Circular Health

Unsere Ökosysteme sind durch eng miteinander verknüpfte Stoffkreisläufe gekennzeichnet, die auch auf die Gesundheit des Menschen einen erheblichen Einfluss haben. Werden sie gestört, hat das häufig kaum kalkulierbare Auswirkungen. Ein zentrales Ziel von »Circular Health« ist es, Faktoren, welche die Balance ökologischer Kreisläufe stören, zu identifizieren und zu steuern, um zu einer präventiven Gesundheitsversorgung beizutragen und zugleich Nachhaltigkeitsziele zu erfüllen.

Circular Health versteht sich als ein cross-sektoraler und transdisziplinärer Ansatz mit dem Ziel einer nachhaltigen Gesundheit von Mensch und Tier im Einklang mit Umwelt und Ökonomie. Erreicht werden soll das durch kreislaufbasierte Ansätze in Medizin, Agrar-, Lebensmittel- und Umweltwissenschaften. Dabei werden wesentliche Inhalte aus zwei Konzepten, dem One-Health-Konzept und dem Konzept einer Circular Economy, aufgegriffen und zusammengeführt.

One Health: gesunde Umwelt für einen gesunden Menschen

Der Begriff One Health wurde erstmals in den Jahren 2003–2004, mit dem Auftreten von SARS (Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom) und der weltweiten Ausbreitung der Vogelgrippe H5N1, verwendet, um zu beschreiben, dass die Gesundheit des Menschen mit der Gesundheit von Tier und Umwelt untrennbar verknüpft ist.

One Health weitergedacht: zirkuläres statt lineares Wirtschaften

Die Berücksichtigung unserer Ökosysteme steht nicht im Vordergrund des One-Health Konzepts. Doch die globalen (geo)ökologischen Herausforderungen, die im Klimawandel und dem Verlust der Biodiversität kulminieren und zur Destabilisierung ganzer Ökosysteme mit massiver Belastung der menschlichen Gesundheit beitragen, können im Wesentlichen auf die lineare und überwiegend auf fossilen Rohstoffen basierende Wirtschaftsweise zurückgeführt werden. Um die Gesundheit der Menschen zu gewährleisten, ist daher die Beachtung zirkulärer Prinzipien und ökologischer Kreisläufe zwingend erforderlich.

Künftige Agrarsysteme müssen in der Lage sein, bis zu zehn Milliarden Menschen zu ernähren und zuverlässig mit biogenen Rohstoffen zu versorgen. Gleichzeitig werden aller Voraussicht nach immer weniger Ackerflächen zur Verfügung stehen. Um natürliche Ressourcen wie fruchtbare Böden, sauberes Wasser und reine Luft zu erhalten, den Rückgang der Artenvielfalt aufzuhalten und dem Klimawandel entgegenzuwirken, muss die Agrarproduktion nachhaltiger gestaltet werden.

Nachhaltige Pflanzenkultivierung und Tierhaltung ohne Antibiotika

Circular Health konzentriert sich deshalb auf die Entwicklung nachhaltigerer Produktionskonzepte und hochspezifischer verträglicher Wirkstoffe für die Pflanzenkultivierung und Tierhaltung, um negative Auswirkungen zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Während im Bereich Tierhaltung neue, innovative Futtermittelsysteme, bspw. mit antimikrobiellen Inhaltsstoffen, eine weitgehend antibiotikafreie Haltung ermöglichen sollen, liegt der Fokus im Bereich der Pflanzenkultivierung auf der Entwicklung biobasierter Pestizide, für die negative Auswirkungen auf Mensch, Tier und Umwelt weitgehend ausgeschlossen werden können.

Einen zentralen Beitrag zu einer wirksamen Applikation der Wirkstoffe leisten deren maßgeschneiderte Formulierung. Neue Anbauverfahren in hydroponischen Systemen ermöglichen zudem die Verwendung von gereinigtem Abwasser zur düngenden Bewässerung, neue biotechnologische Kultivierungs- und Nutzungskonzepte von Mikroalgen, Insekten und Pilzen die emissionsarme Produktion proteinreicher Nahrungs- und Futtermittel.

Ganzheitliche Nutzung biogener Rohstoffe

Die möglichst ganzheitliche Nutzung biogener Rohstoffe hilft, die Ressourceneffizienz zu steigern und Stoffkreisläufe zu schließen. Vor dem Hintergrund knapper werdender Rohstoffe ist dies ein entscheidender Faktor, um die Versorgungssicherheit der Gesellschaft sicherzustellen. Ein bereits realisiertes Beispiel hierzu ist die neuartige EthaNa®-Pilotanlage am Fraunhofer CBP, mit der durch eine schonende Verarbeitung der Rapssaat die stoffliche Wertschöpfung erhöht werden kann. Nach dem Prinzip einer Bioraffinerie liefert sie nicht nur hochwertiges Rapsöl in Vorraffinat-Qualität, sondern auch ein an hochwertigen Proteinen reiches Rapskernkonzentrat, in Ethanol gelöste sekundäre Pflanzenstoffe sowie Rapsschalen als weitere Produkte.

Für eine nachhaltige Sicherung der Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt ist die Entwicklung innovativer Lösungsansätze zur Abwehr biologischer Gefahren aus der Umwelt essenziell. Zu diesen Gefahren gehören Zoonosen wie auch pathogene Mikroorganismen, die gegen Antibiotika resistent geworden sind.

