Ausgehend von der Forschungsfrage inwieweit Biologie die Gestaltung und Architektur, sowie die gesellschaftlichen Strukturen in der Zukunft beeinflussen wird, ist eine konzeptuelle Arbeit entstanden, die sich mit einer biotechnisierten Landschaftsarchitektur gefährdeter Küstenregionen beschäftigt.

Die Fortschritte in der Biologie haben neue Möglichkeiten und Debatten eröffnet unser Umfeld und Lebensräume zu gestalten. Was wäre, wenn wir in der Zukunft auch unsere Natur neugestalten müssen? Wenn natürliche Landschaften nicht mehr existieren können und die Natur neu definiert werden muss? Kann der Mensch einen Nutzen aus neuen Landschaften ziehen? Wenn er Berge entstehen lassen könnte, kann er sich dadurch vor dem steigenden Meeresspiegel schützen? 

Mehr als 70% der Küsten der Erde sind heute durch Erosion gefährdet. Durch den Anstieg des Meeresspiegels als Folge des menschengemachten Klimawandels wird Küstenschutz immer stärker gefördert. Vor allem in den westlichen Industriestaaten werden jährlich Millionen Tonnen Sand vom Meeresboden gesaugt und an den Küsten gefährdeter Regionen aufgeschüttet. Deiche werden immer höher und breiter, um das Wasser auszuschließen. Diese massiven Konstruktionen reichen aber nicht mehr aus. Angesichts der Knappheit von natürlichen Ressourcen und der ökologischen Auswirkungen bei der Herstellung von herkömmlichen Baumaterialien, wird intensiv an alternativen biologischen Materialien in der Bauindustrie geforscht. Die Biomineralisation ist das Verhalten von Mikroorganismen in der richtigen Umgebung Kalk zu produzieren. Anstatt Baumaterialien mit hohem Energieaufwand herzustellen, steckt in Biomineralisation das Potenzial Gesteine wachsen zu lassen.

Biotolith ist eine Vision, lebenserhaltende Dünen in Küstenregionen mit Hilfe von biologischen Prozessen zu stabilisieren, gestalten und wachsen zu lassen. Der Mensch agiert somit, mit Hilfe von Mikroorganismen, als Gestalter der Natur, um nachhaltig Ökosysteme zu bewahren und eine Symbiose von umorganisierten Landschaften mit natürlichen Systemen herzustellen. Sie strebt eine Anpassung an veränderten Umgebungen an, indem die Küsten mit dem Meeresspiegel auf einer natürlichen Weise mitwachsen. 

Problemstellung 

Da vor allem Küstenregionen wegen ihren guten Lebens- und Wirtschaftsbedingungen besonders dicht besiedelt sind, bedroht der Anstieg des Meeresspiegels weltweit den Lebensraum von Millionen von Menschen. Die Erde hat sich über die Erdzeitalter immer wieder neuem Wandel unterzogen, jedoch ist die alarmierende Veränderung der Ozeane in den letzten 200 Jahren besonders brisant und auf den Eingriff der Menschen zurückzuführen. Durch die Industrialisierung ab Ende des 19. Jahrhunderts und der damit einhergehende gesellschaftliche Wandel, hat sich auch die Umwelt und in Folge dessen das Klima rasant verändert. 

Die bereits entstandenen Schäden im globalen Klimasystem und die zu erwartenden Folgen, haben gezeigt, dass neben dem erforderlichen Klimaschutz auch Maßnahmen zur Klimaanpassung notwendig sind.

Maßnahmen im Küstenschutz an der Nordsee

Wirksamer Küstenschutz an der Nordsee ist von erheblicher Bedeutung um die Lebens-grundlage an den Küstengebieten zu erhalten. Ein nachhaltiger Schutz gilt mittlerweile nicht nur dem Menschen, sondern auch der Nordsee selber. Deswegen werden aktuell viele neue naturverträgliche Schutzmaßnahmen erforscht und auf Renaturierungen der Küsten gesetzt. Erfahrungen haben zudem gezeigt, dass massive Schutzanlagen nicht überall sinnvoll bzw. möglich sind. Dämme und Deiche sind nach wie vor unverzichtbar, aber der Trend von starren Bauwerken geht auf naturverträglichere und attraktivere weiche Maßnahmen zurück.

In den Niederlanden werden jährlich im Schnitt

12 Mio. m³ Sand an und vor den Küsten aufgeschüttet.

75% der niederländischen Küste besteht aus sandigen Stränden und Dünen, die das Festland vor Sturmfluten schützen. Die Nutzung von Sandersatz ist allerdings ein kostspieliges und zeitintensives Unterfangen, welche massive Eingriffe in bestehende Ökosysteme bedeutet.

Es stellt sich die Frage, ob es mit den neuen technologischen Errungenschaften in der Biolo-gie gestalterische Maßnahmen gäbe, Dünen nachhaltig sowie naturverträglich befestigen zu können.

Mikroorganismen: Sporosarcina pasteurii 

Der Bakterienstamm Sporosarcina pasteurii hat sich in der Forschung für die Biozementierung wegen seiner Eigenschaften und hoher Effizienz weitgehend durchgesetzt.

