Sustainable food production depends on the recovery of water, energy, and nutrients from waste streams within existing supply chains. Greenhouse hydroponic systems (HYP) and recirculating aquaculture systems (RAS) are two intensive food production systems that in combined production as an aquaponics system (AP) can utilize fish wastes as fertilizers, while recycling water and energy to increase both systems' sustainability and efficiency. However, despite significant environmental benefits, such systems current infrastructure costs limit widespread application. Implementing relevant technology for such resource-efficient systems requires designs that can optimize performance. AquapnicsOpti contributes to innovative, decarbonized, and resource-efficient food production systems by improving nutrient reuse, increasing energy efficiency and reducing fossil fuel dependence, reducing freshwater needs, and developing scalable models for improving microbial relationships for fish and plant health. In direct collaboration with stakeholders, we will analyze design aspects, business models and consumer preferences, while also carefully examining barriers and economic challenges of AP facilities in different countries. The consortium will take a holistic approach in the context of agroecology to evaluate AP operations in diverse geo-climatic zones and document how adaptations of their technologies and practices can better support local and regional food production. Relevant technology for such resource-efficient systems requires designs that explore and quantify multifactor interactions of biological components to maintain or enhance productivity beyond the capabilities of current AP systems. Scientific testing of microbial digester designs aims to maximise decomposition of fish wastes and provide plant crops with essential nutrients in bioavailable forms. Development and integration of smart biosensors to automatically collect water quality data and automate systems will facilitate operational monitoring and controls that are currently labour-intensive and not always timely. Design innovations will consider existing fish-plant AP pairs but evaluate and test the potential of other culturally acceptable species that would have production and marketing appeal. Simulations of operational conditions will be used to compare and contrast situational variables for AP stakeholder operators to consider, and for design engineers to optimise before modifications are implemented. Integral to this research, we will analyze a broad range of quantitative and qualitative data about stakeholder attitudes, regulatory policies and socio-economic conditions within the diverse geo-climatic zones represented among our project partners. Six research work packages (WP) emphasise integration across disciplinary lines, and the seventh WP ensures that sustained communications among them results in interdisciplinary deliverables and dissemination.
Kartoffelpflanze und Kartoffelkäfer dienen in dieser Arbeit als Modellsystem für die chemische Ökologie der Nutzpflanzen - Insekten - Wechselwirkung mit ihrerseits weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten für den praktischen Pflanzenschutz. Die Belastung von Kartoffelpflanzen hat großen Einfluß auf Zusammensetzung sowie Intensität der pflanzlichen Emissionen ('Volatilenmuster'). Das Differenzierungsvermögen der Kartoffelpflanzen zeigt eine deutliche Gruppierung in Reaktionen auf mechanisch/thermische Belastung, Käferfraß und oxidative Belastung/Infektion durch Mikroorganismen. Die elektrophysiologische Untersuchung der olfaktorischen Wahrnehmbarkeit von Komponenten unterschiedlicher Volatilenmuster durch den Kartoffelkäfer erlaubt es, ein hohes Differenzierungsvermögen des Kartoffelkäfers für Belastungzustände der Wirtspflanze festzustellen. Das beobachtete Wirtspflanzenfindungs- und Auswahlverhalten von Kartoffelkäfern läßt sich mit einem auf drei verschiedenen 'Distanzregimen' basierenden Modell befriedigend beschreiben. Sowohl die Auswahl der Wirtspflanze als auch Ovipositions- und 'Brutpflege'-Verhalten können entscheidenden Einfluß auf die Entwicklung der Kartoffelkäfer nehmen, insbesondere unter ansonsten suboptimalen Bedingungen. Die technische Nutzung des Geruchssinns von Kartoffelkäfern in Form eines Biosensors zwecks räumlicher und zeitlicher Optimierung von Pflanzenschutzmaßnahmen wurde demonstriert.
