2013 research outputs found
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Molecular and phenotypic diversity in populations of Fusarium culmorum on cereal hosts
Get PDFFusarium head blight is one of the most devastating diseases of cereals globally and responsible for large harvest losses, not only due to the reduction in productivity but also due to the contamination of the grain with mycotoxins. The major causal agent worldwide is Fusarium graminearum; in Europe also other Fusarium species, among them Fusarium culmorum (FC) play an important role. The interaction between Fusarium species and cereals has been categorized as quantitative according to previous phenotypic and genetic observations. We studied the molecular and phenotypic diversity of natural populations of FC and how they interact with four cereals (bread wheat, durum wheat, triticale, rye) as host. Specifically, we sought (i) to understand the interaction between host and isolate, and between isolate and environment using the variance partition approach offered by mixed models applied to analyze multi-environmental studies; (ii) to identify or validate the association of Fusarium genes previously assigned as candidates using field aggressiveness and deoxynivalenol (DON) production; and (iii) to compare the application and results of the candidate gene association mapping approach applied to the same population of FC isolates but with different phenotypic data obtained from inoculation in different hosts-bread wheat and rye. Phenotyping was based on multi-environmental field experiments where each plot of the host plant was artificially inoculated with spores of the respective isolate in accordance with the experimental design. Aggressiveness was visually quantified as the percentage of spikelets with symptoms per plot and was repeatedly evaluated over time. The content of the mycotoxin deoxynivalenol (DON) in the harvested grain was evaluated by double enzyme linked immunosorbent assays (ELISA). Genes previously reported in the literature as related to aggressiveness were selected for sequencing. Using the available F. graminearum genome sequence, specific primers were constructed to amplify and sequence the most variable regions of the respective genes.
The partitioning of the phenotypic variance using mixed models, for a subpopulation of 38 FC isolates in four cereal hosts, allowed to disaggregate the magnitude of the genotypic and environmental variance, and the environmental variance in turn into its different components. The genotypic variance was significant, but was exceeded by the magnitude of the environmental variance and its interactions with genotype, showing that the role of plasticity in the pathosystem of Fusarium culmorum and its cereal hosts is highly important.
In contrast, the variance associated with the host factor and the interactions with host were not significant, confirmed by high values of genetic correlation amogn host. This result supports the categorization of the cereal/Fusarium culmorum interaction as unspecific and quantitatively inherited also from the view of the pathogen. For the present study, plasticity was understood as the changes in the phenotype of the pathogen that could be attributed to changes induced by the environment. Our data revealed the year as factor with the highest influence on plasticity, meaning that the isolates with high performance values under humid conditions did not exhibit the same high values under dry conditions. Because the environmental conditions are erratic between the years, the lack of a constant selection pressure in the same direction reduces the probability of achieving a speciation event per environment. The phenotypic data of the DON content in harvested grain showed a high correlation with the aggressiveness data. An association mapping study with 17 candidate genes for aggressiveness using a population of 100 isolates of FC inoculated on bread wheat revealed the significant association of the HOG1 gene, explaining 10.29% of the genetic variance of aggressiveness and 6.05% of the genetic variance corresponding to the accumulation of DON in mature grain. HOG1 is a kinase-like protein involved in the communication within the oxidative metabolism of the fungus. In a similar study using the same population of FC isolates and the same candidate genes but rye as host, the gene CUT showed a significant association with aggressiveness, explaining 16.05% of the genetic variance. The CUT gene encodes a cutinase protein, belonging to the secretome and involved in the process of unleashing the membranes and cuticles of the host plant. Taken together, our results suggest that i) field trials of breeding for resistance to FC in cereals should be carried out in several years to properly account for the genotype-by-year interaction; ii) despite the fact that molecular communication may present some type of host specificity the high plasticity guarantees that the effects on the phenotype are very similar among the cereal hosts; and iii) the high genetic correlation of aggressiveness for different cereals invites to involve non-cereal crops in the rotation plans focused on Fusarium disease management.Fusarium ist weltweit eine der verheerendsten Krankheiten von Getreide und verantwortlich für große Ernteverluste, nicht nur aufgrund der verminderten Produktivität, sondern auch wegen der Kontamination des Getreides mit Mykotoxinen. Der weltweit wichtigste Erreger ist Fusarium graminearum; in Europa spielen aber auch andere Fusarienarten, darunter Fusarium culmorum (FC), eine wichtige Rolle. Die Interaktion zwischen Fusarium spp. und Getreide wurde aufgrund früherer phänotypischer und genetischer Beobachtungen als quantitativ eingeordnet.
Wir untersuchten die molekulare und phänotypische Vielfalt der natürlichen FC-Populationen und ihre Interaktion mit verschiedenen Getreidearten (Brotweizen, Durumweizen, Triticale, Roggen) als Wirt. Insbesondere untersuchten wir (i) die Interaktion zwischen Wirtsart und Isolat sowie zwischen Isolat und Umweltfaktoren mit Hilfe von gemischten Modellen; (ii) den Einfluss von Fusarium-Genen, die zuvor als Kandidatengene bekannt waren, auf die Aggressivität und die Produktion von Deoxynivalenol (DON) bei Weizen im Feldversuch an zwei Orten und zwei Jahren und (iii) die Anwendung und Ergebnisse der Kandidatengen-Assoziationskartierung mit Hilfe derselben FC-Population im Vergleich von Brotweizen und Roggen.
Die Phänotypisierung basierte auf Feldexperimenten in mehreren Umwelten mit künstlicher Infektion der Wirtsarten durch Sporen des jeweiligen Isolates.Die Aggressivität wurde visuell als Prozentsatz der symptomtragenden Ährchen je Parzelle mehrfach im Infektionsverlauf quantifiziert. Der Gehalt des Mykotoxins Deoxynivelanol (DON) im geernteten Getreide wurde mit Hilfe eines, enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) bewertet. Für die Sequenzierung wurden Gene ausgewählt, die zuvor in der Literatur in Zusammenhang mit Aggressivität beschrieben wurden. Unter Verwendung der verfügbaren Genomsequenz von F. graminearum wurden spezifische Primer entworfen, um die Regionen der jeweiligen Gene mit der höchsten Variabilität zu amplifizieren und zu sequenzieren. Die Schätzung der phänotypischen Varianz unter Verwendung gemischter Modelle für eine Subpopulation von 38 FC-Isolaten in vier Getreidearten erlaubte es, die genotypische und umweltbedingte Varianz - und die umweltbedingte Varianz wiederum in ihre verschiedenen Komponenten - aufzuteilen. Die genotypische Varianz war signifikant, wurde jedoch von der Größe der Umweltvarianz und ihren Wechselwirkungen mit dem Genotyp übertroffen, was zeigt, dass die Rolle der Plastizität im Pathosystem von Fusarium culmorum und seinen Getreidewirten von großer Bedeutung ist. Im Gegensatz dazu waren die mit der Wirtsart assoziierte Varianz und die Interaktionen mit der Wirtsart nicht signifikant, was durch hohe Werte der genetischen Korrelation zwischen den Wirtsarten bestätigt wurde. Dieses Ergebnis unterstützt die Einordnung der Interaktion zwischen Getreide und Fusarium culmorum als unspezifisch und quantitativ vererbt auch von Seiten des Pathogens. Für die vorliegende Studie wurde Plastizität als die Veränderung des Pathogen-Phänotyps verstanden, welche auf umweltbedingte Veränderungen zurückgeführt werden konnte. Unsere Daten zeigten, dass der Faktor Jahr den höchsten Einfluss auf die Plastizität hatte, was bedeutet, dass die Isolate mit hoher Leistung unter feuchten Bedingungen nicht die gleiche hohe Leistung unter trockenen Bedingungen aufwiesen. Da die Umweltbedingungen in den einzelnen Jahren schwanken, macht das Fehlen eines konstanten Selektionsdrucks in eine gleichbleibende Richtung eine spezifische Anpassung an die jeweilige Umwelt unwahrscheinlich. Die phänotypischen Daten des DON-Gehalts im Erntegut wiesen eine hohe Korrelation mit den Aggressivitätsdaten auf. Eine Assoziationskartierung mit 17 Kandidatengenen für Aggressivität unter Verwendung einer Population von 100 FC-Isolaten, mit denen Brotweizen inokuliert wurde, zeigte einen signifikanten Einfluss des HOG1-Gens, welches 10,29% der genetischen Varianz für Aggressivität und 6,05% der genetischen Varianz für die Akkumulation von DON in reifem Getreide ausmachte. HOG1 ist ein Kinase-ähnliches Protein, das an der Kommunikation innerhalb des oxidativen Metabolismus des Pilzes beteiligt ist. In einer ähnlichen Studie mit der gleichen Population von FC-Isolaten und den gleichen Kandidatengenen, aber mit Roggen als Wirt, zeigte das Gen CUT eine signifikante Assoziation mit Aggressivität, was 16,05% der genetischen Varianz erklärte. Das CUT-Gen kodiert ein Cutinase-Protein, welches zum Sekretom des Pilzes gehört und am Prozess der Durchdringung der Membranen und der Kutikula der Wirtspflanze beteiligt ist. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse, dass i) Feldversuche zur Züchtung von Resistenz gegen FC bei Getreide in mehreren Jahren durchgeführt werden sollten, um die Genotyp-Jahr-Interaktion angemessen zu berücksichtigen; ii) obwohl die molekulare Kommunikation auch eine gewisse Wirtsspezifität aufweisen kann, stellt die hohe Plastizität von F. culmorum jedoch sicher, dass alle geprüften Getreidearten ähnlich betroffen sind; iii) die hohe genetische Korrelation der Aggressivität für verschiedene Getreidearten dazu führen sollte, Nicht-Getreidepflanzen in die Fruchtfolgepläne einzubeziehen, um Fusarien-Erkrankungen besser zu kontrollieren
