Querschnittsverbund: Nachhaltige Bioökonomie

Leuchtturmprojekte

Hier stellen wir Ihnen die Leuchtturmprojekte des Querschnitssverbunds "Nachhaltige Bioökonomie" vor.

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  „ASHES“-Projekt

  Das Projekt „ASHES - Rückführung von Nährstoffen aus Aschen von thermo-chemischen Prozessen mit Bagasse bzw. Bagassestroh“ wird vom Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg koordiniert und ist auf drei Jahre Laufzeit mit Beginn am 1. April 2015 ausgelegt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt mit zwei Millionen Euro, in dem das IBG-2 das Teilvorhaben „Untersuchungen zur Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen in modifizierten Aschen und Schlacken“ bearbeitet.

  Erkenntnisse zur Düngewirkung unterschiedlicher Bagasse-Aschen auf das Pflanzenwachstum sollen Anwendungsempfehlungen zur gezielten und integrierten Behandlung/Verbrennung der Bagasse liefern. Informationen zur Pflanzenverfügbarkeit von Nährstoffen in den Aschen können zur Reduktion energieaufwendiger Mineraldünger führen und somit eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft unterstützen. Untersuchungen zu Pflanzen-Boden-Interaktionen bei unterschiedlichen Asche-Applikationen dienen einem erweiterten Prozessverständnis, woraus sich landwirtschaftliche Applikationsoptionen unterschiedlicher Aschen ableiten lassen. Bei der Erforschung der Pflanzen kommen diverse Phänotypisierungstechnologien zur nichtinvasiven Untersuchung zum Einsatz, die in diesem Kontext weiter entwickelt werden. Somit liegen die Hauptaktivitäten des Projektpartners FZJ/IBG-2 im Teilvorhaben 4 des „Ashes“-Projektes in der wissenschaftlichen Verwertung der Ergebnisse.

  Im Rahmen des Projektes soll insbesondere die Düngerwirkung der modifizierten Aschen auf landwirtschaftlich bedeutende Zielpflanzen (Mais, Soja, Zuckerrohr) untersucht werden.

  Über die Deutsch-Brasilianische Kooperation LABEX (zusammen mit EMBRAPA – Nationales Landwirtschaftliches Forschungsinstitut in Brasilien), die am IBG-2 institutionell verankert ist, wird der Anschluss an die landwirtschaftliche Forschung und die direkte Übertragung der Ergebnisse des Projektes nach Brasilien sichergestellt. Ebenfalls ließen sich die Verfahren zur Modifikation von Aschen zur Nutzung als Düngemittel auf den heimischen Markt übertragen. Anfallende Aschen, basierend auf nachwachsenden Rohstoffen (z.B. Holz von Kurzumtriebsplantagen aus Biomasseheizungen) ließen sich für den heimischen Markt modifizieren und als Wirtschaftsdünger in den landwirtschaftlichen Nährstoffkreislauf rückführen.

  Durch den intensiven Austausch von Wissenschaftlern im Projekt, sollen Folge-Projekte zum Thema Reststoffnutzung in der Landwirtschaft, bzw. im Pflanzenbau früh erkannt und erarbeitet werden. Die Erkenntnisse des „Ashes“-Projektes geben wichtige Voraussetzungen für zukünftige Projekte zum Thema Reststoffverwertung im Sinne der nachhaltigen Produktion von Pflanzenbiomasse und des Ressourcenschutzes und Entwicklung neuartiger biobasierter Produkte im Zeichen der internationalen Bioökonomie.

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  AUFWIND – Algen zu Biokerosin

  Algen statt Erdöl – das soll für den Flugtreibstoff der Zukunft gelten. Jülicher Forscher untersuchen in dem Verbundprojekt AUFWIND mit 12 Partnern aus Forschung und Industrie, inwieweit sich Biomasse aus Mikroalgen als Basis für die Herstellung von Kerosin eignet. Zentrale Fragen sind dabei die wirtschaftliche und ökologische Umsetzbarkeit des Prozesses. In absehbarerer Zukunft wird die Luftfahrtindustrie auf die Verwendung von flüssigen Treibstoffen für Triebwerke angewiesen sein. Alternative Antriebskonzepte wie in der Automobilindustrie sind nicht in Sicht.