Strategien zur Überwachung und Bekämpfung von Pathogenen und Resistenzen

Mikrobielle Resistenzen gegen Antibiotika haben sich weltweit rasant ausgebreitet und stellen eine der größten Gefahren für die Menschheit dar, zumal immer weniger neue Antibiotika entwickelt werden. Eine wesentliche Ursache für die Entstehung der Resistenzen ist der unspezifische und unkritische Einsatz von Antibiotika in Medizin und Nutztierhaltung und in der Folge ihre unkontrollierte Freisetzung in die Umwelt. Ziel von Circular Health ist die Entwicklung neuer Verfahren, um den Einsatz von Antibiotika in der Nutztierhaltung zu reduzieren und damit der Entstehung von mikrobiellen Resistenzen entgegenzuwirken.

Dazu gehört auch das Design spezifischer Testsysteme zur Entwicklung von veterinärmedizinischen Therapeutika. Eine Vielzahl der heute genutzten veterinärmedizinischen Therapeutika stammt aus der humanmedizinischen Entwicklung und ist damit im Tier häufig nur begrenzt wirksam. Bei Resistenzbildung sind sie zudem beim Menschen nur noch begrenzt einsetzbar.

Verschiedene am IGB entwickelte Methoden zur Diagnostik von Pathogenen und Resistenzen in Human- und Veterinärmedizin sowie für das Umwelt-Monitoring ermöglichen es, die Resistenzentwicklung und neu auftretende Pathogene zu überwachen. Der Einsatz von Bakteriophagen stellt einen selektiven Ansatz zur Reduktion antibiotikaresistenter Bakterien dar, der am IGB verfolgt wird.  

Der Gesundheitssektor ist aufgrund der linearen Wirtschaftsweise durch eine hohe Ressourcenbeanspruchung und einen großen ökologischen Fußabdruck geprägt. Er verursacht circa fünf Prozent der globalen Treibhausgasemissionen und ist für bis zu zehn Prozent des Abfallaufkommens verantwortlich. Ein großer Anteil dieser Abfälle besteht aus Kunststoffen, unter anderem durch einen zunehmenden Einsatz von Einwegprodukten.

Vor diesem Hintergrund besteht das Konzept von Circular Health in einer umfassenden Implementierung von Circular-Economy-Prinzipien. Aufbauend auf einer detaillierten Situationsanalyse müssen künftig die Produkte des Gesundheitssektors unter Betrachtung des gesamten Produktlebensweges und unter Einbeziehung aller Stufen der Wertschöpfungskette optimiert werden. So bieten sowohl die Nutzung biobasierter Polymere als auch die Implementierung von Recyclingstrategien Lösungsansätze für mehr Nachhaltigkeit im Gesundheitswesen.

Einen wirksamen Beitrag, um Emissionen zu reduzieren, leisten »trockene« Verfahren zur Reinigung und Entkeimung, beispielsweise mittels Plasma und UV-C.

Am Institutsteil BioCat in Straubing wurde 2023 zudem ein Miniplant zur industrienahen Darstellung von biobasierten Polyestern und Polyamiden in Betrieb genommen. Aktuell forschen wir an biobasierten Polyamiden, Poly(meth)acrylaten und Kunststoffadditiven, beispielsweise biobasierten Weichmachern und Nukleierungsmitteln. Darüber hinaus bieten wir Kunden Leistungen hinsichtlich Polymeranalytik und Werkstoffprüfungen an. Tests zur biologischen Abbaubarkeit von flüssigen Substanzen werden aktuell etabliert.

Arzneimittel sind für die Gesundheit von Mensch und Tier unerlässlich, doch der vermehrte Verbrauch und ihr oftmals unkritischer Einsatz führen zu einer Zunahme schädlicher und dauerhafter Rückstände in der Umwelt, die unerwünschte Wirkungen auf Organismen, Populationen und Ökosysteme haben können. Besonders betroffen hiervon sind Oberflächen- und Grundwasser sowie Böden. Problematisch ist auch die Entstehung von Resistenzen, die durch den übermäßigen, unspezifischen und sorglosen Einsatz von Antibiotika begünstigt werden.

Reduzierung von Problemchemikalien in der Umwelt

Technische Lösungen zur Erfassung und Eliminierung von Schadstoffen, z. B. PFAS oder Arzneimittelrückständen, aus Abwässern schaffen Abhilfe, um gesundheitsschädigende Auswirkungen persistenter Stoffe über das Trinkwasser zu reduzieren. Gleichzeitig gilt es, den Eintrag von Schadstoffen und Arzneimitteln in die Umwelt zu minimieren und den Fokus auf die Entwicklung umweltfreundlicher, bioabbaubarer Arzneimittel zu legen. Hierzu werden Methoden zur schnellen und umfassenden Erfassung des Umweltgefährdungspotenzials von neuen Wirkstoffen benötigt.

Strategien gegen Klimawandel und Biodiversitätsverlust

Essenziell für die menschliche Gesundheit ist eine gesunde Umwelt, die sich durch eine große biologische Vielfalt auszeichnet. Denn die auf dieser Vielfalt aufbauenden Ökosysteme erzeugen saubere Luft, Trinkwasser, Nahrungsmittel und Wirkstoffe. Da die Biodiversität in den letzten Jahrzehnten dramatisch abgenommen hat, besteht akuter Handlungsbedarf, anthropogene Beiträge zum Biodiversitätsverlust zu reduzieren oder gänzlich zu vermeiden.

Zum Schutz und Erhalt der Biodiversität befassen wir uns vor allem mit der Entwicklung von zirkulären Wertschöpfungsketten zur Reduzierung von Abfall und Treibhausgasen, von Strategien und Methoden zur Reduzierung anthropogenen Schadstoffbelastungen in der Umwelt und von neuen Nahrungsmittelkonzepten für eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft. Dies erreichen wir über den Ansatz der Bioökonomie und über die Rückgewinnung von Nährstoffen und Gewinnung von Wertstoffen aus landwirtschaftlichen und kommunalen Reststoffströmen, um Stoffkreisläufe zu schließen.