Einsatz von phototrophen Biofilmen im Agrarsektor zur Verbesserung des Pflanzenwachstums

Im Jahr 2018 wurden in Deutschland rund 866 Millionen Tonnen Treibhausgase produziert, wobei weltweit 10-12 % der anthropogenen Treibhausemissionen der Landwirtschaft zuzuordnen sind. Während der Austausch an CO2 durch die gleichzeitige CO2 Fixierung in organische Masse fast ausgeglichen ist, beträgt der Anteil der Landwirtschaft bei Methan 50 % und Lachgas sogar 60 % aller Emissionen. Dies ist vor allem auf den Einsatz mineralischer und organischer Düngemittel zurückzuführen. Ohne ein aktives Gegensteuern wird eine Steigerung der Lachgasemissionen um 30-65 % bis 2030 in der Agrarwirtschaft erwartet. Um das gesetzte klimapolitische Ziel einer weitgehenden Treibhausgas-Neutralität bis 2050 zu erreichen, stellt ein klimaschonender Anbau von nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft eine wichtige Strategie dar. Ein zentraler Teilaspekt dieser Strategie könnte die Ansiedlung der gegenüber biotischen und abiotischen Bedingungen toleranten terrestrischen Cyanobakterien sein, die in der Lage sind Luftstickstoff zu fixieren und in - für andere Organismen verwertbaren - Stickstoff umzuwandeln und an die Umgebung abzugeben. Zusätzlich dazu wachsen terrestrische Cyanobakterien eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen was zu einer wünschenswerten Bodenstabilisierung und damit zum Schutz vor Bodenerosion sowie zur Förderung der Wasserspeicherung im Boden beitragen könnte.

Hierzu sollen stickstofffixierende Cyanobakterien, die aus der kühlgemäßigten Klimazone isoliert wurden, eingesetzt werden. Geeignete Stämme müssen die Stickstofffixierung räumlich durch die Ausbildung von Heterozysten vom Photosyntheseapparat getrennt haben und den bioverfügbaren Stickstoff an die Umgebung abgeben. Co-Kultivierungen von Cyanobakterien mit Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) sowie Triticum aestivum (Weizen) sollen zeigen, ob eine künstlich induzierte Symbiose möglich ist. Neben der Agrarpflanze Weizen wurde A. thaliana ausgewählt, da es sich hierbei um eine schnellwachsende und gut charakterisierte Modellpflanze handelt und sie zur selben Familie wie die Nutzpflanzen Kohl, Brokkoli und Meerrettich zählt. Zur Ausbringung der Biofilme in die Agrarwirtschaft sollen diese auf einem biologisch abbaubaren Trägermaterial immobilisiert werden. Hierfür soll ein Aerosolreaktor konzipiert und charakterisiert sowie ein Animpf- und Ernteverfahren etabliert werden. Zusätzlich dazu soll der Wasserrückhalt der Biofilme durch Variation der Prozessparameter optimiert werden. Abschließend soll die Co-Kultivierung von immobilisierten Cyanobakterien auf dem Trägermaterial und Pflanzen in Pflanzsubstraten in Abhängigkeit der Temperatur untersucht werden. Hier soll die Frage beantwortet werden, ob ein periodisches Ausbringen der Cyanobakterien notwendig ist, oder ob eine dauerhafte Implementierung von Biofilmen im Boden möglich ist.

Einsatz  von  phototrophen  Biofilmen  im  Agrarsektor  zur  Verbesserung  des  Pflanzenwachstums; Deutsche Forschungsgemeinschaft; STR 1650/1 - 1

StatusLaufendes Vorhaben
FördermittelgeberDeutsche Forschungsgemeinschaft
Förderzeitraum07/2021 - 06/2025
Fördernummer

STR1650/1-1

Mitarbeiter:innenM. Sc. Jonas Kollmen

Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

2023

2022

  • J. Kollmen and D. Strieth, The Beneficial Effects of Cyanobacterial Co-Culture on Plant Growth, Life2022, 12(2), 223; https://doi.org/10.3390/life12020223
  • Witthohn, M., Strieth, D., Kollmen, J., Schwarz, A., Ulber, R., Muffler, K. (2022). Process Technologies of Cyanobacteria. In: Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/10_2022_214