  Fokus des Projektes liegen dabei auf optimale Systeme zur Algenproduktion (1), beste Aufschluss- und Extraktionsverfahren (2), optimale Konversion und Raffinierung (3), Identifizierung und Analyse der Nebenprodukte (4) sowie eine übergreifende Systemanalyse mit ökonomischer und ökologischer Betrachtung (5).

  Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert das Vorhaben mit über 6 Mio. Euro über seinen Projektträger, die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR).

  AUFWIND kultiviert auf 1.500m² Algen in Jülich. Drei geschlossene Photobioreaktoren (PBR) mit je 500m² ermöglichen den Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Algenkultivierung. Das Projekt ist derzeit die größte deutsche Forschungsanlage zur Erzeugung von Algentreibstoff. Dies ist ein erster Schritt aus dem Labor hin zu einer kommerziellen Produktion von Algen-Treibstoff.

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  Bioeconomy Science Center (BioSC)

  Die Integration von Wissen über biologische Systeme für eine nachhaltige Produktion von nachwachsenden Rohstoffen und deren Nutzung als Nahrungs- und Futtermittel, Materialien und Energiequelle ist ein essentielles und wachsendes Forschungsfeld für eine integrierte und nachhaltige Bioökonomie. Daher haben die RWTH Aachen, die Universitäten Bonn und Düsseldorf und das Forschungszentrum Jülich basierend auf exzellente Kompetenzen in Bioökonomie-relevanten Forschungsfeldern in 2010 das Bioeconomy Science Center (BioSC) als Kompetenzzentrum für Bioökonomieforschung gegründet. Zurzeit arbeiten 60 Institute mit mehr als 1500 Mitarbeitern entlang eines integrierenden Konzepts und auf Basis einer gemeinsamen langfristigen Strategie zusammen.

  Die Zielsetzung des BioSC sind die synergistische Verknüpfung und Entwicklung wissenschaftlicher und technologischer Expertise und Technologieplattformen in der Biotechnologie, Bio- und Chemiewissenschaften, Pflanzen- und Agrowissenschaften, Ingenieurswissenschaften und der (Sozio-)Ökonomie. Die Expertisen im BioSC reichen hierbei von der nachhaltigen, ressourceneffizienten  Produktion von pflanzlicher Biomasse für Nahrungs-und Futtermittel als auch als nachwachsender Rohstoff, der molekularen und mikrobiellen Transformation von nachwachsenden Rohstoffen zu neuen Produkten (z.B. Feinchemikalien, Biomaterialien, Pharmaka, Enzyme, Proteine, Biokraftstoffe) in innovativen Prozessen (z.B. Bioraffinerie-Konzepte, Kaskadennutzung) unter Berücksichtigung des  ökonomischer Werts und sozio-ökonomischer Einflüsse für eine und der Bioökonomie. Zudem werden moderne Schlüsseltechnologien und Technologieplattformen vom Labor- zum Pilotmaßstab und zur Feldskala gemeinsam entwickelt und genutzt. Aus- und Weiterbildung in verschiedenen Disziplinen und Forschungsschwerpunkte des BioSC und deren disziplinübergreifende Verknüpfung im systemischen Ansatz einer integrierten Bioökonomie sind weitere Kernelemente des BioSC.

  Die Entwicklung innovativer und integrierter Konzepte auf verschiedenen Skalen entlang ganzer Wertschöpfungsketten ist ein weiteres Kernelement des BioSC. Wissensschaftler des BioSC arbeiten derzeit in mehr als 40 Projekten zu Themen der integrierten Bioökonomie in unterschiedlichen Entwicklungsstufen zusammen, die durch das NRW-Strategieprojekt BioSC gefördert werden – einem langfristigem Förderprojekt des Landes Nordrhein-Westfalen.

  Das BioSC ist zudem ein regionaler Knotenpunkt für nationale und internationale Kooperationen mit zum Beispiel der Helmholtz-Gemeinschaft, Europäischen Technologie Plattformen und Netzwerkprojekten mit Industrie, um den Transfer von Wissen zum Markt und den Dialog mit der Gesellschaft zu stärken.

