Optische Technologien für die Bioökonomie - Wissenschaftsjahr 2020/21 - Bioökonomie

Ein Beitrag von Prof. Dr. Dag Heinemann und Miroslav Zabic, Hannoversches Zentrum für Optische Technologien (HOT) der Leibniz Universität Hannover

Die Bioökonomiestrategie der Bundesregierung verfolgt das Ziel, konkrete Maßnahmen zum Erreichen der europäischen Nachhaltigkeitsziele einzuleiten. Dies soll durch die Umstellung des deutschen Wirtschaftssystems auf nachhaltige und auf biologischen Wirkkreisen beruhende Prozesse erreicht werden. Die Basis dieser Kreisläufe bilden in erster Linie Pflanzen als nachwachsende Ressourcen. Für eine erfolgreiche Umsetzung dieser nachhaltigen Prozesse müssen neue Technologien auf allen Ebenen der Pflanzenwissenschaften, von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Agrarwirtschaft, eingeführt werden.

Es ist weitgehend Konsens, dass unser Lebensstil wenig naturverträglich ist. Knapp drei Viertel (74%) vertreten die Auffassung, der Umweltschutz erfordere es, unseren Konsum einzuschränken. Unsere Konsum- und Wirtschaftsform wird auch vorrangig für den Welthunger verantwortlich gemacht, weniger die Bevölkerungsexplosion.

Optischen Technologien, also Verfahren die auf dem gezielten Einsatz von Licht beruhen, erlauben sowohl die präzise Erfassung von Pflanzenzuständen als auch die selektive Bearbeitung von Pflanzenmaterial. Beides erfolgt berührungsfrei und ohne Emission von Pflanzenschutzmitteln oder anderen Chemikalien in die Umwelt. Somit bilden Optische Technologien ein wichtiges Werkzeug zur Realisierung der Bioökonomiestrategie.

Um Optische Technologien und Pflanzenwissenschaften erfolgreich zusammenzubringen, bedarf es aber einer engen interdisziplinären Zusammenarbeit. Daher erforscht das Hannoversche Zentrum für Optische Technologien (HOT) der Leibniz Universität Hannover an der Schnittstelle zwischen den Pflanzenwissenschaften und Physik modernste optische Verfahren für den Einsatz an der Pflanze.

Ein aktuelles und anwendungsnahes Forschungsfeld ist hierbei der Einsatz hyperspektraler Bildgebung. Das Konzept dahinter ist einfach erklärt: Es werden Bilder von Pflanzen aufgenommen, wobei pro Bildpunkt nicht nur drei Farben, wie bei einer herkömmlichen Kamera, sondern ein gesamtes Spektrum vom UV- bis in den nahen Infrarotbereich erfasst wird. Aus diesen spektralen Informationen lassen sich Rückschlüsse auf eventuell vorhandene Krankheiten im Frühstadium sowie den allgemeinen Gesundheitszustand der Pflanzen ziehen.

Ein weiteres Verfahren, welches sich noch im Bereich der Grundlagenforschung befindet, ist die sogenannten Brillouinspektroskopie. In diesem Verfahren wird die Wechselwirkung eines Laserstrahls mit akustischen Schwingungen in dem Pflanzenmaterial untersucht. Die so erhaltenen Signale liefern dann Informationen über die Biomechanik der Probe, also beispielsweise zur Festigkeit einer Blattoberfläche. So können mechanische Veränderungen der Pflanzen als Antwort auf äußere Einwirkungen oder auch Züchtungserfolge untersucht werden.

Diese und weitere Optische Technologien werden aktuell im Kontext der Pflanzenwissenschaften untersucht und teilweise auch bereits in der Praxis eingesetzt. Sie erlauben es, berührungsfrei weitreichende Informationen über den Zustand von Pflanzen zu erhalten, um so Entscheidungshilfen in der Züchtung als auch in der Landwirtschaft zu bieten. Somit werden sie zukünftig einen wichtigen Beitrag für eine nachhaltigere aber auch ökonomischere Landwirtschaft leisten.

Die hier veröffentlichten Inhalte und Meinungen der Autorinnen und Autoren entsprechen nicht notwendigerweise der Meinung des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie.​