Communication problems between agriculture and nature conservation in Germany and their causes
No full textKommunikation gilt als zentrale Voraussetzung, um Naturschutz langfristig in der Landwirtschaft zu verankern. Die lang anhaltenden, teils heftigen Auseinandersetzungen zwischen Akteuren aus beiden Bereichen in Deutschland zeigen jedoch, dass vor allem in der öffentlichen Kommunikation deutliche Defizite herrschen. Statt Lösungen und Kompromisse zu finden, verhärten sich die Fronten an vielen Stellen. Ziel der Studie ist es, die bestehenden Kommunikationsprobleme sowie deren Ursachen zu identifizieren und detailliert zu beschreiben. Ein kohärentes kommunikationswissenschaftliches Rahmenkonzept, das sich ex-plizit mit Kommunikationsproblemen auseinandersetzt, fehlt zwar bislang, gleichwohl existiert eine Reihe von theoretischen Ansätzen und Forschungstraditionen, die einzelne Aspekte von Kommunikationsproblemen untersuchen oder sich komplementär dazu mit den Bedingungen für erfolgreiche Kommunikation auseinandersetzen. Von herausragender Bedeutung ist dabei die Forschung zu öffentlichen Diskursen sie bildet den theoretischen Hauptbezugspunkt dieser Arbeit. Als relevant erscheinen darüber hinaus Studien zur journalistischen Nachrichtenauswahl, Ansätze zu strategischer Kommunikation sowie die Forschung zu Gruppenidentitäten. Im Rahmen einer qualitativen Inhaltsanalyse werden zunächst 160 Veröffentlichungen aus den Jahren 2019 und 2020 der vier relevanten Akteursgruppen (interessengeleitete Akteure, staatliche Akteure, Nachrichten- und Fachjournalismus) sowie die dazu verfügbaren Nutzerkommentare untersucht. Auf diese Weise entsteht eine aktuelle Bestandsaufnahme der bestehenden Kommunikationsprobleme. Die Analyse liefert außerdem erste Hinweise auf deren mögliche Ursachen. Im Anschluss werden vier Gruppendiskussionen mit Vertreter*innen aus Landwirtschaft und Naturschutz durchgeführt. Die Befunde der Inhaltsanalyse werden so vertieft, hinterfragt und um die subjektiven Wahrnehmungen und Bewertungen der Betroffenen ergänzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die beobachteten Prob-leme als auch ihre Ursachen vielfältiger Natur sind: Akteuren fehlt es erstens häufig an der Bereitschaft, eine rational motivierte Einigung zu erreichen. Statt sich offen mit allen am Diskurs beteiligten Akteuren auseinanderzusetzen, verweigern sie das Gespräch oder versuchen einzelne Zielgruppen durch strategisch-manipulative Kommunikation zu beeinflussen. Zweitens liegen nicht bei allen Themen, Ereignissen und Darstellungsperspektiven die gleichen Chancen vor, öffentlich diskutiert zu werden. Sowohl nachrichten- als auch fachjournalistische Medien berichten meist nur über negative, konfliktbehaftete Themen, ihre Berichte sind teils tendenziös und beschränken sich auf die Darstellung von einer von mehreren möglichen Perspektiven. Es zeigt sich drittens, dass die Art der Kommunikation nicht immer angemessen ist weil Akteure ihre Positionen nicht ausreichend argumentativ untermauern, nicht ausreichend auf Themen und Argumente der Gegenseite eingehen oder sich unangemessen äußern. Als Ursachen für die mangelnde Diskursqualität lassen sich die folgenden Aspekte nennen: (1) Landwirt*innen scheinen ein enormes Misstrauen gegenüber Außenstehenden, aber auch gegenüber der eigenen Berufsvertretung zu hegen. Mehr oder weniger allen Akteuren wird mit großem Argwohn begegnet. (2) Vor allem bei landwirtschaftlichen Akteuren scheint die persönliche, emotionale und finanzielle Betroffenheit eine große Rolle zu spielen. Ihnen fällt es in der Folge teils schwer, sachlich zu kommunizieren und zu akzep-tieren, dass auch nicht-landwirtschaftliche Akteure im öffentlichen Diskurs Gehör finden. (3) Den beteiligten Akteuren fehlt mitunter das notwendige Wissen, um optimal am Diskurs teilnehmen zu können. Dies betrifft die Akteure aus Landwirtschaft und Naturschutz ebenso wie Journalist*innen. (4) Medien, interessengeleitete und staatliche Akteure unterliegen ver-schiedenen Pfadabhängigkeiten und organisationsinternen Zwängen, die nicht nur, aber vor allem ökonomischer Natur sind. Sie haben teilweise zur Folge, dass Akteure nicht frei und diskursorientiert agieren bzw. kommunizieren können. (5) Zu Problemen führen überdies verschiedene ungeklärte Zielkonflikte. So sehen sich die beteiligten Akteure teils mit dem Problem konfrontiert, zeitgleich widerstrebende Interessen verfolgen zu müssen. (6) Als weitere Ursache können gruppenspezifische Verhaltens- und Interpretationsmuster genannt werden. In künftigen Studien sollte insbesondere eine Auseinandersetzung mit dem Aspekt des mangelnden Wissens stattfinden er wirkt sich in mehrfacher Hinsicht negativ auf die Diskursqualität aus.Communication is considered a key prerequisite for anchoring nature conservation in agriculture in the long term. However, the longlasting, sometimes heated disputes between ac-tors from both sectors in Germany show clear deficits, especially in public communication. Instead of finding solutions and compromises, the fronts are hardening in many places. The study aimed to identify and detail the existing communication problems and their causes. A coherent framework of communication studies that explicitly deals with communication problems is missing. Nevertheless, there are a number of theoretical approaches and research traditions that examine individual aspects of communication problems or, complementarily, deal with the conditions for successful communication. Of outstanding importance is research on public discourse it forms the main theoretical point of reference of this work. Studies on journalistic news selection, approaches to strategic communication and research on group identities also appear to be relevant. Within the framework of a qualitative content analysis, 160 publications from the years 2019 and 2020 of the four relevant groups of actors (interest-led actors, state actors, news and specialist journalism) and the available user comments were examined. Thus, a current inventory of the existing communication problems was created. The analysis also provided initial indications of their possible causes. Subsequently, four group discussions were held with representatives from agriculture and nature conservation. The results of the content analysis were discussed and deepened. The initial findings of the content analysis were thus deepened, questioned and supplemented by the subjective perceptions and assessments of those affected. The results show that the observed problems and their causes are manifold: Firstly, actors are often unwilling to reach a rationally motivated agreement. Instead of openly engaging with all actors involved in the dis-course, they refuse to talk or try to influence individual target groups through strategic-manipulative communication. Secondly, not all topics, events and presentation perspectives have the same chance of being publicly discussed. Both news and specialist journalistic media usually only report on negative, conflictrelated issues, their reports are sometimes tendentious and limited to presenting one of several possible perspectives. Thirdly, it became apparent that the manner of communication is not always appropriate because actors do not sufficiently substantiate their positions with arguments, respond sufficiently to topics and arguments of the opposing side or express themselves appropriately. The following aspects can be named as causes for the lack of discourse quality: (1) Farmers seem to have an enormous distrust of outsiders, but also of their own professional representation. More or less all actors are met with great suspicion. (2) Especially among agricultural actors, emotional and financial concerns seem to play a major role. As a result, they sometimes find it difficult to communicate objectively and to accept that non-agricultural actors are also heard in the pub-lic discourse. (3) The actors involved sometimes lack the necessary knowledge to be able to participate optimally in the discourse. This applies to actors from agriculture and nature conservation as well as to journalists. (4) The media, interest groups and state actors are subject to various path dependencies and internal organisational constraints that are not only, but primarily of an economic nature. In some cases, they have the consequence that actors cannot act or communicate freely and discourse-oriented. (5) Moreover, various unresolved conflicts of objectives lead to problems. For example, actors from agriculture and nature conservation are sometimes confronted with the problem of having to pursue conflicting interests at the same time. (6) Group-specific differences in behaviour and evaluation can be cited as a further cause. Future studies should focus on the aspect of lack of knowledge, which negatively impacts the discourse quality in several respects
From passion to performance : entrepreneurial passion in the creative industries
Get PDFEntrepreneurship drives progress, innovation, growth, and prosperity. Passion, in turn, motivates and energizes people to pursue meaningful activities on a sustained basis. In following their passion and in interacting with their proximal environments, people build up competencies, knowledge, experience, and social relations, which may result in peak performance. When passion develops and relates to the creation, discovery and exploitation of entrepreneurial opportunities, entrepreneurial passion emerges. The current state of research shows that entrepreneurial passion is a source of motivation, inspiration, creativity, and perseverance. In the cultural and creative industries, entrepreneurship often begins from a passion for an artistic or creative work that is pursued as a hobby or leisure activity, which professionalizes over time. Thereby, passion for a creative or artistic activity can also create tensions between ideational and economic-organizational imperatives in entrepreneurial contexts. However, how, and why an artistic or creative passion develops into an entrepreneurial one and how it affects entrepreneurial success is unchartered territory. Hence, the aim of this dissertation is to investigate and explain the development of passion and its effect on entrepreneurial performance of creative people whose venturing ambitions are primarily driven by a non-entrepreneurial passion.