  Das BioSC ist das größte regionale Bioökonomiecluster im Helmholtz-Querschnittsverbund „Nachhaltige Bioökonomie“, welches von der BioSC-Geschäftsstelle am Forschungszentrum Jülich koordiniert wird. Professor Ulrich Schurr ist derzeit Sprecher des Geschäftsführenden Direktoriums des BioSC.

  Weitere Informationen zum BioSC sind erhältlich über www.biosc.de

  Kontakt:

  Prof. Ulrich Schurr, IBG-2: Plant Sciences, FZJ, Email: u.schurr(at)fz-juelich.de
  Dr. Heike Slusarczyk, Geschäftsstelle BioSC, c/o IBG-2, FZJ, Email: h.slusarczyk(at)fz-juelich.de

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  Das Deutsche Pflanzen-Phänotypisierungsnetzwerk (DPPN)

  Seit Oktober 2012 werden im Rahmen des Deutschen Pflanzenphänotypisierungsnetzwerks (DPPN) neue Technologien und Technologieplattformen für die Pflanzenforschung und Züchtung entwickelt und bereitgestellt. Im Rahmen dieses Netzwerks, das bis September 2017 vom BMBF mit insgesamt ca. 34 Mio. Euro gefördert wird,  kooperieren die drei wichtigsten Forschungszentren in Deutschland auf diesem Gebiet: das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben und das Helmholtz-Zentrum München (HMGU).  

  Ziel ist es, Methoden zu konzipieren und zu verbessern, um die strukturellen und physiologischen Eigenschaften von Pflanzen für die Pflanzenforschung und die praktische Pflanzenzüchtung quantitativ erfassen. Die Partner werden dazu überwiegend neuartige, nicht invasive Methoden entwickeln und einsetzen, um zum Beispiel die Größe und Gestalt, die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegenüber Stress oder die Konzentrationen wichtiger Inhaltsstoffe zu bestimmen.

  In DPPN wird systematisch ein Methodenportfolio entwickelt und etabliert, um die wesentlichen Struktur- und Funktionsmerkmale von Pflanzen zu vermessen. Damit werden Mechanismen der Anpassung von Pflanzen an Stress und Umweltveränderungen identifiziert, die ein Schlüssel für die nachhaltige Pflanzenproduktion in der Zukunft sind. Hier werden neuartige und große automatisierte Anlagen mit höherem Durchsatz entwickelt und verfügbar gemacht, in denen Nutzpflanzen auf relevante Eigenschaften getestet werden können. Ein Schwerpunkt liegt auch auf der Verbesserung der Optionen für die Phänotypisierung im Freiland mit verbesserten und neu entwickelten Mess – und Fluggeräten für einen kombinierten Einsatz verschiedener Sensoren und Kameras.

  Durch die Bereitstellung von Methoden für eine verbesserte und erhöhte Pflanzenproduktion leistet DPPN einem potenziellen Beitrag für die weltweite Sicherstellung der Nahrungsmittelproduktion, eine  sichere und gesunde Nahrungsmittelversorgung und die Gewinnung qualitativ hochwertiger Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen im Sinne der Zielsetzung für eine nachhaltige Bioökonomie. DPPN liefert wichtige Impulse für die effiziente Landnutzung und für Ertragssteigerungen bei Nutzpflanzen um die Bedürfnisse  einer rasant zunehmenden Weltbevölkerung  zu sichern.

  Neben der Entwicklung dieser Technologien liegt die wesentliche Zielsetzung von DPPN in deren Bereitstellung für potenzielle Nutzer. Dies sind neben Forschern insbesondere auch Züchter und Industriepartner aus Deutschland, aber auch aus Europa und aller Welt. Hierzu findet im Rahmen des Projektes ein intensiver Austausch mit allen relevanten Nutzergruppen statt, um sicherzustellen, dass die Entwicklung der Technologien auch bedarfs- und nutzergerecht erfolgt. Das DPPN übernimmt damit eine wichtige Funktion als Infrastrukturplattform für die nachhaltige Bioökonomie.

