bildung von Knallgas, die selbst bei einer Membrantechnologie nicht die Inaktivierung eines sauerstoffsensitiven Enzymsystems und somit die Hemmung der Wasserstoffproduktion verhindern kann.

Der UFZ-Beitrag

Von den UFZ-Wissenschaftler*innen um Professor Dr. Andreas Schmid (https://www.ufz.de/soma/) wurde dafür ein grundlegender Verfahrensschritt zur späteren Herstellung von Wasserstoff entwickelt und patentiert. Durch eine zeitliche Trennung von Sauerstoffbildung und Wasserstoffproduktion umgeht das Verfahren die Bildung von explosivem Knallgas. Zugleich werden durch Nutzung der Einzelzellbiokatalyse langfristig höhere Ausbeuten möglich sein.

Das erteilte Patent stellt dabei ein wichtiges Grundlagenpatent dar, das zwar selbst noch kein fertiges Verfahren beschreibt, auf dem jedoch langfristig nachhaltige und marktfähige Verfahren für die Wasserstoffproduktion entstehen können.

Das UFZ sucht Partner, um gemeinsam in den nächsten Jahren mit dieser Technologie einen signifikanten Beitrag zur Energiewende zu leisten und zu helfen Wasserstoff als einen wichtigen und sicheren Energieträger der Zukunft zu etablieren.

Patent: DE102017104648B4: A. Schmid, A. Hoschek, B. Bühler, Verfahren zur bioreaktiven Extraktion erzeugten Sauerstoffs aus einem Reaktionsraum sowie Verwendung von phototrophen Mikroorganismen bei der Gewinnung von Wasserstoff

Weitere Informationen: Dr. Joachim Nöller ( joachim.noeller@ufz.de ), Abteilung Wissens- und Technologietransfer
 

Cyclohexan Karande_Foto_@UFZ Die industrielle Synthese von C6-Monomeren für die spätere Nylonherstellung erfolgt derzeit typischerweise auf Basis der Cyclohexanoxidation bei hohen Temperaturen und großen Drücken. In diesem Prozess ist vor allem die anfängliche Oxyfunktionalisierung des Cyclohexans ein kritischer Schritt hinsichtlich der ökonomischen und ökologischen Prozesseffizienz.

Daher stellt die aerobe Oxidation einer einzelnen thermodynamisch stabilen und kinetisch inerten C-H-Bindung in Cyclohexan unter nachhaltigen und umweltverträglichen Bedingungen eine große Herausforderung in der aktuellen akademischen und industriellen Forschung dar.

UFZ-Wissenschaftler*innen des Departments Solare Materialien nutzen dazu Cytochrom-P450-Monooxygenasen (Cyps), die unter milden Bedingungen wirksam die regiospezifische Oxyfunktionalisierung inerter C-H-Bindungen katalysieren. Aufgrund ihrer Cofaktorabhängigkeit und Instabilität in isolierter Form werden Oxygenasen bevorzugt in lebenden mikrobiellen Zellen eingesetzt. Pseudomonas-Stämme stellen dabei potente Wirtsorganismen für Cyps dar. Die diesbezügliche Veröffentlichung stellt die Entwicklung eines effizienten Cyp-basierten Ganzzell-Biokatalysators für die Cyclohexan-Hydroxylierung vor, wobei in einem ganzheitlichen gentechnischen Ansatz Gendosierungs-, Transkriptions- und Translationsebene berücksichtigt wurden. Pseudomonas taiwanensis VLB120 diente dabei als Wirtsstamm. Der optimierte Stamm ermöglicht eine bemerkenswerte, bisher unerreichte Hydroxylierungsaktivität von 55 Units pro Gramm Zelltrockengewicht und eine hohe Selektivität. Bei Anwendung von 5 mM Cyclohexan wurden molare Substrat- und Biomasse-spezifische Ausbeuten von 82,5% bzw. 2,46 mmol Cyclohexanol pro Gramm Biomasse erzielt. Außerdem weist er eine hohe Stabilität auf. Damit dient der Stamm nun als Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer In-vivo-Kaskaden und Bioprozesse zur Herstellung von Polymerbausteinen wie Epsilon-Caprolacton.

Die Ergebnisse dieser Studie wurden auch in einem Vortrag der Doktorandin Lisa Schäfer auf der diesjährigen Jahrestagung der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM) im März in Leipzig vorgestellt (https://www.dghm-vaam.de/).