Biologische Detoxifikation: Biologischer Abbau von Umweltschadstoffen (Aromaten) (Beginn: 1988); Biosorption von Schwermetallen (ab 1986); Entsorgung kontaminierter Boeden; Biosensoren zur Gewaesserkontrolle (ab 1988).
Veranlassung Es fehlen schnelle und vor allem feldtaugliche Methoden zur Detektion von PFAS in der Umwelt, um so zeitnah Maßnahmen zur Minderung von PFAS-Kontaminationen durchzuführen oder den Erfolg von Minderungsmaßnahmen zu beurteilen. Entsprechende Methoden können ebenso helfen, die Prozesssteuerung einer Abwasserbehandlung zur Entfernung von PFAS z. B. durch eine Aktivkohlebehandlung zu optimieren. Das Projekt PFASense hat sich zum Ziel gesetzt, eine solche Methode zu entwickeln. Hierzu werden Elektroden hergestellt, die a) entweder für eine spezifische Detektion perflourierter Verbindungen oberflächenmodifiziert sind und b) biologische Effekte, die durch perflourierte Verbindungen hervorgerufen werden können, mit mikrobiellen Bioreportern elektrochemisch erfassen. Mit den individuellen Signalen der einzelnen Elektroden wird eine KI trainiert und auf diese Weise ein Sensor-Array zur sensitiven Detektion der großen Stoffgruppe der perfluorierten Verbindungen in Umweltproben entwickelt. Ziele - a. Design und Herstellung von molekular geprägten Membranen zur Anreicherung spezifischer PFAS. - b. Design und Herstellung elektrochemischer, bakterieller Biosensoren zur Detektion biologischer Effekte, die durch PFAS hervorgerufen werden. - c. Design und Herstellung elektrochemischer, hefebasierter Biosensoren zur Detektion einer Veränderung der Thyroid-Signalkaskade durch PFAS. - d. Design und Herstellung eines intelligenten elektrochemischen Sensors für die direkte chemische Detektion von PFAS mittels KI-gestützter Datenauswertung. - e. Konstruktion eines mikrofluiden multi-Sensor-Arrays unter Nutzung der in a. bis d. entwickelten Komponenten. - f. Validierung und Eignungstestung des entwickelten Sensor-Arrays mittels Einzelsubstanzen, Substanzmischungen sowie dotierten und undotierten Realproben mit einem Fokus auf industriellen Abwässern. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer innovativen technologischen Lösung für die folgende Fragestellung: Wie kann man zeitnah Informationen über die Qualität von z. B. Abwässern erhalten, ohne auf verzögert zur Verfügung stehende, analytische Informationen aus einem Labor angewiesen zu sein? Dieser Bedarf an zeitnahen Informationen für eine Bewertung von Abwasser und Wasserproben kann perspektivisch mittels eines bio-elektrochemischen Sensorarrays gedeckt werden, der im Rahmen des Projekts für den Nachweis von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) entwickelt wird. PFAS werden in zahlreichen Produkten verwendet, darunter wässrige filmbildende Schäume für die Brandbekämpfung, antihaftbeschichtetes Kochgeschirr, Lebensmittelverpackungen, wasserabweisende Stoffe, medizinische Geräte, Kunststoffe und Lederprodukte. PFAS werden jedoch mit verschiedenen, toxikologisch relevanten Effekten in Verbindung gebracht, wie mit veränderten Immun- und Schilddrüsenfunktionen, Leber- und Nierenerkrankungen, Lipid- und Insulinstörungen, Fortpflanzungs- und Entwicklungsstörungen oder auch der Krebsentstehung. Als unmittelbare Folge dieser Gesundheitsrisiken hat die Europäische Kommission einen Vorschlag zur Überarbeitung der Liste der prioritären Stoffe in Oberflächengewässern angenommen, unter denen 24 Verbindungen zur Gruppe der PFAS gehören.