S. pasteurii ist in der Natur in Böden, Gewässern und im Abwasser zu finden. Sie besitzen das Enzym Urease, weshalb sie in der Lage sind Harnstoff (Urea) zu spalten. Bei der Spaltung entstehen geladene Carbonationen (CO₃(2-)), die sich wiederum, wenn gelöst vorhanden, mit Calciumionen verbinden und in Calciumcarbonat (Kalk) auskristallisieren.

In den gängigsten Versuchsreihen für die Ausfällung von Kalk werden zu einer Kultur S. pasteurii eine entsprechende Menge wässriger Nährlösung aus Urea und Calciumchlorid gegeben. Wenn dem Nährmedium zusätzlich ein mineralischer Stoff wie Sand beigefügt wird, dann agiert der resultierende Kalk wie ein Kleber zwischen den Sandkörnern. Dies ist das zugrundeliegende Prinzip für die Entstehung von biologischem Zement.

Die mikrobielle Biomineralisation ist ein Prozess in der Natur, in der Mikroorganismen als Teil ihres Stoffwechsels anorganische Produkte wie Kalk herstellen.

Prinzipzeichnung der Biozementation.                               >

Dem losen  Sand werden Bakterien (S. pasteurii), Urea- und Calciumchlorid-Lösung hinzugegeben. Nach kurzer Zeit produzieren die Bakterien Kalk, was die Sand-körner verklebt und in einer festen Form aushärten lassen. Die Wirksamkeit der Kalkproduktion ist beson-ders hoch, denn die Bakterien brauchen wenig Zeit um einen relativ hohen Ertrag zu erzielen. Dabei muss keine Energie zugefügt werden, da die Reaktion en-zymatisch abläuft.

Konzept

Die Gestalt des biozementierten Steins soll sich naturverträglich in die Landschaft einfügen. Sie muss deswegen einem Konzept unterliegen, sodass das Verhalten der Mikroorganismen gesteuert werden kann. Die erforderlichen Maßnahmen tragen zu einer nachhaltigen und stabilen Struktur des Gesteins bei. Es ist eine wachsende Struktur, die sich selber nach und nach aufbauen soll und sich wie ein feingliedriges Wurzelwerk in die Düne schlägt. Da das Wachstum gesteuert und berechnet werden muss um die Stabilität zu garantieren, ist es notwendig, die Mineralisation mit Hilfe eines anderen kontrollierbaren Organismus zu fördern.

Formfindung und Versuchsreihe

Inspiration wurde zunächst in der Natur gefunden. Es gibt viele natürlich vorkommende Formationen in Sandstein, die durch Zeit, Witterung und Umwelteinflüsse über Jahrtausende entstanden sind. Diese natürliche Steinstrukturen sind heute immer noch äußerst stabil und haben aus statischer sowie ästhetischer Sicht zu der äußerlichen Gestaltung von Biotolith beigetragen. Zugleich wurden andere Naturphänomene betrachtet. Mineralisation erfolgt durch Kristallisation, die von chemischen Faktoren beeinflusst wird und auf den exakten Aufbau ihrer Moleküle runtergebrochen werden kann. Dazu zählen auch Korallenriffe. Diese haben eine feingliedrige feste Struktur und sind besonders stabil. Dabei gehen solche Strukturen in der Natur auf das Prinzip der Fibbonacci-Folge zurück.

Letztendlich werden Dünen nachhaltig von Pflanzen befestigt. Ihre feinen Wurzelwerke breiten sich tief in den Sand aus und sind durch ihre Elastizität flexibel. Biotolith soll einen ähnlichen Aufbau haben. Die Struktur muss fein, aber stabil sein, und sich ebenfalls wie ein Wurzelwerk durch die Dünen schlingen. Natürliches Wachstum, Veraderung und Ausdehnung haben den Entwurf am Ende geprägt. Dabei können Wege und Nischen architektonisch mitgestaltet werden. 

Entstehung

Zunächst werden die Bakterien bei der Aufschüttung des Sandes gleichmäßig in die Düne verteilt. Bei dem Aufbau der Düne soll abwechselnd Sand und Bakterienlösungen geschichtet werden. Dabei verdichten Bagger und Walzen die Sandmassen auf dem Strand. Die Nährstoffe, welche die Reaktion für den Biozement auslösen, werden dann mit Hilfe von einem zweiten Organismus, den Schleimpilz, geliefert. Dieser bestimmt das Wachstumsverhalten. Das Wachstum von einem Schleimpilz kann gesteuert werden. Die Struktur muss statisch berechnet werden, wobei mit Hilfe von Algorithmen Nährstoffe für den Schleimpilz „gesät“ werden, indem sie in die fertige Düne injiziert werden. Das geschieht mit meterlangen Düsen, die Kohlenhydrat-haltige Nährmedien für den Schleimpilz in den Sand spritzen. Beim Wachstum des Schleimpilzes passiert er auf dem Weg durch die Düne die Bakterien. Diese werden mit den mitgebrachten Urea- und Calciumchlorid-Lösung aktiviert und beginnen den Mineralisierungsprozess. So wird die Struktur des Schleimpilzes nachgebaut und versteinert.