Erforschung
von Systemen

Die Verwundbarkeit von Agrar- und Ernährungssystemen wird durch aktuelle Entwicklungen immer deutlicher: Klimawandel, Biodiversitätsverlust, Tierseuchen und geopolitische Spannungen stellen Produktion und Versorgung vor neue Herausforderungen. Forschende des Forschungsinstituts für Nutztierbiologie (FBN) und des Friedrich-Löffler-Instituts (FLI) arbeiten daran, diese Zusammenhänge besser zu verstehen – denn nur so lassen sich Agrar- und Ernährungssysteme gezielt widerstandsfähiger gestalten.

Die Nutztierhaltung spielt dabei eine zentrale Rolle. Sie erwirtschaftet in Deutschland mehr als 40 Prozent der landwirtschaftlichen Wertschöpfung. Gleichzeitig verändern sich die Erwartungen: Tierische Produkte bleiben gefragt, doch Ansprüche an Nachhaltigkeit, Tierwohl und Umweltverträglichkeit steigen.

Mehr als nur Lebensmittelproduktion

Ein Schlüssel liegt in einem veränderten Blick auf die Nutztierhaltung. Tiere sind nicht nur Lieferanten von Fleisch, Milch oder Eiern, sondern Teil komplexer Kreisläufe: Sie verwerten Nebenprodukte, die für den Menschen nicht nutzbar sind, machen Grünland produktiv und liefern organischen Dünger, der Nährstoffe zurück in den Boden bringt.

So verbinden sie verschiedene Bereiche des Systems – von der Pflanzenproduktion über die Bodengesundheit bis hin zur Biodiversität. Gleichzeitig wird deutlich, wie eng alles miteinander verknüpft ist: Veränderungen in der Ernährung wirken sich direkt auf Tierhaltung, Flächennutzung und Stoffströme aus.

Systeme neu denken

Vor diesem Hintergrund gewinnt die Idee systemischer Forschung an Bedeutung. Der Wissenschaftsrat empfiehlt, Agrar- und Ernährungssysteme künftig stärker interdisziplinär zu betrachten – etwa im Rahmen von Food Systems Research Hubs. Auch FBN und FLI bringen ihre Expertise in solche Ansätze ein und arbeiten daran, entsprechende Forschungsansätze weiterzuentwickeln.

Im Mittelpunkt steht dabei ein Leitgedanke: Nur wenn ökologische, ökonomische und gesundheitliche Aspekte als Teil eines vernetzten Systems gemeinsam gedacht werden, lassen sich Systeme entwickeln, die langfristig tragfähig sind.

Die Forschung bündelt sich in drei zentralen Themenfeldern: Tiergesundheit und Tierwohl, Versorgungssicherheit und Stabilität sowie Zirkularität und Ökosystemleistungen. Sie zeigen, dass Resilienz nicht an einer Stelle entsteht, sondern im Zusammenspiel vieler Faktoren. Wie eng diese zusammenhängen, wird besonders in Krisen sichtbar. Seuchen und krisenbedingte Lieferengpässe wirken sich direkt auf Betriebe, Märkte und Versorgungsketten aus. Ziel ist es daher, Risiken frühzeitig zu erkennen und Systeme so zu gestalten, dass sie Belastungen besser standhalten.

Kreisläufe als Schlüssel

Ein wichtiger Ansatzpunkt liegt in der stärkeren Nutzung von Neben- und Reststoffen sowie alternativen Futterquellen, etwa aus Insekten oder Mikroorganismen. Dadurch können Importabhängigkeiten reduziert und regionale Stoffkreisläufe gestärkt werden. Die Nutztierhaltung wird so Teil einer zirkulären Landwirtschaft, die Ressourcen effizient nutzt, Böden stabilisiert und zur Erhaltung von Biodiversität beiträgt.