  Alle Partner bringen neben ihrer Methodenkompetenz auch eine entsprechende wissenschaftliche Expertise ein. Die drei Partner ergänzen sich in ihrer Expertise: hinsichtlich der technologischen Kompetenzen bei der Entwicklung neuer Methoden und bezüglich der Anwendung auf abiotischen oder biotischen Stress oder in der Analyse der genetischen Vielfalt von Nutzpflanzen.

  • FZJ bringt in das DPPN insbesondere seine spezielle  breite technische Expertise in der Entwicklung von Methoden, Automatisierung, Robotik und Bildanalyse ein. Diese umfassende technologische Kompetenz wird kombiniert mit physiologischem Know-how ermöglicht es, Pflanzenphänotypisierung auf höchstem wissenschaftlichen Niveau zu betreiben und gleichzeitig relevant für die Praxis anzuwenden.

  • Am IPK werden Beziehungen zwischen den genetischen und phänotypischen Eigenschaften der von Nutzpflanzen aufgedeckt und detailliert untersucht. Das IPK verfügt mit der Ex-situ-Genbank für landwirtschaftliche und gartenbauliche Kulturpflanzen über einen immensen Vorrat an Variabilitäten unterschiedlichster Nutzpflanzen.

  • Das HMGU verfügt über eine hohe Expertise im Bereich der Umweltsimulation und der Aufklärung von Anpassungsmechanismen von Nutzpflanzen. Hier werden Konzepte und Technologien entwickelt, um die Grundlagen und Mechanismen der Interaktion zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt und Abwehrmechanismen bei pathogenem Befall besser zu verstehen.

  Alle Partner verfügen über eine ausgewiesene Kompetenz im Bereich der BioInformatik, die in ein integriertes Konzept für die Datenselektion, Speicherung und insbesondere Auswertung (ggf. in Kombination mit Umwelt oder –omics-Daten aus anderen Datenbanken) einfließt. So kann auch die Datenanalyse an den Nutzerbedarf angepasst werden.  Die Datenanalyse ist eine wesentliche Komponente des Methodenportfolios von DPPN.

  Weitere Informationen zu DPPN sind erhältlich über www.dppn.de

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  Sonnen-induzierte Fluoreszenz – ein Stressindikator vom Blatt bis zum Satelliten – FLEX

  Im Rahmen von verschiedenen Projektförderungen werden am IBG-2 des Forschungszentrum Jülich die methodischen und wissenschaftlichen Grundlagen zur Quantifizierung und Interpretation der sonnen-induzierten Fluoreszenz gelegt. Diese Aktivitäten wurden in den Jahren 2009 bis heute durch die Europäische Raumfahrtorganisation (ESA) durch 8 Projekte (FLEX Consolidation Study, FLEX PARCS, Sen2FLEX, FLEX-EU; FLEX-US, FLEX Bridge, FLEX Photosynthesis Study und HYPER) in einem Gesamtvolmen von über 1 Mill. € gefördert. Zusätzlich wurde der Flugzeugsensor HyPlant durch die HGF mit 800 000€ im Rahmen des Investitionsfonds gefördert.

  Hintergrund: Was ist sonnen-induzierte Fluoreszenz

  Die Photosynthese ist der Ausgangspunkt jeglicher Bildung von Biomasse und gleichzeitig ein sehr empfindlicher Indikator über Stresszustände von Pflanzen. Die Fluoreszenz ist ein schwaches rotes Leuchten, welches während der Photosynthese abgegeben wird. Die Intensität des Fluoreszenzlichtes ist direkt proportional der Intensität der Photosynthese, Stress verändert die Fluoreszenzemission. Damit stellt das Fluoreszenzsignal eine direkte Messgröße für die aktuelle Photosyntheseleistung dar.