Paper: Maximizing Biocatalytic Cyclohexane Hydroxylation by Modulating Cytochrome P450 Monooxygenase Expression in P. taiwanensis VLB120, Schaefer, Lisa; Karande, Rohan; Buehler, Bruno. Front. Bioeng. Biotechnol., 2020;8:140. Published 2020 Feb 27. DOI: 10.3389/fbioe.2020.00140

Weitere Informationen: Prof. Dr. Bruno Bühler ( bruno.buehler@ufz.de ), Department Solare Materialien
 

© fotolia.com UFZ-Wissenschaftler*innen vom Department Analytische Umweltchemie präsentieren in einer Veröffentlichung eine neue und rein mechanistische COSMOperm-Methode zur Vorhersage passiver Membranpermeabilitäten für neutrale Verbindungen sowie für Anionen und Kationen. Der COSMOperm-Ansatz basiert dabei auf verbindungsspezifischen freien Energieprofilen innerhalb einer ausgewählten Membran aus COSMO-RS-Berechnungen (conductor-like screening model for realistic solvation). Eine vollständig prädiktive Berechnung der passiven Permeation durch Membranen aus Phospholipid-Doppelschichten führt zu einer Korrelation von r2 = 0,92 und rmsd = 0,90 log10 Einheiten, für neutrale Verbindungen und Anionen, im Vergleich zu Goldstandard-Experimenten mit planaren Lipidmembranen. In der Arbeit wird weiterhin gezeigt, dass neue, individuelle Membrantypen mit der verwandten COSMOplex-Methode erzeugt und von COSMOperm direkt für Permeabilitätsstudien verwendet werden können.

In dem zweiten Papier schlagen UFZ-Wissenschaftler*innen ein neues Modell zur Vorhersage der pH-abhängigen Basistoxizität auf der Basis von Kmem/w vor, das die Permeation sowohl neutraler als auch anionischer Spezies berücksichtigt. Für diesen Ansatz wurde das Bioakkumulationsverhalten von sechs Perfluoralkylcarbonsäuren (PFCAs), drei Perfluoralkansulfonsäuren und vier neuen Alternativen mit verschiedenen Methoden untersucht und ebenso mit der COSMO-RS-Theorie gut vorhergesagt.


Publikationen:

COSMOperm: Mechanistic Prediction of Passive Membrane Permeability for Neutral Compounds and Ions and Its pH Dependence; Schwoebel, Johannes A. H.; Ebert, Andrea; Bittermann, Kai; Huniar, Uwe; Goss, Kai-Uwe; Klamt, Andreas; J. Phys. Chem. B., DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b11728

Membrane/Water Partitioning and Permeabilities of Perfluoroalkyl Acids and Four of their Alternatives and the Effects on Toxicokinetic Behavior; Ebert, Andrea; Allendorf, Flora; Berger, Urs; Goss, Kai-Uwe; Ulrich, Nadin; Environ. Sci. Technol., DOI: 10.1021/acs.est.0c00175


Weitere Informationen:
Dr. Kai-Uwe Goss ( kai-uwe.goss@ufz.de ), Department Analytische Umweltchemie

Juni 2020

Mai 2020

© UFZ Die mittelkettigen Fettsäuren Capron (C6)- und Caprylsäure (C8) sind wertvolle Chemikalien, die industriell bisher aus Palmkern- und Kokosöl hergestellt werden und als Additive in Schmier- oder Reinigungsmitteln, Kosmetika, Lebens- sowie Futtermittelzusätzen zum Einsatz kommen. Hierzu hat das UFZ vielversprechende und deutlich nachhaltigere Produktionswege in der Entwicklung, für die eine Demonstrationsanlage in der Planung ist.

Wissenschaftler*innen des UFZ-Departments Umweltmikrobiologie um Dr. Heike Sträuber forschen an einem anaeroben Fermentationsverfahren unter Nutzung nachwachsender Rohstoffe oder organischer Reststoffe und Abfälle, um die Fettsäuren mittels laktat-basierter mikrobieller Kettenverlängerung zu produzieren. Aufgrund der Komplexität dieses Prozesses und der Substrate werden gemischte Mikrobengemeinschaften im Bioreaktor verwendet. Es sind verschiedene Mikroorganismen bekannt, die eine mikrobielle Kettenverlängerung durchführen können. Auch laktatbildende Milchsäurebakterien spielen im Produktionsprozess eine wichtige Rolle. Aber bisher ist wenig über das Zusammenspiel zwischen säurebildenden Mikroorganismen, die an der Kettenverlängerung (von C2/C4-Säuren hin zu C6/C8-Säuren) beteiligt sind, und den Milchsäurebakterien bekannt.

In der vorliegenden Studie wurden im Langzeitversuch über 148 Tage die Dynamiken vom Stoffwechsel und der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft im Bioreaktor untersucht und modelliert. Dabei wurden verschiedene Produktbildungsphasen identifiziert. Anhand der Metaboliten konnte zugeordnet werden, welche Mikroorganismen in den verschiedenen Phasen dominieren. Außerdem wurde gefunden, dass in der Anfangsphase eine verstärkte Capron- und Caprylsäureproduktion auftritt, während sich in einem geschlossenen Reaktorsystem auf lange Sicht aber Butyrat (C4)-produzierende Bakterien durchsetzen.

Diese Erkenntnisse stellen einen weiteren Baustein dar, um die Capron- und Caprylsäureproduktion zu einem marktfähigen Prozess weiterzuentwickeln, der eingebettet in ein Bioraffineriekonzept einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft liefern kann und werden in die Planungen für eine Demonstrationsanlage einfließen. Weitere Informationen zum gesamten Verfahren und seinen Kapazitäten können Sie gerne bei uns erhalten ( wtt@ufz.de ).