Um diese Zusammenhänge greifbar zu machen, setzt die Forschung auf systemische Analysen, gemeinsame Datenstandards und moderne Auswertungsmethoden. Ziel ist es, Wechselwirkungen sichtbar zu machen und fundierte Entscheidungen für Politik, Praxis und Gesellschaft zu ermöglichen.

Klar ist: Die Weiterentwicklung nachhaltiger und resilienter Agrar- und Ernährungssystemen erfordert neue Formen der Zusammenarbeit. Forschung, Praxis und Politik müssen enger zusammenrücken, um tragfähige Lösungen zu entwickeln.

Klaus Wimmers, Vorstand des FBN, formuliert es so: „Nutztierhaltung ist Teil der Lösung – wenn sie verantwortungsvoll gestaltet wird: gegenüber dem Tier, wirksam für Umwelt und Gesundheit und resilient gegenüber Krisen.“

Sauerstoffmangel und seine Folgen

Sauerstoff ist essentiell für das Leben im Meer. Meerestiere und Mikroorganismen nutzen ihn für die Atmung, wobei organische Substanz abgebaut wird. Durch die starke Nährstoffbelastung der Ostsee und den geringen Wasseraustausch wird das Wachstum von Algen gefördert, und deren Abbau verbraucht mehr Sauerstoff als zur Verfügung steht. So kommt es in den tiefen Becken der Ostsee am Meeresgrund zu sauerstofffreien Bereichen, sogenannten Todeszonen. Um hier präzise Erkenntnisse zu erlangen, installierte das Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) in Küstennähe entsprechende Messsysteme.

Inwieweit sich diese Zonen in die flachen Küstenbereiche erstrecken, ist bisher wenig erforscht. Erst im vergangenen September wurde an den Stränden von Nienhagen, Warnemünde und Markgrafenheide eine Vielzahl toter Fische angespült. Vor Nienhagen hatte das IOW im Rahmen des S²B-Projektes bereits Messgeräte installiert, um biologische und physikalisch-chemische Variablen wie Sauerstoffgehalt, Temperatur, Salzgehalt und Trübung des Wassers zu messen.

Wassermassen aus tieferen Becken der Ostsee

Die Daten zeigten genau, wie sich die Sauerstoffkonzentration innerhalb nur weniger Stunden veränderte und am Meeresboden schließlich auf eine Sättigung von unter einem Prozent sank. Die Geräte verzeichneten einen Abfall der Temperatur und einen Anstieg im Salzgehalt, ein eindeutiger Hinweis auf eine andere Wassermasse. Demzufolge wurde das bodennahe Meerwasser vor Nienhagen von einer sauerstofffreien Wassermasse verdrängt, die aus größerer Tiefe stammte und sich ins flache küstennahe Wasser bewegt hatte.

Besondere Windverhältnisse führten schließlich zu einem Küstenauftriebsszenario und dazu, dass das Oberflächenwasser in die offene Ostsee gedrückt und durch sauerstoffarmes Tiefenwasser ersetzt wurde. Dies führte dazu, dass die Fische nicht mehr genug Sauerstoff für ihre Atmung zur Verfügung hatten, erstickten und schließlich an die Strände angespült wurden.

Relevanz für die gesamte Ostsee

Der Forschungsschwerpunkt S²B zielt auf ein tiefgreifendes Prozessverständnis in küstennahen Gewässern, die stark vom Menschen beeinflusst werden. So betreibt das IOW Messstationen im Rahmen des Monitorings und des neuen Schwerpunktes entlang der Ostseeküste, um Umweltparameter kontinuierlich über längere Zeiträume zu erfassen. Gerade in flachen küstennahen Gebieten können sich die Bedingungen sehr schnell verändern. Typischerweise treten hier keine permanenten, sondern nur kurzzeitige, wenige Stunden andauernde sauerstofffreie Wassermassen auf. Welche Folgen sie langfristig haben, ist unbekannt. Langzeitmessungen sind also essentiell.