  Zur Zeit existieren eine Reihe von Messverfahren, die geeignet sind das Fluoreszenzsignal auf der Ebene einzelner Blätter zu erfassen und dadurch die Effizienz der Photosynthese abzuschätzen. Allerdings gibt es kein Verfahren, mit dem man Photosynthese von ganzen Beständen oder Regionen über Fernerkundungsverfahren erfassen kann. Solch eine großflächige Kartierung der tatsächlichen Photosyntheseleistung der Vegetation wäre aber im Zusammenhang einer nachhaltigen pflanzenproduktionsbasierten Ökonomie essentiell, um frühzeitig Stressereignisse zu erkennen und Ertragsprognosen zu verbessern.

  Das IBG-2 am Forschungszentrum Jülich ist seit Jahren führend

  • Neue Verfahren zur berührungsfreien Erfassung der Fluoreszenz zu entwickeln
  • Diese Verfahren für die großflächige Kartierung von landwirtschaftlichen Beständen zu optimieren
  • Ein besseres wissenschaftliches Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Vegetationsstress und Fluoreszenzemission zu entwickeln

  Hierzu betreibt das IBG-2 einen neuartigen, flugzeuggestützten Sensor (HyPlant), der gemeinsam mit der Euröpäischen Raumfahrtorganisation (ESA) entwickelt wurde.

  Die FLEX Satellitenmission

  Die Aktivitäten des IBG-2 sind eng verbunden mit den Vorbereitungen der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) einen Fluoreszenzsatelliten (FLEX) zu entwickeln. FLEX (Fluoreszenz Explorer) ist eine geplante Satellitenmission, die die Fluoreszenz der Vegetation global mit einer räumlichen Auflösung von 300 Metern erfassen soll (eine globale Karte alle 20 Tage). Hierzu wird die sonnenlicht-induzierte Fluoreszenz in den Fraunhofer-Linien und damit unabhängig von der Absorption in der Atmosphäre erfasst wird. Damit ist dieser Messansatz klar anderen Fernerkundungsansätzen, bei denen lediglich die Grünheit (Konzentration des Chlorophylls) der Vegetation gemessen wird, weit überlegen, weil Grünheit nur wenig Aussagekraft über die physiologische Leistung der Photosynthese hat.

  Die FLEX Satellitenmission hat nach etwa 10 Jahren Vorbereitung (von Beginn an mit Beteiligung des IBG-2) einen hohen technischen Reifegrad erreicht. Der vom IBG-2 entwickelte Sensor HyPlant ist der Flugzeug Demonstrator für diese Mission. Basierend auf Untersuchungen der Satellitenhersteller und der erfolgreichen Flugkampagnen in Deutschland, Italien, Frankreich, Tschechien, Finnland und den USA ist es technisch gesichert, dass eine Satellitenmission das Fluoreszenzsignal aufnehmen kann. Wir konnten zeigen, dass das Fluoreszenzsignal in landwirtschaftlichen Beständen frühzeitig Limitierungen der Primärproduktion erkennen kann, die sowohl für eine Resourcen optimierte Bestandessteuerung genutzt werden können, als auch die Vorhersage von Biomasseproduktion unterstützt.

  Damit tragen diese Projekte zu den strategischen Zielen des Querschnittverbunds bei. Die operationelle, quantitative Erfassung der sonnen-induzierten Fluoreszenz ist eine neuartige Schlüsseltechnologie, die hilft Methoden der Biomasseproduktion auf Boden, Wasser und Landschaft zu testen und Optionen für die nachhaltige Bestimmung von Öko- und Landnutzungssystemen zu entwickeln. Die methodischen und wissenschaftlichen Entwicklungen zum Verständnis der sonnen-induzierten Fluoreszenz stellen eine einzigartige neuartige Technologie zur Verfügung, die bei erfolgreicher Evaluierung (im September 2015) im Rahmen des Earth Explorer 8 Programms der ESA zu einer Satellitenmission führen wird, die ab 2022 eine globale Erfassung der sonnen-induzierten Fluoreszenz ermöglichen wird.

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  PURESBio - Prozessverständnis und Nutzung von Pflanzenrückständen für eine nachhaltige Produktion von Pflanzenbiomasse

  Das Projekt “PURESBio - Prozessverständnis und Nutzung von Pflanzenrückständen für eine nachhaltige Produktion von Pflanzenbiomasse“ ist ein vom BMBF seit dem 01.09.2014 gefördertes Projekt mit einer Laufzeit von drei Jahren.