Publikation: Competition between Butyrate Fermenters and Chain-Elongating Bacteria Limits the Efficiency of Medium-Chain Carboxylate Production; Bin Liu, Sabine Kleinsteuber, Florian Centler, Hauke Harms & Heike Sträuber; Frontiers in Microbiology, Vol. 11, Art. Number 336, März 2020

Weitere Informationen: Dr. Heike Sträuber ( heike.straeuber@ufz.de ), Department Umweltmikrobiologie

Mai 2020

© UFZ Seit dem 31.12.2018 gilt in Deutschland ein neues Strahlenschutzgesetz, das einen Referenzwert für die über das Jahr gemittelte Radon-222-Aktivitätskonzentration von 300 Bq/m3 in Wohnungen, Schulen und an Arbeitsplätzen vorschreibt. In vielen Regionen Deutschlands übersteigen die Radonaktivitätskonzentrationen in der Bodenluft den Wert von 40.000 Bq/m³, sodass dort Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung getroffen werden müssen (BFS, 2019).

Wissenschaftler im UFZ-Department Umweltinformatik um Prof. Dr. Holger Weiß haben bereits in Vorversuchen gezeigt, dass auch unterschiedliche meteorologische Parameter zu Schwankungen der Radonaktivitätskonzentrationen in Innenräumen beitragen (Schubert, Musolff, Weiss, 2018). Im Rahmen weiterer Vorarbeiten, die mit Hilfe des UFZ-eigenen Technologietransferfonds finanziert wurden, sind erste Feldversuche in verschiedenen Wohngebäuden im Erzgebirge durchgeführt worden. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass über verschiedene Lüftungssteuerungen die Radonaktivitätskonzentrationen erheblich reduziert werden können (Dehnert et al., 2019). Darauf aufbauend wird nunmehr in einem ZIM-geförderten Projekt (ZIM: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) ein System entwickelt, das die Radonaktivitätskonzentration als Regelparameter in dezentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung und Zonensteuerung drahtlos einbindet und anhand dessen die Lüftung automatisch steuert. Partner des UFZ sind die SARAD GmbH in Dresden, die inVENTer GmbH in Löberschütz, die Bergsicherung Schneeberg GmbH & Co. KG, die Gebäude- und Wohnungsverwaltung GmbH Schlema, die Staatliche Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft in Chemnitz und die sächsische Strahlenschutzbehörde LfULG in Dresden.

Literatur:

Bundesamt für Strahlenschutz (BFS) (2019): Radon-Handbuch Deutschland 2019; Schubert, M., Musolff, A., & Weiss, H. (2018): Influences of meteorological parameters on indoor radon concentrations ((222)Rn) excluding the effects of forced ventilation and radon exhalation from soil and building materials. J Environ Radioact, 192, 81-85. doi: 10.1016/j.jenvrad.2018.06.011
Online verfügbar hier

Dehnert et al. (2019): Radonschutz in Wohnungen durch radonaktivitätskonzentrationsgesteuerte Lüfter. Jahrestagung 2019 Fachverband für Strahlenschutz e.V.; Strahlenschutz und Medizin, Patienten - Beschäftigte – Gesellschaft; Würzburg, 9.-12. September 2019.
Online verfügbar hier

Weitere Informationen: Prof. Holger Weiß ( holger.weiss@ufz.de ), Department Umweltinformatik

Mai 2020

April 2020

Molke ist ein Hauptnebenprodukt der Milchindustrie und für kleine und mittlere Unternehmen schwer zu nutzen und muss deshalb teuer entsorgt werden. Mikrobielle elektrochemische Technologien könnten der Schlüssel für diese Unternehmen sein, um dieses derzeitige Abfallprodukt wirtschaftlich zu verwerten.

UFZ-Wissenschaftler untersuchten eine Methode zur Entfernung von Molke aus Prozesswassern, die mit der Produktion von elektrischem Strom gekoppelt ist. In potentiostatisch-kontrollierten Halbzellenexperimenten wurden die Anoden (basierend auf einer robusten komplexen Mikrobengemeinschaft) mit einer Molkelösung mit ca. 1 g L-1 CSB gefüttert.

Mit diesem einfachen Laboransatz wurde ein durchschnittlicher Reinigungsgrad von 65,8 ± 10,9 % erzielt, gekoppelt mit einer maximalen Stromdichte von 0,31 ± 0,06 mA cm-2 und einem coulombschen Wirkungsgrad von 37,1 ± 10,8 %. Diese Werte wurden in bioelektrochemischen Reaktoren am Ende von vier Batchzyklen gemessen.

Die mikrobielle Analyse ergab eine Arbeitsteilung mit hauptsächlich planktonischen Mikroorganismen, die die komplexen Molkebestandteile durch Fermentation zu organischen Säuren abbauen, von denen ein Teil anschließend von den elektroaktiven Bakterien an der Anode zur Produktion von Strom genutzt wurde.

Auf dem Weg zu einer wirtschaftlichen Nutzung müssen aber zunächst noch weitere Untersuchungen zu mikrobiellen Struktur-Funktionsbeziehungen für eine zukünftige Prozesssteuerung durchgeführt werden, bevor man über ein Upscaling die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens untersuchen kann.