The first study identifies the current state of literature on entrepreneurship in the cultural and creative industries. The review elaborates the phenomenon of a non-entrepreneurial passion as central feature of creative industries entrepreneurship and outlines its potential for future research. The second study presents a review of the state of research on passion in the entrepreneurial context and develops a theory-based approach that explains how passion emerges, and how it can extend to entrepreneurship and lead to entrepreneurial performance. Based on 11 semi-structured interviews with successful entrepreneurs whose life paths are characterized by passion for music, the third study follows this assumption and generates mental maps using the Conceptual Causal Mapping method. The results explain the development of real-life passion over time, its current constitution and embeddedness within the personal, social, and entrepreneurial life context and the relation of passion to performance. Based on the person-environment fit theory, the final study develops a model that substantiates the positive effects of life context fit on entrepreneurial passion and performance. Life context fit is operationalized using personal project analysis and the hypotheses were tested on a sample of 406 creative entrepreneurs using partial least squares structural equation modeling. The results demonstrate the effect of life context fit on entrepreneurial passion and its successive translation into performance in four subsegments that can be classified as artepreneurs, culturepreneurs, creative entrepreneurs, and lifestyle entrepreneurs. However, contrary to expectations, the analyses also indicate that neither the life context fit, nor the domains of entrepreneurial passion have uniform positive outcomes. Rather, these relations occur with compounded positive and negative effects. These results are surprising as the extant literature has found nearly consistent positive outcomes of passion on performance. Post-hoc analyses reveal the varying constitutions of life contexts and the existence of previously unmeasurable domains of entrepreneurial passion for products, for people, and for a social cause among creative practitioners and help explaining the positive and negative combination effects in the segments.
Overall, this dissertation contributes to the cultural and creative industries literature, the state of research on passion in entrepreneurship and psychology, and the literature whose epistemological interest aim at capturing and explaining entrepreneurial contexts and environments. Findings reveal (a) the central importance, development, and impact of passion among creative and cultural entrepreneurs, (b) the influence of life context on passion and performance, and (c) the interplay of combined positive and adverse effects of the domains of entrepreneurial passion and their impact on entrepreneurial performance.Unternehmertum gilt als prägendes Element für Fortschritt, Innovation, Wachstum und Wohlstand. Leidenschaft wiederum treibt Menschen dazu an, bedeutsame Aktivitäten dauerhaft zu verfolgen. Dabei werden Kompetenzen, Wissen, Erfahrungen und Kontakte in Interaktion mit der Umwelt aufgebaut, die zu individuellen Höchstleistungen führen können. Wenn beides zusammenkommt und sich Leidenschaft auf das Verfolgen und Nutzen von unternehmerischen Gelegenheiten bezieht, entsteht unternehmerische Leidenschaft. Der gegenwärtige Stand der Forschung zeigt, dass unternehmerische Leidenschaft eine Quelle von Motivation, Inspiration, Kreativität und Durchhaltevermögen ist, die das Denken und Handeln von Menschen bestimmt und positiv auf ihre persönliche Entwicklung und unternehmerische Performanz wirkt. In der Kultur- und Kreativwirtschaft beginnt Unternehmertum häufig aus einer Leidenschaft für eine künstlerische oder kreative Tätigkeit heraus, die als Hobby oder Freizeitaktivität verfolgt und über die Jahre hinweg professionalisiert wird. Dabei entstehen häufig Spannungen und Konflikte zwischen ideellen und ökonomisch-organisatorischen Imperativen. Wie und warum sich aus einer künstlerisch-kreativen eine unternehmerische Leidenschaft entwickelt und wie sie auf unternehmerischen Erfolg wirkt, ist jedoch nahezu unerforscht. Daher ist es das Ziel dieser Dissertation, die Entwicklung von Leidenschaft und ihre Wirkung auf den unternehmerischen Erfolg von Kreativschaffenden, deren Ambitionen von einer nicht-unternehmerischen Leidenschaft bestimmt sind, zu untersuchen und zu erklären.
Die erste Studie ermittelt den gegenwärtigen Stand der Literatur zu Unternehmertum in der Kultur- und Kreativwirtschaft. Die zweite Studie stellt eine Aufarbeitung des Forschungsstandes zum Thema Leidenschaft im unternehmerischen Kontext dar und entwickelt einen theoriebasierten Ansatz, der erklärt, wie Leidenschaft entstehen, sich auf Unternehmertum ausweiten und zu unternehmerischem Erfolg führen kann. Die dritte Studie knüpft daran an und generiert mentale Karten mit der Methode des Conceptual Causal Mapping auf der Basis von 11 halbstrukturierten Interviews mit erfolgreichen Unternehmern, deren Lebenswege von einer ausgeprägten Leidenschaft für Musik bestimmt sind. Die Studie zeigt erstmals, wie sich real gelebte Leidenschaft entwickelt und konstituiert, wie sie in den persönlichen, sozialen und unternehmerischen Lebenskontext von Individuen eingebettet ist und wie unternehmerischer Erfolg davon mitbestimmt ist. In der abschließenden Studie wird auf Basis der Person-Environment-Fit-Theorie ein Modell entwickelt, das die positive Wirkung von passenden Lebenskontexten auf die gegenwärtig messbaren Domänen unternehmerischer Leidenschaft und auf unternehmerischen Erfolg begründet. Lebenskontext-Fit wurde mithilfe der Personal Project Analysis operationalisiert und die Hypothesen an einem Sample von 406 kreativschaffenden Unternehmern mittels Strukturgleichungsmodellierung (Methode der kleinsten Quadrate) getestet. Die Ergebnisse belegen die Wirkung des Lebenskontexts auf unternehmerische Leidenschaft und deren sukzessive Übersetzung in Performanz, allerdings nicht im Gesamtsample, sondern in vier Segmenten, die als Künstlerunternehmer, Kulturunternehmer, Kreativunternehmer und Lifestyle-Unternehmer klassifiziert werden konnten. Anders als erwartet zeigen die Analysen, dass weder die Passung des Lebenskontexts noch die Domänen der unternehmerischen Leidenschaft einheitlich positiv wirken, sondern kombinierte positive und negative Effekte haben können. Das sind überraschende Ergebnisse, da die bestehende Forschungsliteratur bisher nahezu übereinstimmend positive Effekte von Leidenschaft auf Performanz festgestellt hat. Über Post-hoc-Analysen können die variierenden Konstitutionen von Lebenskontexten und die Ausprägungen der bisher noch nicht messbaren Domänen von unternehmersicher Leidenschaft für Produkte, für Menschen und für einen sozialen Zweck bei Kreativschaffenden nachgewiesen und die Wirkungskombinationen erklärt werden.