  Um die Ernährungssicherheit unter Beachtung der Nachhaltigkeitsziele dauerhaft zu sichern sind optimierte agrarische Nutzungssysteme unabdingbar. Durch den steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln und Energie ist dies in Gebieten mit hohem Produktionspotential – wie beispielsweise Brasilien – von besonderer Bedeutung. Damit Produktionswachstum nicht zu Lasten der natürlichen Ressourcen erfolgt, ist eine rechtzeitige Etablierung von nachhaltigen Landnutzungsformen angezeigt. Dazu gehören eine ressourcenschonende und umweltverträgliche Produktion sowie die Nutzung moderner Anbautechnologien, möglichst geschlossene Nährstoffkreisläufe aber auch die Aktivierung regionaler Märkte und Warenströme. Diesen Herausforderungen stellt sich das Projekt „PURESBio“ im Rahmen der „Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030 – Bioökonomie International“, in Kooperation mit Brasilianischen Projektpartnern.

  In Brasilien wurden 2011 mehr als 9,6 Millionen Hektar mit Zuckerrohr bepflanzt, mit einer genutzten Gesamternte von mehr als 493 Millionen Tonnen in 2012 allein in Süd-Zentral Brasilien; gut die Hälfte davon wurde für die Ethanol-Produktion verwendet. Die Mengen der im Produktionsprozess anfallenden Rückstände sind dabei enorm: pro Liter Ethanol fallen 5 Liter Vinasse, pro Tonne Zuckerrohr ca. 30 kg Presskuchen, und pro Hektar Zuckerrohrfläche 15 Tonnen Blattwerk an. Die Nutzung dieser Rückstände aus der Zuckerrohrindustrie ist somit ökonomisch und energetisch interessant. Gestiegene Preise und der hohe Energieverbrauch für die Produktion von Mineraldünger unterstützen die Idee zur Rückführung von Pflanzennährstoffen aus organischen Rückständen in den Boden als Beitrag zur Schließung des Nährstoffkreislaufes. Dabei spielen Phosphor (P) als limitierte Ressource und die Verarmung der Böden an Kohlenstoff (C) und anderen Nährstoffen eine besondere Rolle. Die Rückführung von P- und C-Verbindungen als Bestandteile pflanzlicher Rückstände ist für die Entwicklung nachhaltiger Wirtschaftsformen im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft besonders wichtig.

  Im vorliegenden Forschungsvorhaben PURESBio soll das Potenzial der Verwertung organischer Reststoffe aus der landwirtschaftlichen Produktion für die Aufwertung von landwirtschaftlichen, insbesondere marginalen Standorten (d.h. ertragsschwachen, nährstoffarmen, mit geringem Humusanteil) zur Steigerung der Flächenproduktivität untersucht werden. Mit einer Gesamtfläche von 200 Millionen Hektar sind diese marginalen Böden in Brasilien stark verbreitet (z.B. in der landwirtschaftlich genutzten Savannenlandschaft in Zentral- und Nord-Ost Brasilien: „Campos cerrados“).

  Die Entwicklung von Biogasanlagen zur Nutzung landwirtschaftlicher Reststoffe gewinnt auch im Kooperationsland Brasilien eine zunehmende Bedeutung zur Energieproduktion. Dort wie in Deutschland ist die Nutzung und Verwertung der biogenen, landwirtschaftlichen Abfallstoffe aus der Energiepflanzenproduktion eine zentrale Frage. Im vorliegenden Projekt sollen Abfälle von der Bioethanol- und Zuckerherstellung (Zuckerrohr) auf brasilianischer Seite-, und Biogasproduktion (Mais, Energiegräser) auf deutscher Seite hinsichtlich ihrer Verwertbarkeit als Dünger geprüft werden. Zudem ist es erforderlich, Anbau- und Wirtschaftskreisläufe unter ganzheitlicher regionaler Betrachtung der Akteure, öffentlicher Unternehmen, der Landnutzung, Ressourceneffizienz und Stoffflüsse zu analysieren und zu optimieren.