Paper: Investigating Community Dynamics and Performance During Microbial Electrochemical Degradation of Whey; By: Esquivel, Diana Y. Alvarez; Guo, Yuting; Brown, Robert K.; et al., ChemElectroChem: Volume: 7, Issue: 4, pages: 989-997

Weitere Informationen: Prof. Falk Harnisch ( falk.harnisch@ufz.de ), Department Umweltmikrobiologie

April 2020

UFZ-Wissenschaftler berichten zusammen mit ihren Kollegen vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung – HZI und der TU Bergakademie Freiberg in der Zeitschrift Frontiers in Microbiology über einen extremophilen Bakterienstamm, Pseudomonas sp. TDA1, der in der Lage ist, einige der chemischen Bausteine des Polyurethans abzubauen. Dies könnte vielleicht ein wichtiger Schlüssel zur Wiederverwendung von schwer wiederverwertbaren Polyurethanprodukten sein.

Dabei entfielen allein im Jahr 2015 auf Polyurethanprodukte 3,5 Millionen Tonnen der in Europa hergestellten Kunststoffe. Anwendungsbereiche sind u.a. neben Kühlschränken und Gebäudeisolierungen auch Schuhe oder Möbel. Die Abfälle sind jedoch nur schwer und energieintensiv zu recyceln und landen meist auf Deponien, wo sie eine Reihe von giftigen Chemikalien freisetzen, von denen einige krebserregend sind.

Bei ihrer Genomanalyse identifizierten die Forscher Enzyme, die den Mikroben helfen, bestimmte chemische Verbindungen in Kunststoffen energetisch zu verwerten. Der Stamm gehört zu einer Gruppe von Bakterien, die für ihre Toleranz gegenüber toxischen organischen Verbindungen und anderen Formen von Stress bekannt sind, so Dr. Christian Eberlein vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ. Er ist Mitverfasser des Papiers, der die Arbeit koordiniert und überwacht hat.

Die Autoren verweisen in ihrer Arbeit aber auch darauf, dass noch mehr „grundlegendes Wissen“ wie das in der aktuellen Studie gesammelte erforderlich ist, bevor in Zukunft der Sprung in die technologische und kommerzielle Anwendung möglich wird.

Die Forschungsarbeit ist Teil eines wissenschaftlichen Programms der Europäischen Union mit dem Namen P4SB (From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology), das versucht, nützliche Mikroorganismen zu finden, die Kunststoffe auf Ölbasis in vollständig biologisch abbaubare Kunststoffe umwandeln können. Wie der Name schon sagt, konzentriert sich das Projekt auf ein Bakterium namens Pseudomonas putida.

Link
Pressemitteilung

Weitere Informationen: Dr. Hermann Heipieper ( hermann.heipieper@ufz.de ), Department Umweltbiotechnologie

April 2020

Constructed Wetlands (CWs) sind wirksame ökologische Sanierungstechnologien für verschiedene kontaminierte Gewässer. Bei Ihrer Suche nach benzolabbauenden Mikroben untersuchten UFZ-Wissenschaftler verschiedene unterirdische Strömungen eines CW, das mit benzolkontaminiertem Grundwasser gespeist wird und wurden nun fündig.

Dabei wurden zunächst relevante Mikroben durch den Einsatz von In-situ-Mikrokosmen (BACTRAPs, hergestellt aus Aktivkohlegranulat) in Verbindung mit 13C-stabiler Isotopensondierung und Illumina-Sequenzierung von 16S rRNA-Amplikons identifiziert. Dabei wurden die mit Mikroorganismen beladenen BACTRAPs 28 Tage lang gegenüber 13C-Benzol exponiert und dann der signifikante Einbau von 13C in die RNA der Bakterien nachgewiesen. Eine kürzere Inkubationszeit führte überraschenderweise nicht zu einer nachweisbaren 13C-Inkorporation.

Nach 28 Tagen waren Mitglieder von vier Gattungen, nämlich Dechloromonas, Hydrogenophaga und Zoogloea aus den Betaproteobakterien und Arcobacter aus den Epsilonproteobakterien, signifikant mit 13C markiert und in der Bakteriengemeinschaft auf den BACTRAPs reichlich vorhanden. Sequenzen, die mit Geobacter verbunden sind, waren zwar zahlreich auf den BACTRAPs nachweisbar, metabolisierten aber offenbar kein Benzol, da keine C-13-Markierung nachgewiesen wurde. Es ist jedoch möglich, dass sie pflanzliche organische Verbindungen metabolisiert haben, während sie die BACTRAPs als Elektronensenke benutzten.
In repräsentativen Gebietsproben aus den CWs waren Sequenzen, die mit Dechloromonas, Zoogloea und Hydrogenophaga verbunden sind, in relativen Anteilen von bis zu einigen Prozent vorhanden. Sequenzen, die mit Arcobacter assoziiert sind, waren dagegen in < 0,01% der Proben vorhanden.

Daraus folgerten die Wissenschaftler, dass es ihnen gelungen war, Mikroben von wahrscheinlicher Bedeutung für den Benzolabbau in einer CW, die zur Sanierung von kontaminiertem Wasser verwendet wird, zu identifizieren.