Insgesamt leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Literatur der Kultur- und Kreativwirtschaft, zum Stand der Forschung über Leidenschaft in Unternehmertum und Psychologie sowie zu dem Strang der Entrepreneurship-Literatur, deren erkenntnistheoretisches Interesse in der Erfassung und Erklärung von unternehmerischen Kontexten und Umgebungen liegt. Die Studienergebnisse zeigen (a) die zentrale Bedeutung, Entwicklung und Wirkung von Leidenschaft bei Kreativschaffenden, (b) den Einfluss des Lebenskontexts auf Leidenschaft und Performanz, und (c) das Zusammenspiel von kombinierten positiven und negativen Domänen der Leidenschaft und ihre Auswirkungen auf unternehmerischen Erfolg
Metalloporphyrins as potentially prebiotic molecules and chemical biosignatures
No full textDiese Doktorarbeit befasst sich mit zwei wichtigen astrobiologischen Aspekten von Metalloporphyrinen. Erstens mit der möglichen abiotischen Entstehung von Metalloporphyrinen unter präbiotisch plausiblen Bedingungen und zweitens mit Metalloporphyrinen als mögliche molekulare Biosignaturen im Zusammenhang mit der Suche nach außerirdischem Leben. Diese zweigleisige Herangehensweise ermöglichte es, einen umfassenderen Überblick über Metalloporphyrine im astrobiologischen Kontext zu gewinnen.
In den heute bekannten lebenden Organismen kommen Metallkomplexe von Porphyrinen und Porphyrinoiden ubiquitär vor; freie Porphyrinbasen spielen dagegen kaum eine Rolle. Zu den bekanntesten Beispielen zählen die Chlorophylle (Mg-Komplexe), die entscheidend an der Photosynthese beteiligt sind, und die Häm-Gruppe, z. B. als Cofaktor der Cytochrome, welche eine bedeutende Rolle bei der Zellatmung spielen. Evolutiv scheinen Porphyrinoid-Cofaktoren sehr alt zu sein, und tatsächlich wurden 1,1 Milliarden Jahre alte Geoporphyrine in Sedimentgestein gefunden. Vorfahren der heute bekannten Porphyrinoid-Cofaktoren, einfache Metalloporphyrine, könnten schon in den ersten Lebewesen oder noch früher in abiotischen Protometabolismen vorgekommen sein. Zudem legt die weite Verbreitung von Porphyrinoid-Cofaktoren in den bekannten Organismen sowie ihre Beteiligung an grundlegenden biologischen Funktionen nahe, dass auch in möglichen Lebensformen außerhalb der Erde Metalloporphyrinoide vorkommen könnten. Somit könnten Metalloporphyrinoide als chemische Biosignaturen für die Suche nach Leben auf Mars, Europa, Enceladus und darüber hinaus geeignet sein.
Das erste Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob eine Komplexbildung mit ausgewählten Metallen (Fe, Mg, Co, Ni und Cu) unter präbiotisch plausiblen Bedingungen möglich ist. Ausgehend von einer zuvor von unserer Arbeitsgruppe beschriebenen präbiotischen Synthese von Octaalkylporphyrinen an simulierten urzeitlichen Vulkanküsten sollte der Einfluss von Nass-Trocken-Zyklen (NTZ) auf Octaethylporphyrin (OEP) und ausgewählte Metallquellen untersucht werden. Hierzu musste zunächst eine neuartige, automatisierte Apparatur entwickelt werden, die die Simulation der Bedingungen auf der frühen Erde, speziell an urzeitlichen Vulkanküsten, ermöglichte. Insbesondere musste diese Apparatur einen strikten Ausschluss von Luftsauerstoff sicherstellen und fluktuierende Wechsel zwischen Nass- und Trockenphasen ermöglichen.
Zunächst wurden Experimente durchgeführt, um die neue Apparatur zu testen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Apparatur über einen längeren Zeitraum vollständig automatisch und zuverlässig arbeitete. In weiteren Versuchen wurde geprüft, ob oxidationsempfindliche Sub-stanzen in der Apparatur gehandhabt werden können. Hierbei konnte gezeigt werden, dass in der Tat ein strikter Ausschluss von Sauerstoff möglich ist. Damit erwies sich die Apparatur als geeignet für die Untersuchung der Bildung von Metall¬komplexen aus OEP und diversen Metallquellen unter dem Einfluss von wechselnden NTZ. Als Metallquellen wurden unter anderem Metall(II)-chloride, Metallsulfide, Basalt und Eisenmeteorite eingesetzt. Hierbei lag der Fokus auf Eisenquellen. Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass sich mit den ent¬sprechenden Metallquellen Eisen-, Magnesium-, CobaltNickel- und Kupfer-Komplexe in einer ungewöhnlichen Reaktion bildeten (vollständig wasserunlösliches OEP reagierte mit teilweise ebenfalls unlöslichen Metallquellen), wobei sich NTZ als essenziell erwiesen. In Süßwasser konnten Ausbeuten zwischen 20 und 78 % (bezogen auf das Porphyrin) erhalten werden. Außerdem wurde der Einfluss von künstlichem Meerwasser und niedrigen pH-Werten auf die Komplexbildung untersucht.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Frage nach der Stabilität von Metalloporphyrinen modellhaft anhand der Verbindung Chlorido(octaethylporphyrinato)eisen(III), [FeCl(oep)], nachgegangen. Für die durchgeführten Experimente wurden potentiell destruktive Bedingungen ausgewählt, die für Metalloporphyrine als mögliche chemische Biosignaturen relevant sind, aber auch Bedingungen, wie sie vermutlich an urzeitlichen Vulkanküsten herrschten. In umfangreichen Versuchsreihen konnte unter anderem gezeigt werden, dass (a) der Eisen-OEP-Kern über einen pH-Bereich von 0,0 bis 13,5 stabil ist, (b) [FeCl(oep)] bis ca. 250 °C in inerter Atmosphäre stabil ist, (c) eine Salzmatrix [FeCl(oep)] vor Röntgenstrahlung schützt, aber nicht vor Eisen-Partikelstrahlung, und (d) Hypochlorit, Wasserstoffperoxid, Chlorat und Salpetersäure [FeCl(oep)] oxidativ zersetzen (Oxidationswirkung in absteigender Reihenfolge). Perchlorat, das häufig im Zusammenhang mit seinem Vorkommen im Mars-Regolith genannt wird, zeigte dagegen keine Oxidationswirkung. Schließlich wird in der vorgelegten Arbeit die Bedeutung der Metalloporphyrine als potentielle Biosignaturen diskutiert, speziell vor dem Hintergrund ihrer Stabilität und möglicher abiotischer Synthesewege für diese Verbindungen.This doctoral thesis addresses two important astrobiological aspects of metalloporphyrins. First, the possible abiotic origin of metalloporphyrins under prebiotically plausible conditions, and second, metalloporphyrins as possible molecular biosignatures in the context of the search for extraterrestrial life. This two-pronged approach allowed us to obtain a more comprehensive overview of metalloporphyrins in an astrobiological context.
In presently known living organisms, metal complexes of porphyrins and porphyrinoids occur ubiquitously, whereas free base porphyrins scarcely matter. Among the best known examples are chlorophylls (magnesium complexes), which are crucially involved in photosynthesis, and the heme group, for example as a cofactor of cytochromes, which play an important role in cel¬lular respiration. In terms of evolution, porphyrinoid cofactors appear to be very old, and indeed 1.1 billion-year-old geoporphyrins have been found in sedimentary rocks. Ancestors of current porphyrinoid cofactors, simple metalloporphyrins, may have been present in the first organisms or even earlier in abiotic protometabolisms. Furthermore, the wide distribution of porphyrinoid cofactors among known organisms, as well as their participation in basic biological functions, suggests that metalloporphyrinoids may also be present in potential life forms beyond Earth. Thus, metalloporphyrinoids could be useful as chemical biosignatures in the search for life on Mars, Europa, Enceladus and beyond.