2021

  • D. Strieth, A. Weber, J. Robert, J. Stiefelmaier, J. Kollmen, M. Volkmar, M. Lakatos, V. Jordan, K. Muffler, R. ulber (2021); Characterization of an aerosol-based photobioreactor for cultivation of phototrophic biofilms, J. of Life https://doi.org/10.3390/life11101046

Vorträge

2023

  • D. Strieth, J. Kollmen, J. Stiefelmaier; Aerosol-based Photobioreactors - A new generation of photobioreactors for the cultivation of phototrophic biofilms (2023); International Conference on Algal Biomass, Biofuels & Bioproducts; Waikoloa Beach, Hawaii, USA
  • J. Kollmen, R. Mofrad, D. Strieth; A new aerosol-based PBR for the cultivation of cyanobacteria on Luffa (2023); AlgaEurope; Prag; Tschechien

2022

  • J. Kollmen, R. Mofrad, S. Di Nonno, D. Strieth; Luffa - die optimale Lösung als biologisch abbaubarer Aufwuchskörper für terrestrische Cyanobakterien; 13. Bundesalgenstammtisch, Frankfurt am Main, Deutschland
  • D. Strieth, J. Stiefelmaier, J. Kollmen, N. Erdmann, A . Mehring; Phototrophe Biofilme: Invasive und nicht-invasive Methoden zur Charakterisierung; 13. Bundesalgenstammtisch, Frankfurt, Deutschland
  • D. Strieth, J. Kollmen, N. Erdmann: Phototrophic biofilms: Invasive andnon-invasive tools for characterization; (Bio)Process Engineering – a Key to Sustainable Development (2022), Aachen, Germany
  • J. Kollmen, R. Mofrad, S. Di Nonno, D. Strieth; Luffa – the optimal biodegradable carrier for the adherent cultivation of terrestrial cyanobacteria?; (Bio)Process Engineering – a Key to Sustainable Development (2022); Aachen, Deutschland
  • J. Kollmen, M. Faul, D. Strieth, Influence of phototrophic biofilms on plant growth promoting properties of soil; Biofilms 10 (2022); Leipzig, Deutschland
  • D. Strieth, J. Stiefelmaier, J. Kollmen, N. Erdmann, A. Mehring; Comprehensive characterization of phototrophic biofilms; Biofilms 10 (2022); Leipzig, Deutschland

2021

  • D. Strieth, J. Stiefelmaier, S. Di Nonno, J. Kollmen, R. Ulber; Diazotrophic terrestrial cyanobacteria as nitrogen supplier for Arabidospsis thaliana, Himmelfahrtstagung on Bioprocess Engineering 2021 - New Bioprocesses, New Products (2021), Digital

Poster

2023

  • D. Strieth, M. Faul, J. Kollmen; Does the Age of Pre-culture influence the main Culture? (2023); AlgaEurope Prag, Tschechien
  • D. Strieth, J. Kollmen; Comprehensive characterization and analysis of phototrophic biofilms (2023); International Conference on Algal Biomass, Biofuels & Bioproducts; Waikoloa Beach, Hawaii, USA
  • J. Kollmen, K. Wastian, D. Strieth; Effects of cyanobacterial inoculation on wheat cultivation (2023); International Conference on Algal Biomass, Biofuels & Bioproducts; Waikoloa Beach, Hawaii, USA
  • J. Kollmen, R. Mofrad, D. Strieth; Adherent cultivation of cyanobacteria on luffa (2023); International Conference on Algal Biomass, Biofuels & Bioproducts; Waikoloa Beach, Hawaii, USA
  • J. Kollmen, K. Wastian, D. Strieth; Influence of phototrophic biofilms on nutrient availability in soil; InterPore 2023; Edinburgh, Schottland

2022

  • D. Strieth, J. Stiefelmaier, J. Kollmen, N. Erdmann, A . Mehring; Phototrophe Biofilme: Invasive und nicht-invasive Methoden zur Charakterisierung; 13. Bundesalgenstammtisch, Frankfurt, Deutschland
  • J. Kollmen, M. Faul, D. Strieth; Use of phototrophic biofilms to improve plant growth; Himmelfahrtstagung on Bioprocess Engineering (2022); Mainz, Deutschland
  • J. Kollmen, D. Strieth; Cyanobacteria as a natural alternative to artificial fertilizers; 5th Young Researchers Symposium (2022); Kaiserslautern, Deutschland