Paper: Identification of benzene-degrading Proteobacteria in a constructed wetland by employing in situ microcosms and RNA-stable isotope probing; By: Nitz, Henrike; Duarte, Marcia; Jauregui, Ruy; et al., Applied Microbiology and Biotechnology - Volume: 104, Issue: 4, Pages: 1809-1820

Weitere Informationen: Prof. Matthias Kästner ( matthias.kaestner@ufz.de ), Department Umweltbiotechnologie

April 2020

UFZ-Forscher in Magdeburg haben erfolgreich ein Visualisierungssystem für die Exploration, Analyse und Präsentation von Daten komplexer hydrologischer Studien in großen Einzugsgebieten entwickelt.

Die neuartige Visualisierung schafft ein erweitertes und tieferes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den jeweiligen Datensätzen, ermöglicht Diskussionen zwischen Forschern aus verschiedenen Disziplinen und ist gleichzeitig eine hervorragende Grundlage für die Veranschaulichung komplexer Phänomene für Entscheider aus Behörden, Politik, Wirtschaft oder für die interessierte Öffentlichkeit.

Basierend auf dem 162.000 km² großen Einzugsgebiet des Poyang-Sees, des größten Süßwassersees Chinas, wurde eine virtuelle geographische Umgebung entwickelt, die eine Vielzahl von 2D- und 3D-Beobachtungsdatensätzen mit Simulationsergebnissen sowohl aus einem OpenGeoSys-Grundwassermodell als auch aus einem hydrodynamischen COAST2D-Modell kombiniert, das die Wasser- und Stoffdynamik innerhalb und zwischen hydrologischen Reservoiren visualisiert. Das System zielt auf eine realistische Darstellung des Untersuchungsgebietes ab und implementiert Ansätze der wissenschaftlichen Visualisierung, um interessante Aspekte von multivariaten Daten auf intuitive Weise zu veranschaulichen. Zudem verwendet es leicht zu erlernende Interaktionstechniken für die Navigation, die Animation und den Zugang zu verknüpften Datensätzen aus externen Quellen, wie Zeitreihendaten oder Websites, um als Umweltinformationssystem für jede beliebige Region zu fungieren.

Paper: A virtual geographic environment for multi-compartment water and solute dynamics in large catchments
By: Rink, Karsten; Nixdorf, Erik; Zhou, Chengzi; et al., Journal of Hydrology: Volume: 582, Article Number: 124507

Link zu OpenGeoSys

Weitere Informationen: Dr. Karsten Rink ( karsten.rink@ufz.de ), Department Umweltinformatik

April 2020

März 2020

Im Rahmen der Frühjahrstagung der Biotechnologen hat sich der Lenkungskreis der DECHEMA-Fachgemeinschaft Biotechnologie neu konstituiert. Professor Dr. Andreas Schmid vom UFZ (Department Solare Materialien) wurde von der Mitgliederversammlung als Mitglied reingewählt. An der Spitze des Gremiums steht zukünftig Prof. Dr. Andreas Liese, TU Hamburg.

Mit über 1.800 Mitgliedern bietet die DECHEMA-Fachgemeinschaft Biotechnologie Fachleuten aus akademischer Forschung und Industrie ein Forum für Kooperationen und Austausch. Die Themenspanne reicht von der Algenbiotechnologie über die Bioprozesstechnik bis zu synthetischer Biologie und Zellkulturtechnik. Der Lenkungskreis der DECHEMA-Fachgemeinschaft Biotechnologie ist für die Koordinierung der Aktivitäten und für das Portfolio an Gremien innerhalb der Fachgemeinschaft zuständig. Darüber hinaus entwickelt das Gremium Vorschläge für strategische Initiativen, bearbeitet gremienübergreifende Themen und pflegt den Kontakt zu anderen Organisationen. Die Mitglieder des Lenkungskreises werden jeweils für drei Jahre gewählt.

Quelle: Presseinformation der DECHEMA vom 03.03.2020

Weitere Informationen: Prof. Andreas Schmid ( andreas.schmid@ufz.de ), Department Solare Materialien

März 2020

© UFZ Abteilung Wissens- & Technologietransfer stellt UFZ-Forschung vor und vermittelt Themen und Kontakte

Die European Chemistry Partnering in Frankfurt am Main ist eine wichtige Kontaktbörse für die Chemiebranche in Deutschland und darüber hinaus. Für das UFZ wiederum ist der Sektor ein bedeutender Partner in Bezug auf die Entwicklung und tatsächliche Anwendung umweltfreundlicherer Prozesse und Produkte sowie die Vermeidung oder Beseitigung von Umweltschäden durch bereits existierende Verfahren.

Vor diesem Hintergrund nahmen Vertreter der Abteilung Wissens- und Technologietransfer (WTT) am 27.02.2020 an 20-minütigen Eins-zu-eins-Gesprächen im Stil eines „Speeddatings“ teil.