The first objective of this work was to investigate whether complex formation with selected metals (Fe, Mg, Co, Ni, and Cu) is possible under prebiotically plausible conditions. Based on a prebiotic synthesis of octaalkylporphyrins at simulated primordial volcanic coasts, which has been previously described by our group, the influence of wet-dry cycles on octaethylporphyrin (OEP) and selected metal sources was to be studied. For this purpose, first a novel, automated apparatus had to be developed that allowed the simulation of conditions on the early Earth, especially at primordial volcanic coasts. In particular, this apparatus had to ensure strict exclu-sion of atmospheric oxygen and allow fluctuating changes between wet and dry phases (simu-lation of tides or rainfall).
Initially, experiments were conducted to test the new apparatus. It was shown that the appa-ratus worked completely automatically and reliably over a longer period of time. In further experiments, it was tested whether oxidation-sensitive substances can be handled in the apparatus. Indeed, it was shown that it is possible to strictly exclude oxygen. Thus, the apparatus proved to be suitable for investigating the formation of metal complexes from OEP and various metal sources under the influence of alternating wet-dry cycles. Metal sources used included metal(II) chlorides, metal sulfides, basalt, and iron meteorites. The focus was on iron sources. Indeed, it was shown that iron, magnesium, cobalt, nickel and copper complexes formed with the corresponding metal sources in an unusual reaction (completely water-insoluble OEP reacted with partly also insoluble metal sources), whereby wet-dry cycles turned out to be essential. Yields ranging from 20 to 78% (relative to the porphyrin) were obtained in fresh water. In addition, the influence of artificial seawater and low pH values on complex formation was investigated.
In the second part of the thesis, the stability of metalloporphyrins was investigated using the compound chlorido(octaethylporphyrinato)iron(III), [FeCl(oep)], as a model. Potentially de-structive conditions relevant to metalloporphyrins as possible chemical biosignatures were selected for the experiments performed, as well as conditions that presumably prevailed on primordial volcanic coasts. Extensive series of experiments demonstrated, among other things, that (a) the iron OEP core is stable over a pH range of 0.0 to 13.5, (b) [FeCl(oep)] is stable up to ca. 250 °C in an inert atmosphere, (c) a salt matrix protects [FeCl(oep)] from X-ray radiation but not from iron particle radiation, and (d) hypochlorite, hydrogen peroxide, chlorate, and nitric acid oxidatively decompose [FeCl(oep)] (oxidation power in descending order). On the other hand, perchlorate, which is often mentioned in connection with its occurrence in the Martian regolith, did not show any oxidation effect. Finally, the importance of metalloporphyrins as potential biosignatures is discussed in the presented work, particularly in the light of their stability and possible abiotic synthetic pathways for these compounds
The potential of social innovation in rural revitalisation : a comparative case study from Taiwan
Get PDFSocial innovations have been frequently discussed in the context of rural development and even viewed as a key toward rural revitalisation, promising to cope with such societal challenges. However, to what extent and how social innovation can contribute to rural development, especially under the future challenge of rural decline, still remains an ongoing concern.
This research aims to explore the potential of social innovation in rural revitalisation by clarifying the actors roles in social innovation processes. In particular, the study made use of four cases of rural development practice in Taiwan. The special attention of these case studies draws on the four objectives, which are: (1) to explore the role of actors in community-driven social innovation; (2) to clarify the role of actors in external support-driven rural social innovation; (3) to provide recommendations for integrating the concept of social innovation into rural development policies and programmes; (4) to further theoretical and methodological insights for the study of rural social innovation.
The study concludes that the internal actors may not aim to innovate society they intend to solve practical local issues. Therefore, the outcomes of social innovation can be unintentional; tangible and material outcomes are crucial for internal actors, which may challenge the literatures perspective that treats material outcomes as supplementary results. Furthermore, external actors could play a key role as helpers in fuelling social innovation only if they get sufficient support from rural areas and the public sector, resulting in their growth while facing upcoming challenges.
The study also discussed the pros, cons, and differences between community-driven and external support-driven approaches. These two approaches―are like two sides of the same coin―while the former is more local-oriented in terms of local targeted problems and local joint actors, the latter is rather issue-oriented that can focus on the targeted problems and the joint actors without geographical boundaries. In addition, the external support-driven approach conducted by this research to a certain degree reflects the nexogenous approach. From the empirical experiences of this study, this approach might not guarantee the success of rural social innovation―however, it did provide a bright chance for the public sector to participate not only as a partner or sponsor in rural areas but they can actively be as a bridge to link potential partners somewhere beyond geographical boundaries.
Three strategies are provided for the public sector, encompassing: (1) the public sector should actively play a bridging role to provide opportunities for connecting external actors; (2) the public sector could use programmes, such as village competitions or other innovative activities, to provide a reachable share vision for people to participate; (3) rural development related programmes should draw more attentions om educational and learning types of programmes to develop self-learning mechanism in local communities. For theoretical and methodological insights, the ANT can be better used to explore research with inequality consideration and without initial social explanation assumptions. The actor-oriented approach may be suitably used to study interactions among clear differentiation of social actors with initial social explanation assumptions.
From the findings of this case study, it can be concluded that social innovation in terms of rural revitalisation is valuable in its outcomes, uncertain in its emergence, challenged by the marginalising rural reality, and promising on external connections without geographical boundaries. Since the future of rural marginalisation is considered inevitable, to survive in its effects is essential. In other words, rural social innovation may not be able to eliminate the causes of rural marginalisation; however, it provides an approach to adapt its effects, that is, to weave a future that rural areas might not have many inhabitants―however, they have more self-organisation―initiators, actors, more external partners and connections are driven by needs to solve common societal problems―without geographical boundaries.Soziale Innovationen werden häufig im Zusammenhang mit der Entwicklung des ländlichen Raums diskutiert und sogar als Schlüssel zu deren Wiederbelebung angesehen und zur Bewältigung solcher gesellschaftlichen Herausforderungen. Inwieweit und wie soziale Innovationen zur Entwicklung des ländlichen Raums beitragen, und insbesondere einem negativen Trend entgegenwirken können, ist jedoch nach wie vor eine offene Frage.
Ziel dieser Untersuchung ist es, das Potenzial der sozialen Innovation für die Wiederbelebung des ländlichen Raums über die Klärung der Rollen der Akteure in sozialen Innovationsprozessen zu erforschen. Für die Studie wurden vier Fälle aus der Praxis der ländlichen Entwicklung in Taiwan herangezogen. Die besondere Aufmerksamkeit, mit der die vier Fallstudien untersucht wurde, beruht auf den folgenden vier Zielen: (1) Untersuchung der Rolle von Akteuren bei gemein-schaftsgetriebenen sozialen Innovationen; (2) Klärung der Rolle von Akteuren bei extern unterstützten sozialen Innovationen im ländlichen Raum; (3) Erarbeitung von Empfehlungen für die Integration des Konzepts der sozialen Innovation in politische Maßnahmen und Programme zur Entwicklung des ländlichen Raums; (4) Förderung theoretischer und methodologischer Erkenntnisse für die Untersuchung sozialer Innovationen im ländlichen Raum.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die internen Akteure möglicherweise nicht darauf abzielen, die Gesellschaft zu erneuern - sie beabsichtigen, praktische lokale Probleme zu lösen. Daher können die Ergebnisse sozialer Innovation unbeabsichtigt sein; greifbare und materielle Ergebnisse sind für interne Akteure von entscheidender Bedeutung, was eine in der Literatur verbreitete Sichtweise in Frage stellt, die materielle Ergebnisse als zusätzliche Ergebnisse behandelt. Darüber hinaus könnten externe Akteure nur dann eine Schlüsselrolle bei der Förderung sozialer Innovation spielen, wenn sie ausreichend Unterstützung aus dem ländlichen Raum und dem öffentlichen Sektor erhalten, was zu ihrem Wachstum bei gleichzeitiger Bewältigung der anstehenden Herausforderungen führt.
Die Studie erörtert auch die Vor- und Nachteile sowie die Unterschiede zwischen gemeinschaftsorientierten und auf externe Unterstützung ausgerichteten Ansätzen. Diese beiden Ansätze sind wie zwei Seiten derselben Medaille - während der erste Ansatz eher lokal orientiert ist, was die anvisierten Probleme und die lokalen gemeinsamen Akteure betrifft, ist der zweite Ansatz eher themenorientiert und konzentriert sich auf die Probleme und die gemeinsamen Akteure ohne geografische Grenzen zu setzen. Darüber hinaus spiegelt der von dieser Studie verfolgte Ansatz der externen Unterstützung bis zu einem gewissen Grad den "nexogenen Ansatz" wider. Aus den empirischen Erfahrungen dieser Studie geht hervor, dass dieser Ansatz keine Garantie für den Erfolg sozialer Innovationen im ländlichen Raum ist - er bietet jedoch eine gute Chance für den öffentlichen Sektor, nicht nur als Partner oder Sponsor in ländlichen Gebieten aufzutreten, sondern aktiv als Brücke zu fungieren, um potenzielle Partner über geografische Grenzen hinweg miteinander zu verbinden.