Once widespread across European coasts, the native flat oyster Ostrea edulis has now disappeared from most of its historical range and is officially recognized as threatened. As a key ecological engineer, this species supports biodiversity by filtering water, stabilizing sediments, and providing complex reef habitats. Understanding and evaluating its behavior and biological rhythms in a natural environment before reintroduction, and how it responds to natural geophysical cycles, is essential to support effective restoration strategies. However, current knowledge on O. edulis remains limited, with most studies focusing primarily on reproduction under aquaculture or laboratory conditions. To help fill this gap, we conducted a 18-month in situ study to assess the valve behavior of Ostrea edulis in the field. The experiment took place at the Margate site (54.19°, 7.88°) near the island of Helgoland (Germany) from the 11th of March 2023 to the 31st of August 2024. The experimental setup consisted of 16 oysters disposed on individual cages in a customized oyster basket placed on a lander, a metallic structure immersed at 10m depth. Their valve behavior was continuously measured during 18 months using a High-Frequency Non-Invasive (HFNI) valvometer biosensor (Tran et al. 2023; Le Moal et al. 2023 for further details). Briefly, a pair of lightweight electrodes (<100 mg) was glued on each half-shell of each oyster and was linked to the HFNI valvometer by a flexible wire, allowing undisturbed oyster valve movement. An electromagnetic field was generated between the electrodes, allowing the measurement of the distance between each oyster's valve in continuous mode. In addition to the oyster behavior, environmental parameters were continuously measured underwater by the HFNI valvometer biosensor during the experiment, such as temperature and sound pressure magnitude. This compilation of datasets gives an overview of environmental parameters and behavioral data collected during this experiment.
Genetisch programmierbare Engineered Living Materials/ELM haben mit dem Aufkommen der Ära der Synthetischen Biologie an Dynamik gewonnen. Endosporen von Bacillus subtilis bergen großes Potenzial für ELM, da sie eine zweite Schicht zur Implementierung von Funktionalitäten darstellen, die genetisch programmiert werden können. Unter Nährstoffmangel bildet B. subtilis hochresistente Sporen, die die DNA durch den Zellwandkortex und drei Proteinschichten schützen. Durch die translationale Fusion eines Gens von Interesse mit einem Gen, das ein geeignetes Ankerprotein kodiert, können die Zielproteine immobilisiert werden. Die resultierenden SporoBeads bleiben lange Zeit stabil, können aber nach der Induktion innerhalb von Stunden keimen. Im Rahmen dieses SPP werden wir das SporoBead-Konzept mit dem Bioprinting kombinieren, um funktionalisierte Endosporen in Materalien zu integrieren, die induzierende Faktoren für adaptive Funktionen enthalten. Wir werden Protokolle sowie Polymer- und Kompositmaterialien entwickeln, die eine Kontrolle sowohl der Sporenbildung als auch der Keimung ermöglichen. Anschließend kombinieren wir die auf der Sporenoberfläche präsentierte Aktivität mit einer zweiten, die nach der Keimung exprimiert wird, und erzeugen so zwei Funktionen, die geschaltet werden können. Verschiedene Bioprinting-Technologien (Extrusion, Kern-Mantel und Drop-on-Demand) werden es uns ermöglichen, diese Sporen in mehreren Anordnungen zu positionieren. Beide Partner werden ihre Technologien weiterentwickeln, um eine vielseitige SporoPrinting-Plattform sowie drei verschiedene Demonstratoren zu etablieren: (i) Als Machbarkeitsstudie soll ein ELM dienen, das die Fluoreszenz von Grün auf Rot umschaltet. Es basiert auf einem doppelt fluoreszierend markierten Stamm, der einen Fluorophor auf der Sporenoberfläche trägt und einen zweiten in vegetativen Zellen produziert. Dadurch wird die optische Beobachtung des Übergangs von der Spore zur vegetativen Zelle ermöglicht. Es werden Bioinks geeigneter Zusammensetzung sowie verschiedene Bioprinting-Strategien basierend auf Materialdesign und -morphologie erforscht, um den Übergang zwischen den verschiedenen Entwicklungsstadien zu steuern. Als nächstes werden wir (ii) die SporoPrinting-Plattform durch die Einführung der Streptomyceten erweitern, um Protokolle zu entwickeln, die die Kultivierung zweier verschiedener Gruppen von Organismen in einer genau definierten räumlich-zeitlichen Anordnung ermöglichen. Wir werden einen auf Antibiotika reagierenden Biosensoraufbau entwickeln, der es ermöglicht, potenzielle Streptomycetenproduzenten auf bestimmte Arten von Antibiotika zu untersuchen, basierend auf der spezifischen Induktion von B. subtilis-Biosensoren. Abschließend entwickeln wir (iii) ein ELM mit einem programmierbaren Dunkel-Hell-Muster, das auf einer auf SporoBeads-präsentierten Melanin-produzierenden in Kombination mit einer -entfärbenden Aktivität basiert, die von vegetativen Zellen exprimiert und abgesondert wird.