Ausgewählte Themen und Forschungsarbeiten aus dem Themenbereich „Umwelt- und Biotechnologie“ wurden dabei vorgestellt und gemeinsame Interessen herausgearbeitet. Im Nachgang wurden zu fast allen Gesprächen weitere Informationen ausgetauscht und Kontakte zu UFZ-Wissenschaftlern vermittelt, so dass dieser erste Versuch mit dem genannten „Partnering“-Format als erfolgreich bewertet und sicherlich zu gegebener Zeit wiederholt wird.

Weitere Informationen: Dr. Lydia Woiterski ( lydia.woiterski@ufz.de ), Abteilung Wissens- und Technologietransfer

März 2020

Februar 2020

© UFZ Unter dem Titel "Dürren in Mitteldeutschland - Auswirkungen, Herausforderungen, Anpassungsoptionen“ trafen sich am 14./15. Januar rund 150 Teilnehmer am UFZ. Das UFZ lud Teilnehmer*innen aus Wissenschaft, Praxis sowie Politik und Verwaltung nach Leipzig ein, um die Folgen der vergangenen Dürren für Land- und Forstwirtschaft zu diskutieren. Gemeinsam wurde auch überlegt, wie sich Landwirte und Waldbesitzer in Zukunft an die veränderten Klimakonditionen anpassen können und welchen Input die Wissenschaft dafür liefern kann.
Nachfolgend werden die konkreten Ergebnisse und Forderungen zusammengefasst.

Die Folgen der Düre 2018/2019

Diese Jahre waren in Deutschland insgesamt deutlich wärmer als im langjährigen Mittel bei gleichzeitig unterdurchschnittlichen Niederschlagsmengen. Beides führte zu einer langanhaltenden, extremen Dürre. Die Folgen waren u.a. Ertragseinbußen in der Landwirtschaft, Trockenschäden und Schädlingsbefall in den Wäldern sowie negative Auswirkungen für die Schifffahrt, die Energiewirtschaft sowie den Tourismus. Zudem kam es 2018 vermehrt zu Flächen- und Waldbränden. Die Bodentrockenheit hat vielerorts zu sehr niedrigen Grundwasserneubildungsraten geführt, deren längerfristige Auswirkungen bisher nicht absehbar sind.

Werden Dürreereignisse in Zukunft häufiger?

Die Wahrscheinlichkeit von Hitzewellen, wie im Juli 2019 in Deutschland, hat sich im Durchschnitt ungefähr verzehnfacht. Zahlreiche Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass diese in Zukunft sowohl häufiger als auch intensiver eintreten werden. Mit der zukünftigen Erwärmung geht auch eine Verlängerung der Zeit unter Dürre in Deutschland einher.

Politischer Handlungsbedarf

Derzeit unterstützten Bund und Länder die Land- und Forstwirtschaft vor allem bei der Kompensation der schlimmsten finanziellen Folgen (z.B. Dürrehilfe). Es bedarf aber eines stärker integrierten und vorausschauenden Politikansatzes der Länder und des Bundes. Dieser beinhaltet u.a. die folgenden Punkte:

• Die koordinierte und umfassende Abschätzung zukünftiger Dürrerisiken (z.B. für die Land-, Forst- und Wasserwirtschaft, aber auch für Ökosysteme und deren Leistungen);

• Die Entwicklung von politischen Rahmenbedingungen, die gezielt nachhaltige und klimaresiliente Innovationen in der Land-, Forst-, und Wasserwirtschaft fördern (Dürrerisikomanagement);

• Eine regelmäßige Überprüfung und Aktualisierung der Risikobewertung und der Managementansätze (Monitoring und Evaluation).

Forschungsbedarf

Dürren sind Risiken, die sich negativ auf Pflanzen- und Tierarten, Ökosysteme und Gesellschaft auswirken. Daher bedarf es einer integrierten Dürreforschung, die verschiedene Disziplinen aus den Natur- und Sozialwissenschaften vereinigt.

So gilt es zum Beispiel eine trans- und interdisziplinäre Dürreforschung aufzubauen, mit dem Ziel Dürrerisiken sektoral umfassend und auf verschiedenen Skalen zu bewerten sowie nachhaltige und klimaresiliente Anpassungsmaßnahmen und -strategien zu entwickeln.

Wichtig wäre auch der Aufbau einer Datenbank zu den Folgen von Dürren. Die Datenbank müsste multisektoral angelegt sein und könnte sich an der Datenbank des European Drought Impact Report Inventory (EDII) bzw. European Drought Reference (EDR) orientieren.

Die Konferenz im Januar 2020 wurde als Teil der Helmholtz-Klimainitiative und des Projekts CLIMALERT getragen, das über das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der European Research Area for Climate Services (ERA4CS, http://climalert.eu) finanziert wird. Organisiert wurde die Veranstaltung vom UFZ-Department Stadt- und Umweltsoziologie und vom Mitteldeutschen Klimabüro am UFZ.