Drei Strategien für den öffentlichen Sektor vorgeschlagen: (1) der öffentlichen Sektor sollte aktiv eine Brücken¬funktion übernehmen, um Möglichkeiten für die Einbindung externer Akteure zu schaffen; (2) der öffentliche Sektor könnte Programme wie Dorfwettbewerbe oder andere innovative Aktivitäten nutzen, um den Menschen eine erreichbare gemeinsame Vision zu bieten, an der sie sich beteiligen können; (3) Programme zur Entwicklung des ländlichen Raums sollten mehr Aufmerksamkeit auf Bildungs- und Lernprogramme lenken, um Selbst¬lernmechanismen in lokalen Gemeinschaften zu entwickeln. Für theoretische und methodologische Einsichten kann die ANT besser genutzt werden, um Forschung unter Berücksichtigung von Ungleichheit und ohne anfängliche soziale Erklärungsannahmen zu betreiben. Der akteursorientierte Ansatz eignet sich für die Untersuchung von Interaktionen zwischen klar differenzierten sozialen Akteuren mit anfänglichen sozialen Erklärungsannahmen.
Aus den Ergebnissen dieser Fallstudie lässt sich schließen, dass soziale Innovation im Hinblick auf die Wiederbelebung des ländlichen Raums in ihren Ergebnissen wertvoll, in ihrer Entstehung unsicher, durch die Marginalisierung des ländlichen Raums herausgefordert und auf externe Beziehungen ohne geografische Grenzen angewiesen ist. Da ländliche Marginalisierung in der Zukunft unvermeidlich scheint, ist es wichtig, ein Leben mit deren Auswirkungen zu gestalten. Soziale Innovation bietet dazu einen Ansatz, wie die abnehmende Zahl der Einwohner in ländlichen Räumen über mehr Selbstorganisation und externe Partner und Beziehungen gemeinsame gesellschaftliche Probleme lösen können ohne geographische Grenzen
Phenotypic and genomics-assisted breeding of soybean for Central Europe : from environmental adaptation to tofu traits
Get PDFSoybean (Glycine max Merr.) is one of the major crops in the world providing an important source of protein and oil for food and feed; however it is still a minor crop in Central Europe. Soybean cultivation can play an important role in a more sustainable agricultural system by increasing local and regional protein production in Europe. The demand for locally produced soybean products is still growing in Europe. The key for a successful establishment of soybean cultivation in Europe is adaptation of soybean varieties to the Central European growing conditions. For the latitudinal adaptation to long-day conditions in Central to Northern Europe, an adapted early flowering and maturity time is of crucial importance for a profitable cultivation. The key traits flowering and maturity are quantitatively inherited and mainly affected by photoperiod responsiveness and temperature sensitivity. The most important loci for an early flowering and maturity are E1-E4 and the various allelic combinations condition soybean flowering and maturity time and therefore strongly contribute to the wide adaptability (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013).
Besides the main usage as protein source for animal feeding, soybean is also a very valuable source for human consumption. Tofu is enjoying ever greater popularity in Europe, as it is one of the best sources of plant protein with additional health benefits, rich in essential amino acids, beneficial lipids, vitamins, and minerals, as well as other bioactive compounds, such as isoflavones, soyasaponin, and others, (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Thus, plant breeding has to provide not only well-adapted varieties with good agronomic and quality properties, but also provide varieties well-suited to the further processing into soymilk and tofu. Therefore, a good knowledge about the breeding target, how to assess it and how it is inherited is crucial.
The conducted studies covered a broad range of aspects relevant to improve a soybean breeding program. By combining environmental analysis, E-gene analysis, genomic approaches (QTL mapping and genomic prediction), and tofu phenotyping, breeder decisions become more accurate and targeted in the way of selection thereby increasing the genetic gain. In addition, combining the results of the different aspects helps to optimize the resources of a breeding program. Increasing the knowledge about the different aspects from environment to tofu QTL enables a breeder to be more precise and focused. But the more targeted and specific, the more complex a breeding program gets, which requires adequate tools to handle all the different information in a meaningful and efficient way to enable a quick and precise breeding decision.Die Sojabohne (Glycine max Merr.) ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt und stellt eine wichtige Protein- und Ölquelle für Lebens- und Futtermittel dar; in Mitteleuropa spielt die Sojabohne jedoch immer noch eine untergeordnete Rolle im Anbau. Der Sojabohnenanbau kann eine wichtige Rolle in einem nachhaltigeren Agrarsystem spielen, indem er die lokale und regionale Proteinproduktion in Europa steigert. Die Nachfrage nach lokal produzierten Sojabohnenprodukten wächst in Europa weiter. Der Schlüssel für eine erfolgreiche Etablierung des Sojaanbaus in Europa ist die Anpassung der Sojasorten an die mitteleuropäischen Anbaubedingungen. Für die Breitenanpassung an Langtagbedingungen in Mittel- bis Nordeuropa ist eine angepasste frühe Blüte- und Reifezeit von entscheidender Bedeutung für einen ertragreichen Anbau. Die Schlüsselmerkmale Blüte und Reife werden quantitativ vererbt und hauptsächlich durch die Photoperioden- und Temperaturempfindlichkeit beeinflusst. Die wichtigsten Genorte für eine frühe Blüte und Reife sind E1-E4. Die verschiedenen Allelkombinationen bedingen die Sojabohnenblüte und Reifezeit und tragen daher stark zur breiten Anpassungsfähigkeit bei (Jiang et al., 2014; Tsubokura et al., 2014; M. Xu et al., 2013).
Neben der Hauptverwendung als Proteinquelle für die Tierfütterung ist Soja auch eine sehr wertvolle Quelle für die menschliche Ernährung. Lebensmittel auf Sojabasis spielen eine zentrale Rolle in der asiatischen Küche, die sehr unterschiedliche Produkte anbietet, wobei Tofu das wichtigste Produkt ist. Tofu erfreut sich in Europa immer größerer Beliebtheit, da er eine der besten pflanzlichen Proteinquellen mit zusätzlichem Gesundheitsnutzen ist, reich an essentiellen Aminosäuren, nützlichen Lipiden, Vitaminen und Mineralstoffen sowie anderen bioaktiven Verbindungen wie Isoflavonen, Sojasaponin und andere (Lima et al., 2017; Zhang et al., 2018). Daher muss die Pflanzenzüchtung nicht nur gut angepasste Sorten mit guten agronomischen und qualitativen Eigenschaften liefern, sondern auch Sorten, die sich für die Weiterverarbeitung zu Sojamilch und Tofu gut eignen. Gute Kenntnisse über das Zuchtziel, wie es zu beurteilen ist und wie es vererbt wird, sind daher entscheidend.
Die durchgeführten Studien deckten ein breites Spektrum von Aspekten ab, die für die Verbesserung eines Sojabohnenzuchtprogramms relevant sind. Durch die Kombination von Umweltanalyse, E-Gen-Analyse, genomischen Ansätzen (QTL-Mapping und genomische Vorhersage) und Tofuphänotypisierung werden Züchterentscheidungen genauer und zielgerichteter in der Selektion, wodurch der Zuchtfortschritt erhöht wird. Darüber hinaus hilft die Kombination der Ergebnisse der verschiedenen Aspekte, die Ressourcen eines Zuchtprogramms zu optimieren. Die Erweiterung des Wissensstands über die verschiedenen Aspekte von der Umwelt bis zum Tofu-QTL ermöglicht es einem Züchter, präziser und fokussierter zu sein. Doch je gezielter und spezifischer, desto komplexer wird ein Zuchtprogramm, das adäquate Werkzeuge benötigt, um mit all den unterschiedlichen Informationen sinnvoll und effizient umzugehen, um damit dann eine schnelle und präzise Zuchtentscheidung zu ermöglichen
Navigating the digitalization of individuals as employees, customers, and themselves
Get PDFDigitalization has long since entered and transformed our professional lives, our interaction with companies, and our private lives. With the progress in digitalization in general and of individuals in particular, both opportunities and challenges arise. Digitalization represents a double-edged sword, with its vast potential on the one end and a number of risks and detrimental effects for individuals, such as technostress, on the other. Individuals need to navigate the opportunities provided by digitalization, as well as its risks, in all areas of their lives.