Langfristig möchte die Wissenschaft die Veränderungen in küstennahen Systemen auch im Hinblick auf die Ausbreitung der Todeszonen besser verstehen.

Zurzeit erforscht das IOW, wie oft und mit welcher Intensität mit Ereignissen wie dem Fischsterben vom September 2025 zu rechnen ist.

Vertical Farming ist die Vision einer Landwirtschaft ohne Acker. Pflanzen wachsen in Etagen, kontrolliert von Sensoren und versorgt durch Hydroponik-Systeme mit nährstoffreicher Wasserlösung. Diese „vertikale Landwirtschaft“ bedeutet eine weitgehende Systematisierung der Natur, indem sie natürliche Prozesse und Ressourcen in einem strukturierten Umfeld optimiert. Doch wo Wärme und Feuchtigkeit herrschen, verbreiten sich schnell Keime und Pilze. Das INP in Greifswald integriert deshalb Plasma als intelligenten Regulator in diesen biologischen Kreislauf.

Sicherer Systemstart

Die Optimierung beginnt vor der Aussaat. „Ein stabiles System braucht einen sauberen Start“, erklärt Biologin Sabrine Bousselmi. Am Forschungsschwerpunkt Landwirtschaft, Bioökonomie, Umwelt setzt das Team auf plasmabehandeltes Saatgut. Das ionisierte Gas reinigt die Samen von Erregern und schließt Krankheiten frühzeitig aus. Zudem beschleunigt die Behandlung die Keimung, sodass die jungen Pflanzen schneller Fuß fassen.

Dünger und Hygiene

In einer 24 Quadratmeter großen Klimakammer sprießen in der Produktionshalle des INP bis zu 3.500 Basilikumpflanzen. Während die Wurzeln in einer Nährlösung stehen, arbeiten zwei Plasmaquellen im Wasserkreislauf. Die erste bindet Stickstoff aus der Luft im Wasser und ersetzt so energieintensiven Kunstdünger. Die zweite dient der Wasseraufbereitung. Sie erzeugt unter anderem Wasserstoffperoxid, das Bakterien und Pilze eliminiert. Da dieser Prozess direkt im Wasser geschieht und keine aggressiven Rückstände hinterlässt, ist er besonders pflanzenschonend. Pestizide sind in diesem System überflüssig.

Plasma schützt auch die gewachsene Pflanze. Ein spezieller Sprühnebel aus plasmabehandeltem Wasser fungiert wie ein Schutzschild auf den Blättern. Er beugt Schädlingen vor und fördert zudem die Stoffwechselprozesse der Pflanzen. Das Ergebnis ist ein gesundes Wachstum, gesteuert allein durch physikalische Impulse. Wöchentlich analysiert das Team Biomasse und Inhaltsstoffe, um das Zusammenspiel der Komponenten zu perfektionieren.

Skalierbare Forschung

„Plasma unterstützt das gesamte Vertical-Farming-System, vom Saatgut bis zur Ernte“, betont Physiker Jürgen Kolb, Forschungsschwerpunktleiter am INP. Was im Projekt „Physics for Food“ begann, ist heute eine offene Plattform für Forschung und Wirtschaft. Die entwickelten Technologien dienen dabei nicht nur der Optimierung von Vertical-Farming-Anlagen. Perspektivisch sollen sie auch in anderen Anbausystemen und der klassischen Feldwirtschaft zum Einsatz kommen.

Wenn über Andøya in Nordnorwegen Forschungsraketen starten, richtet sich der Blick der Atmosphärenforschung auf eine Region, die sich unseren alltäglichen Erfahrungen entzieht. In rund 50 bis 110 Kilometern Höhe liegen Mesosphäre und untere Thermosphäre. Hier entscheidet sich, wie Energie aus der unteren Atmosphäre in Form von Schwerewellen und Turbulenzen bis an den Rand des Weltraums transportiert wird. Diese Prozesse zu messen ist aufwendig. Sie realistisch zu simulieren ist eine nicht minder große Herausforderung.