Weiter Informationen: Prof. Christian Kuhlicke ( christian.kuhlicke@ufz.de ), Department Stadt- und Umweltsoziologie

Februar 2020

Tappbodetalsperre im Ostharz; Foto André Künzelmann, UFZ Tappbodetalsperre im Ostharz; Foto André Künzelmann, UFZ
Das UFZ betreibt an der Rappbode-Talsperre im Harz, der größten Trinkwassertalsperre Deutschlands, eine einmalige Monitoring-Infrastruktur: Das Talsperrenobservatorium Rappbode (TOR). Das TOR wurde 2011 im Rahmen vom TERENO-Projekt (Link) aufgebaut und beinhaltet 8 online-Monitoringstationen zur Wasserqualität. Als Besonderheit des TOR gilt die detaillierte Überwachung der Zuflüsse in die Talsperre, andere Standgewässer-Monitoringaktivitäten in der deutschen und internationalen Forschungslandschaft fokussieren lediglich das Standgewässer und vernachlässigen die Zuflüsse. Hierdurch kann im TOR die Verbindung zwischen Einzugsgebiet und Gewässer aufgelöst werden – ein ausgesprochen wichtiger Antriebsfaktor für die Wassergüteentwicklung von Talsperren.

Von Beginn an war der Talsperrenbetrieb Sachsen-Anhalt (TSB) in das Projekt integriert, stellte Platz und Zugang zu Gewässern und Elektrizität zur Verfügung. Diese Zusammenarbeit wurde im Rahmen des BMBF-Projektes TALKO intensiviert, bei dem die Einträge von gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) in das Gewässer untersucht wurden und Prognosen zur Entwicklung der DOC-Frachten erstellt wurden. Durch merklich ansteigende Konzentrationen wurde der Gehalt an DOC zur wichtigsten Wasserqualitätsdeterminante der Talsperre mit deutlichen negativen Auswirkungen auf die Trinkwasseraufbereitung durch die Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz GmbH (FWV). Die Spielräume im Talsperrenmanagement zur Minimierung der DOC-Einträge sind äußerst begrenzt und erfordern eine adaptive Steuerung der Wasserüberleitungen in die Rappbode-Talsperre aus dem Bodesystem (durch Steuerung der Überleitungssperre Königshütte). An diesem Punkt zahlte sich der Betrieb des TOR auch in der wasserwirtschaftlichen Praxis für den TSB und die FWV aus. Das UFZ organisierte eine automatische Weiterleitung der online-Daten in die Datenhaltungen des TSB und der FWV und das TOR wurde Bestandteil des operativen Managements.

Im Sommer 2019 wurde deutlich, dass eine Erneuerung der Sensorik unausweichlich ist. Der TSB hat in unkomplizierter Weise die Kosten dafür direkt übernommen und somit nicht nur eine Erneuerung des TOR finanziert, sondern auch den Betrieb des Observatoriums für viele weitere Jahre sichergestellt. Das TOR wird weiterhin gemeinsam betrieben und die Messdaten stehen Forschung und Praxis gleichermaßen zur Verfügung. Seit Etablierung sind 30 internationale Publikationen im Kontext des TOR erschienen.

Weitere Informationen zu TOR

Februar 2020

Januar 2020

Oman ist einer der Staaten dieser Welt, die zukünftig noch verstärkter mit Wasserknappheit zu kämpfen haben werden. Wasserknappheit wird größtenteils durch eine ungünstige Verteilung sowie Verschmutzung von Wasserressourcen verursacht. Deshalb spielt die Abwasserbehandlung eine Schlüsselrolle bei der Bekämpfung von Wasserknappheit. Ziel ist es, lokale Wasserkreisläufe zu schließen und durch eine sichere Sammlung und Behandlung Wasserverschmutzung zu vermeiden. Zugleich wird dabei aufbereitetes Wasser zur Wiederverwendung bereitgestellt. Deshalb ist ein Schwerpunkt des Institute of Advanced Technology Integration (IATI) im Oman neue Lösungen dafür zu entwickeln und wird dabei vom UFZ unterstützt.

Verbesserung einer bewährten Technologie

In Zusammenarbeit mit dem Research Council (TRC) des Omans und dem Department Umwelt- und Biotechnologisches Zentrum (UBZ) am UFZ entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein innovatives System zur integrierten Abwasserbehandlung und -verwertung. Es wurde unter dem Titel “A multi-functional cover layer unit for aerated wastewater treatment wetlands with integrated freshwater production and land recovery for recreational use and crop cultivation” im Oman zum Gebrauchsmuster (OM/P/2019/000412) angemeldet. Dagegen haben herkömmliche Abwasserbehandlungssysteme, wie z.B. belüftete Pflanzenkläranlagen (ACWs) nach den deutschen Konstruktionsrichtlinien (DWA, 2017) haben einen relativ großen Flächenbedarf. In warmen Klimazonen wie dem Oman und den Nachbarländern führt eine derart große Fläche zu hohen Wasserverlusten (durch Evapotranspiration) und kann somit die Funktion dieser Feuchtgebiete beeinträchtigen, da die Hydrologie der wichtigste Konstruktionsfaktor ist. Der neue technologische Ansatz behebt diesen Nachteil und erlaubt die Erzeugung von hochwertig behandeltem Wasser, das der strengsten Behandlungsklasse entspricht, d.h. 95% Entfernung des BSB5, 90% Entfernung des Gesamt-P und 90% Nitrifikation. Solch aufbereitetes Wasser eignet sich für die landwirtschaftliche Bewässerung und den Hausgebrauch, insbesondere in Trockengebieten und wasserarmen Ländern.