Addressing digitalization in a way that is in the best interest of individuals requires a thorough understanding of developments, challenges, and possible interventions and solutions. Matt et al. (2019) propose a framework for studying the digitalization of individuals, which represents a holistic approach to structure, classify, and position research along different roles of individuals from a comprehensive set of research angles. By applying this framework as a guiding structure, this dissertation aims to advance knowledge for an improved, safer, and more deliberate navigation of digitalization for individuals in their roles as employees, customers, and themselves from the research angles design, behavior, and consequences. While building on and integrating qualitative research methods such as literature analysis and expert interviews, this dissertation mainly relies on the collection of empirical data and their quantitative analysis. This comprises several small- and large-scale surveys and field experiments, as well as analytical methods such as structural equation modeling, regression analysis, and cluster analysis.
Chapter 2 of this dissertation discusses the digitalization of individuals in their role as employees. Chapter 2.1 covers workplace design in terms of equipment with digital workplace technologies (DWTs) and the user behavior of employees. It determines which DWTs exist and are used by individual employees in a comprehensive and structured fashion. Contributing to a deeper understanding of workplace digitalization, chapter 2.1 also demonstrates and elaborates how this overview of DWTs represents a basis for individualized digital work design as well as adequate interventions. Chapter 2.2 deals with the consequences of DWT user behavior. It focuses on the relationship between workplace digitalization, the negative consequence technostress, and possible countermeasures termed technostress inhibitors. By enabling a more detailed understanding of the underlying mechanisms as well as evaluating the effects of countermeasures, chapter 2.2 discusses the overall finding that workplace digitalization increases technostress. The dynamics of its different components and technostress inhibitors, however, require individual consideration at a more detailed level, as the interrelationships are not consistently intuitive.
In chapter 3, the focus changes to individuals in their role as customers. As a response to increasing data collection by companies as well as increasing data privacy concerns of customers, chapter 3.1 focuses on the identification of a comprehensive list of data privacy measures that address these concerns. Furthermore, it is identified that the implementation of some of these measures would lead to increased customer satisfaction, demonstrating that there is an upside to data privacy for companies and that mutually beneficial outcomes for both involved parties are conceivable. Chapter 3.2 analyzes whether and how digital nudging can be applied to influence customers online shopping behavior towards the selection of more environmentally sustainable products in online supermarkets and how this influence differs with respect to individual customer characteristics. It determines the digital nudging element default rules to be generally effective and simplification to be effective among environmentally conscious customers. On a macro level, the findings contribute to a safer environment in which individuals live their lives, while at the individual level, they foster decision-making quality and health.
Chapter 4 highlights the digitalization of individuals themselves. Chapter 4.1 deals with the design of a habit-tracking app that offers users autonomy in their goal-directed behavior. It is found that the provision of autonomy enhances well-being. Its exercise improves performance, which in turn positively affects well-being. Chapter 4.1 thus contributes insights into how digital technologies can foster the flourishing of users.
As a summary, this dissertation aims to provide research and practice with contributions to a deeper understanding of how individuals as employees, customers, and themselves can successfully navigate digitalization.Die Digitalisierung und durch sie verursachte Veränderungen haben längst in unserem Berufsleben, unserer Interaktion mit Unternehmen und unserem Privatleben Einzug erhalten. Mit der fortschreitenden Digitalisierung im Allgemeinen und der fortschreitenden Digitalisierung von Individuen im Speziellen ergeben sich sowohl Chancen als auch Herausforderungen. Die Digitalisierung stellt ein zweischneidiges Schwert dar. Den enormen Potenzialen stehen eine Reihe von Risiken und negativen Auswirkungen für Individuen wie z.B. Technostress gegenüber. Individuen müssen sich in allen Lebensbereichen in einem Spannungsfeld der Digitalisierung zurechtfinden, welches am einen Ende vielfältige Chancen für Weiterentwicklung und Selbstverwirklichung bereithält, aber am anderen Ende auch zahlreiche Fallstricke und Risiken birgt.
Mit der Digitalisierung auf eine Art und Weise umzugehen, die im besten Interesse von Individuen liegt, erfordert ein gründliches Verständnis der Entwicklungen und Herausforderungen sowie möglicher Interventionen und Lösungen. Matt et al. (2019) schlagen ein Framework für die Untersuchung der Digitalisierung von Individuen vor, das einen ganzheitlichen Ansatz zur Strukturierung, Klassifizierung und Positionierung von Forschung entlang verschiedener Rollen von Individuen und unterschiedlicher Forschungsperspektiven darstellt. Unter Anwendung dieses Frameworks als Leitstruktur zielt diese Dissertation darauf ab, aus den Forschungsperspektiven Design, Verhalten und Konsequenzen Wissen zu schaffen und zu erweitern, wie Individuen in ihren Rollen als Arbeitnehmer:innen, Kund:innen und im privaten Kontext die Digitalisierung besser, sicherer und bewusster meistern können. Aufbauend auf und unter Einbeziehung von qualitativen Forschungsmethoden wie Literaturanalyse und Experteninterviews stützt sich diese Dissertation vor allem auf die Erhebung empirischer Daten und deren quantitative Auswertung. Dies umfasst mehrere kleiner und größer angelegte Umfragen und Feldexperimente sowie analytische Methoden wie Strukturgleichungsmodelle, Regressions- und Clusteranalysen.
Kapitel 2 der Dissertation befasst sich mit der Digitalisierung von Individuen in ihrer Rolle als Arbeitnehmer:innen. Kapitel 2.1 beschäftigt sich mit der Gestaltung von Arbeitsplätzen hinsichtlich der Ausstattung mit digitalen Technologien und des Verhaltens von Arbeitnehmer:innen bei deren Nutzung. Zum anderen arbeitet Kapitel 2.1 heraus, inwiefern dieser Überblick der digitalen Technologien eine Grundlage für die individualisierte Gestaltung digitaler Arbeit sowie für adäquate Interventionen darstellt. Kapitel 2.2 beschäftigt sich mit den Konsequenzen des Nutzungsverhaltens dieser digitalen Technologien. Im Mittelpunkt steht dabei der Zusammenhang zwischen der Digitalisierung von Arbeitsplätzen, der negativen Konsequenz Technostress und möglichen Gegenmaßnahmen, den sogenannten Technostress-Inhibitoren. Kapitel 2.2 ermöglicht ein detaillierteres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen und bewertet die Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen.
In Kapitel 3 liegt der Fokus auf Individuen in ihrer Rolle als Kund:innen. Als Reaktion auf zunehmende Datenerfassung seitens Unternehmen und wachsende Datenschutzbedenken seitens Kund:innen konzentriert sich Kapitel 3.1 auf die Identifizierung einer umfassenden Liste von Datenschutzmaßnahmen, die diese Bedenken adressieren. Darüber hinaus wird festgestellt, dass die Umsetzung einiger dieser Maßnahmen zu einer höheren Kundenzufriedenheit führen würde. In Kapitel 3.2 wird analysiert, ob und wie digitales Nudging eingesetzt werden kann, um das Online-Einkaufsverhalten von Kund:innen in Richtung der Auswahl umweltfreundlicherer nachhaltiger Produkte in Online-Supermärkten zu beeinflussen und wie sich dieser Einfluss in Bezug auf einzelne Kundenmerkmale unterscheidet.
Kapitel 4 beleuchtet die Digitalisierung von Individuen im privaten Kontext. Kapitel 4.1 befasst sich mit der Entwicklung einer App zum Festhalten und zur Verfolgung von Gewohnheiten, die ihren Nutzer:innen Autonomie in Bezug auf ihr zielgerichtetes Verhalten bietet. Es wird festgestellt, dass die Bereitstellung von Autonomie das Wohlbefinden der Nutzer:innen steigert. Die Ausübung von Autonomie verbessert die Leistung bei der Zielerreichung.
Zusammenfassend stellt diese Dissertation für Forschung und Praxis Beiträge bereit, die zu einem tieferen Verständnis eines erfolgreichen Umgangs von Individuen als Arbeitnehmer:innen, Kund:innen und Individuen im privaten Kontext mit der Digitalisierung führen sollen
Relative bioavailability of curcumin as affected by formulation strategies : from in vitro digestion and cell culture experiments to human clinical trials
Get PDFCurcumin, the bioactive component of turmeric (Curcuma longa L.), has been used for thousands of years in traditional medicine for the prevention or treatment of several diseases and symptoms. Nowadays, curcumin is investigated worldwide as a nutritional supplement. To overcome the central limitation of its naturally low oral bioavailability, several formulation strategies have been developed, such as its co-administration with turmeric oils or piperine to inhibit its metabolism and efflux or its incorporation into micelles, cyclodextrin complexes or phospholipid bilayers to improve its stability and solubility. So far, the different formulations have not been compared directly, in one cohort of participants and at equal doses.