Genau dort setzte die NASA-Mission VortEx an. Die „Vorticity Experiment“-Raketen, die 2023 von Andøya Space gestartet wurden, untersuchten, wie Wind und Energie aus tieferen Atmosphärenschichten großräumige Wirbel in der Hochatmosphäre erzeugen. Die Raketen setzten leuchtende Spurenstoffe frei, um Turbulenzen sichtbar zu machen. Unterstützt wurde die Mission durch Messungen des IAP mit Lidar- und Radarsystemen vor Ort.

Wenn Simulation auf Raketenmessung trifft

Für das IAP stellte die Kampagne eine seltene Chance dar. „VortEx bot uns die einmalige Gelegenheit, das Modell UA-ICON mit einer beispiellosen Kombination aus Raketen-, Lidar- und Radarbeobachtungen zu vergleichen“, sagt Yanmichel A. Morfa.

Zum Einsatz kam eine spezielle Version des Atmosphärenmodells ICON, ein Modell, das bis in 150 Kilometer Höhe reicht. Über Andøya wurde es schrittweise bis auf eine horizontale Auflösung von 1,25 Kilometern verfeinert. So lassen sich kleinräumige Prozesse direkt berechnen, statt sie nur statistisch zu beschreiben.

Yanmichel A. Morfa nennt die wichtigste Erkenntnis: „Wenn wir die Dynamik im Kilometermaßstab explizit auflösen, können wir die komplexen, vielschichtigen Prozesse sowie die geschichtete Turbulenz der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre realistisch erfassen.“ Besonders im Bereich zwischen 70 und 100 Kilometern Höhe stimmten Simulation und Raketenmessungen erstaunlich gut überein. Sowohl die Lage als auch die Stärke der beobachteten Energiespitzen konnten reproduziert werden.

Grenzen der Modellierung

Herkömmliche globale Modelle arbeiten mit Gitterweiten von rund 100 Kilometern. Zu grob, um Schwerewellen und kleinräumige Turbulenz direkt abzubilden. Erst mit einer Auflösung unter fünf Kilometern lässt sich die tatsächliche Variabilität der Mesosphäre erfassen.

Ganz ohne Einschränkungen bleibt die Modellierung jedoch nicht. Während der Kampagne trat ein starker geomagnetischer Sturm auf, der die Winde oberhalb von 100 Kilometern beeinflusste. Hier zeigte sich eine Schwäche der aktuellen Modellversion. „Oberhalb von 100 Kilometern wird die Kopplung zwischen Ionosphäre und Thermosphäre entscheidend.“, sagt Morfa. Diese Kopplung ist bislang jedoch nur vereinfacht berücksichtigt.

Langfristig geht es um mehr als ein einzelnes Experiment. „Unsere Arbeit zeigt das Potenzial von UA-ICON, die Lücke zwischen der Wettervorhersage für die untere Atmosphäre und der Weltraumwettervorhersage zu schließen“, betont Yanmichel A. Morfa. Denn die Dynamik dieser Höhenregion beeinflusst den Luftwiderstand von Satelliten, die Ausbreitung von GPS-Signalen und die Sicherheit von Kommunikations- und Navigationssystemen. Wer die Prozesse am Rand des Weltraums besser versteht, kann auch deren Auswirkungen auf Technik und Gesellschaft genauer vorhersagen.

In der Chemie basieren Experimente häufig auf Versuch und Irrtum – „empirische Optimierung“, nennt es Olga Bokareva. Man kennt Ausgangsstoffe, Katalysator, Reaktionsparameter wie Temperatur und Druck und sieht das Ergebnis. Der Reaktionsverlauf selbst bleibt verborgen. „Dabei wüssten wir gern, was da in der Blackbox geschieht.“ Deshalb hat sich die habilitierte Chemikerin vom Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock der Theorie verschrieben. Mittels Quantenchemie berechnet sie subatomare Prozesse und hilft damit die Blackbox ein Stückweit zu öffnen.