In diesem Projekt bündeln wir das Fachwissen der Gruppen Altintas (Materialwissenschaften, Biosensoren und 3D-Druck), Adrian (Metalloproteomik, Redoxenzyme, Organohalidatmung und Bioremediation) und Budisa (Synthetische Biologie und Xenobiologie). Unser Ziel ist die Entwicklung einer Plattformtechnologie für die Herstellung von "Engineered Living Materials with Adaptive Functions" (ELM) im Bereich der Sensortechnologie und Biokatalyse. Das Hauptziel im Bereich der Materialien ist die Etablierung eines innovativen Laserstrukturierungsverfahrens zur Herstellung von porösen leitfähigen Hydrogelen (PCH), das sowohl schnell als auch biokompatibel ist. Mit diesem Verfahren sollen durch lasergeschriebene Phasentrennung (LSPS) biologisch abbaubare, umweltstabile PCH hergestellt werden, die auch als Elektrodenmaterialien für die Anlagerung von Bakterien dienen und die Effizienz des Elektronentransfers verbessern. Die LSPS wird die Massenproduktion von PCH-basierten Elektrodenmaterialien erleichtern, indem sie mehrere Herstellungsprozesse in eine einzige Elektrodenvorbereitungsphase integriert. Das Hauptziel im Bereich der Biologie ist die Entwicklung von Zellen, die redoxaktive Metalloproteine auf der Zelloberfläche exprimieren und die Verbindung dieser redoxaktiven Metalloproteine über einen leitfähigen Linker mit der Materialoberfläche durch Click-Chemie. Dazu werden wir zuvor generierte E. coli-Zellen verwenden, die in der Lage sind, die nicht-kanonische Aminosäure L Azidohomoalanin zu synthetisieren und diese Aminosäure an der Position eines refunktionierten Stop-Codons einzubauen. Auf diese Weise können wir die Position definieren, an der ein Protein mit einer Oberfläche verbunden ist. In einem gemeinsamen Ansatz werden wir die entwickelten leitfähigen PCH, die Alkinreste für die Click-Chemie enthalten, mit den mikrobiellen Zellen zusammenbringen, die das reaktiven L-Azidohomoalanin an definierten Positionen auf der Oberfläche enthalten. Unser Ziel ist es, eine enge, elektronenleitende Bindung zu erreichen. Auf diese Weise wollen wir ein druckbares 3D-Material mit leitfähigen Adaptern für elektroaktive mikrobielle Zellen entwickeln. Die Zellen werden über das leitfähige Material durch den Elektronenfluss gesteuert und können mit Wachstum und Expression spezifischer Enzyme reagieren. Die Substratkonzentration und der Substratumsatz können gemessen werden. Der Anwendungsbereich ist breit gefächert, wir konzentrieren uns jedoch auf Anwendungen im Bereich der Umweltbiotechnologie.
| Origin | Count |
|---|---|
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| Type | Count |
|---|---|
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