Innovationspreis und Pilotanlage

Shamsa Al Saadi vom IATI, Oman, die am UFZ promovierte, wurde für ihre hervorragende Lösungsansätze mit dem dritten Platz in der Kategorie „Innovation“ beim Water Research and Innovation Award Forum 2019 in Oman ausgezeichnet. Das entwickelte System wurde am deutschen Demonstrationsstandort im BDZ (Bildungs- und Demonstrationszentrum Dezentrale Infrastruktur) in Leipzig untersucht und soll nun als Pilotanlage im technischen Maßstab im Oman implementiert werden.

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Dr. Manfred van Afferden ( manfred.afferden@ufz.de ), Department Umwelt- und Biotechnologisches Zentrum

Januar 2020

© K.-D. Sonntag, foto+design UFZ Research Prize Awardees 2019
© Klaus-Dieter Sonntag
Der Ökotoxikologe Prof. Dr. Rolf Altenburger und das Team des EU-Projekts SOLUTIONS unter der Leitung von PD Dr. Werner Brack erhielten den mit 10.000 Euro dotierten Forschungspreis 2019 des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ).

Prof. Altenburger, Leiter des Departments Bioanalytische Ökotoxikologie (BIOTOX), untersucht seit mehreren Jahrzehnten Mischungen von Chemikalien. Obwohl die Konzentrationen einzelner Schadstoffe im Laufe der Jahre abnahmen, bringt der Mensch immer wieder neue Chemikalien mit neuen Eigenschaften und unerwarteten Wirkungen in die Umwelt ein, was seine Forschung nach wie vor unverzichtbar macht. Er ist nicht nur ein ausgezeichneter Wissenschaftler, sondern bringt auch interdisziplinäre Experten zusammen, fungiert als Berater und regt den Wissenstransfer mit Interessenvertretern und Behörden wie dem Umweltbundesamt, europäischen wissenschaftlichen Kommitees oder der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU-Kommission an und trägt mit seiner Forschung zur Regulierung von Chemikalien auf nationaler und internationaler Ebene bei.

Zweiter Preisträger ist das Team des von der Europäischen Kommission mit 12 Millionen Euro geförderten Projekts SOLUTIONS. Ein Konsortium von 39 Kooperationspartnern (unter Beteiligung der UFZ-Departments Wirkungsorientierte Analytik, Ökologische Chemie, Zelltoxikologie und BIOTOX) aus 17 Ländern arbeitete zusammen mit Anwendern aus Politik und Behörden an Lösungen (SOLUTIONS) für gegenwärtige und zukünftige aufkommende Schadstoffe im Land- und Wasserressourcenmanagement. Die Überwachung einzelner Schadstoffe in Gewässern reicht heutzutage nicht aus. Daher konzentrierte sich dieses Projekt auf die Überwachung komplexer chemischer Gemische und deren Abbauprodukten sowie die Bewertung des Risikopotentials für Umwelt und Mensch. Neu entwickelte Überwachungsinstrumente, -modelle und -methoden wurden in Fallstudien erfolgreich erprobt. Schließlich wurden neue Ansätze zur Risikobeurteilung und zur Reduktion der Schadstoffbelastung in Empfehlungen und Policy Briefs umgesetzt, um die Europäische Wasserrahmenrichtlinie zu verbessern.

Weitere Informationen

Policy Briefs

Solutions project


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Prof. Rolf Altenburger ( rolf.altenburger@ufz.de ), Leiter des Department Bioanalytische Ökotoxikologie
PD Dr. Werner Brack ( werner.brack@ufz.de ), Leiter des Department Wirkungsorientierte Analytik

Januar 2020

© UFZ Zum sechsten Mal wurden im Herbst 2019 die UFZ-Preise vergeben. Jährlich ehrt das UFZ mit diesen Preisen herausragende Leistungen von UFZ-Mitarbeiter*innen und deren besonderes Engagement für das UFZ.
In einer festlichen Veranstaltung wurden unter anderen der UFZ-Technologietransferpreis und UFZ-Wissenstransferpreis an folgende Wissenschaftler*innen überreicht.

Dr. Susanne Dunker (Department Physiologische Diversität) bekam den UFZ-Technologietransferpreis 2019 für ihre Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Hochdurchsatzanalytik für ökologische Proben mit bildgebender Durchflusszytometrie.

Einem Team von Wissenschaftler*innen bestehend aus Dr. Christiane Schulz-Zunkel und Mathias Scholz (Department Naturschutzforschung) sowie Dr. Mario Brauns und Prof. Dr. Markus Weitere (Department Fließgewässerökologie) wurden mit dem UFZ-Wissenstransferpreis 2019 ausgezeichnet. Das Team hat im Projekt „Wilde Mulde“ umfangreiche transdisziplinäre Grundlagen geschaffen, mit denen lange Abschnitte großer mitteleuropäischer Flüsse erfolgreich renaturiert werden können.

Januar 2020