Diels-Alder reloaded: effektiver mit Strom

Nehmen wir die Diels-Alder-Reaktion, die einen festen Platz vor allem in der Synthese von Wirkstoffen und anderen komplexen Molekülen hat. Ihre Entdecker erhielten dafür 1950 den Nobelpreis. Aktuell will die Fachwelt ihr Anwendungsspektrum erweitern: für komplexere Synthesen und eine größere Auswahl an Ausgangsstoffen. LIKAT-Chemiker erkunden das mittels Elektrokatalyse.

Dabei liefern Elektroden in der Reaktionslösung Strom, der den Prozess antreibt und effizienter machen kann als bei der klassischen Reaktion. In ihren Experimenten gemeinsam mit japanischen Kollegen funktionierte dies mit einigen Ausgangsstoffen wunderbar, mit anderen hingegen überhaupt nicht. Warum nicht? Die Frage zielt auf den Reaktionsmechanismus und die subatomare Ebene. Und an dieser Stelle kommt die Expertise von Olga Bokarevas Team ins Spiel.

Vergleichbar mit Google Maps

Vereinfacht gesagt bilden sich neue chemische Verbindungen, indem die beteiligten Stoffe Elektronen austauschen bzw. gemeinsam nutzen. Dadurch ändert sich der Energiezustand der Moleküle entlang des Reaktionspfads, und ausgehend von den möglichen Molekülstrukturen wird berechnet, über welche energetischen Stationen die Reaktion verlaufen kann.

Dafür reicht es, Ausgangsstoff und Produkt sowie einige Reaktionsbedingungen zu kennen, ein Ansatz, den Olga Bokareva mit Google Maps vergleicht: „Du kennst Standort und Ziel und willst Staus vermeiden, in der Reaktion könnte das ein unerwünschtes Zwischenprodukt sein. Das Programm berechnet den günstigsten Weg.“

Solche Modellierungen werden durch steigende Rechenleistung und immer bessere Algorithmen möglich. Sie liefern keine exakten Werte, sondern Näherungen, wie die Chemikerin erläutert. Der Grund liegt in der Quantennatur der Elektronen, die durch Wellenfunktionen beschrieben werden. Der aktuelle Zustand einzelner Moleküle lässt sich aus der Lösung der Schrödinger-Gleichung bestimmen, die vor hundert Jahren entwickelt wurde. Das Bokareva-Team verwendet sie zusammen mit numerischen Verfahren.

Ein Elektron entscheidet über den Erfolg

Quantenchemische Berechnungen lassen sich heute grafisch darstellen, etwa als Orbitale, wie die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Elektronen im Atom heißen. Auf dem Screen erscheinen sie als farbige Gebilde, wie Blasen oder wie Wolken, deren Gestalt sich ebenfalls fortwährend ändert. „Wir sprechen ja auch von Elektronenwolken, wenn wir den diffusen Aufenthaltsraum von Elektronen meinen“, sagt Olga Bokareva. Solche Darstellungen helfen Reaktionsverläufe nicht nur zu analysieren, sondern auch intuitiv zu verstehen.

Bei der neuartigen Diels-Alder-Reaktion offenbarten die Berechnungen ein Zwischenprodukt, das in einem kritischen Moment des Prozesses entsteht. Wenn die Reaktion weiterlaufen soll, braucht dieses Zwischenprodukt ein zusätzliches Elektron. Die Forscherinnen wiesen nach, welche Voraussetzungen im Verhalten der Elektronenwolken dafür gegeben sein müssen. Fehlen die, dann bricht die Reaktion ab.

Mit diesem Blick in die Blackbox gewann das LIKAT Hinweise darauf, wie auch bisher erfolglose Ausgangsstoffe für die Diels-Alder-Reaktion genutzt werden können.