The present doctoral thesis aimed, for the first time, at a direct comparison of the bioavailability of curcumin in form of a native curcuma extract or seven formulations, namely polysorbate 80 micelles, g-cyclodextrin complexes, liposomes, phytosomes, submicron-particle curcumin or curcumin administered with turmeric oils or piperine, in healthy adults. The project further aimed to investigate several critical factors for curcumin bioavailability in vitro and to explain thereby the observations made in vivo.
In a randomized, double-blind crossover trial with 12 healthy participants (6 females, 6 males), curcumin pharmacokinetics, namely AUC (area under the plasma concentration-time curve), Cmax (maximum plasma concentration) and tmax (time to reach Cmax) were compared after administration of a single oral dose of 207 mg curcumin in form of a native curcuma extract or one of the seven formulations. Curcumin incorporated into polysorbate 80 micelles or g-cyclodextrin complexes showed 57-fold and 30-fold improved bioavailability compared to the native extract, whereas all other formulations showed no or minor effects. tmax of the better bioavailable formulations was smaller (1 to 2 hours) compared to all others (up to 7 hours).
To compare the formulations regarding their digestion characteristics and transepithelial transport, in vitro digestion experiments followed by Caco-2 cell transport assays were conducted with the formulations normalized to their curcumin content. In parallel to the effects in vivo, curcumin showed higher stability, solubility and micellization efficiency when it was incorporated into polysorbate 80 micelles (100%, 80%, 55%) or g-cyclodextrin complexes (73%, 33%, 23%), whereas curcumin permeability through Caco-2 cell monolayers was not affected by its formulation.
In the next study, curcumin efflux, partially mediated by P-glycoprotein (P-gp), was investigated, because the inhibition of curcumin efflux from the intestinal cells back to the intestinal lumen is targeted by the co-administration of curcumin with turmeric oils or piperine. In LS180 (colon adenocarcinoma) cells, native curcuma extract and the seven formulations were studied regarding cellular curcumin uptake within 1 hour and efflux within further 8 hours, as well as their effects on P-gp activity. Independently from its formulation, curcumin inhibited the activity of P-gp. Cellular curcumin uptake and efflux showed significant variability between formulations but no consistent effects. Cellular uptake and efflux may thus not be important for curcumin bioavailability in vivo.
Another potential factor influencing bioavailability, that was investigated for native and micellar curcumin, was the time-dependent intracellular distribution in intestinal cells. Uptake and intracellular distribution in Caco-2 cells mainly did not differ between native and micellar curcumin. After 30 minutes, both were localized in lysosomes and mitochondria, after 180 minutes in peroxisomes and native curcumin also in mitochondria. The temporary localization in lysosomes is in line with the involvement of endocytosis in cellular uptake of curcumin. Nevertheless, the intracellular localization of curcumin was not affected by its incorporation into polysorbate 80 micelles.
The data generated in this doctoral project thus demonstrate that the incorporation of curcumin into polysorbate 80 micelles or g-cyclodextrin complexes successfully improve its bioavailability. The improved bioavailability of both formulations can be explained by enhanced digestive stability, solubility and micellization efficiency and appears to be independent from post-digestive processes, such as intestinal permeability, cellular uptake, cellular efflux or intracellular distribution.
Consequently, the present doctoral thesis delivers relevant information for the therapeutical application of curcumin, for the development of highly bioavailable formulations, as well as the basis for further clinical research on the health beneficial effects of curcumin.Curcumin, der bioaktive Inhaltsstoff der Gelbwurz (Curcuma longa L.), wird bereits seit Jahrtausenden in der traditionellen Medizin zur Behandlung von zahlreichen Erkrankungen und Symptomen eingesetzt. Heutzutage wird es weltweit als Nahrungsergänzungsmittel erforscht. Um gegen seine schlechte Bioverfügbarkeit, die seinen Einsatz limitiert, anzugehen, wurden verschiedene Formulierungsstrategien entwickelt. Beispielweise zielt die gleichzeitige Gabe von Ölen der Gelbwurz oder Piperin auf die Hemmung des Stoffwechsels und Efflux; die Einlagerung in Mizellen, Cyclodextrin-Komplexe oder Phospholipid-Doppelschichten auf die Erhöhung der Stabilität und Löslichkeit, ab. Bislang wurden die Formulierungen nicht direkt, in einer Kohorte und unter Gabe identischer Dosen verglichen.
Die vorliegende Doktorarbeit erzielte den erstmaligen, direkten Vergleich der Bioverfügbarkeit von Curcumin in Form eines nativen Kurkuma-Extraktes oder sieben Formulierungen, nämlich Polysorbat 80-Mizellen, g-Cyclodextrinkomplexe, Liposomen, Phytosomen, Curcumin in einer kleinen Partikelgröße und Curcumin mit Zusatz von Ölen der Gelbwurz oder Piperin, in gesunden Erwachsenen. Ein weiteres Ziel war die Erforschung verschiedener ausschlaggebender Faktoren für die Curcumin-Bioverfügbarkeit in vitro und damit die Erklärung der in vivo-Beobachtungen.
In einer randomisierten, doppelblinden Crossover-Studie mit 12 gesunden Erwachsenen (6 Frauen, 6 Männer), wurde die Pharmakokinetik von Curcumin anhand der AUC (Fläche unter der Plasmakonzentration-Zeitkurve), Cmax (maximale Plasmakonzentration) und tmax (Zeit zum Erreichen von Cmax) nach einer einmaligen oralen Gabe von 207 mg Curcumin in Form eines nativen Kurkuma-Extraktes oder einer der sieben Formulierungen verglichen. Curcumin eingelagert in Polysorbat 80-Mizellen oder g-Cyclodextrinkomplexe war 57-fach bzw. 30-fach besser bioverfügbar als natives Curcumin. tmax der besser bioverfügbaren Formulierungen war geringer (1 bis 2 Stunden) als aller anderen (bis zu 7 Stunden).
Zum Vergleich der Formulierungen bezüglich ihrer Verdaueigenschaften und des transepithelialen Transports von Curcumin, wurde ein in vitro-Verdau mit anschließenden Caco-2-Transportversuchen durchgeführt, wofür die Formulierungen auf ihre Curcumingehalte normalisiert wurden. Gleich der Effekte in vivo, zeigte Curcumin eine höhere Stabilität, Löslichkeit und Mizellierungseffizienz, wenn es in Polysorbat 80-Mizellen (100 %, 80 %, 55 %) oder g-Cyclodextrinkomplexe (73 %, 33 %, 23 %) eingelagert war. Die Permeabilität von Curcumin durch Caco-2-Zellmonolayer war hingegen unbeeinflusst von dessen Formulierung.
In der nächsten Studie lag der Fokus auf dem Curcumin-Efflux, der unter anderem mittels P-glykoprotein (P-gp) erfolgt. Die gleichzeitige Gabe von Ölen der Gelbwurz oder Piperin mit Curcumin zielt auf die Hemmung des Curcumin-Efflux aus den Darmzellen zurück in das Darmlumen ab. Der native Extrakt und die sieben Formulierungen wurden hinsichtlich der Curcumin-Aufnahme innerhalb 1 Stunde sowie des Efflux innerhalb weiterer 8 Stunden und ihrer Effekte auf die Aktivität von P-gp in LS180 (Kolonkarzinom)-Zellen untersucht. Unabhängig von dessen Formulierung hemmte Curcumin die Aktivität von P-gp. Zelluläre Curcuminaufnahme und -efflux variierten signifikant zwischen einzelnen Formulierungen, wobei die Effekte nicht einheitlich waren. Die zelluläre Aufnahme und der Efflux von Curcumin scheinen für dessen Bioverfügbarkeit nicht von relevanter Bedeutung zu sein.
Die Zeit-abhängige intrazelluläre Verteilung in intestinalen Zellen, exemplarisch untersucht für natives und mizellares Curcumin, ist ein weiterer potentieller Einflussfaktor für die Bioverfügbarkeit. Die Aufnahme und Verteilung in Caco-2-Zellen unterschied sich nicht grundlegend zwischen nativem und mizellarem Curcumin. Nach 30 Minuten waren beide in Lysosomen, nach 180 Minuten in Peroxisomen und natives Curcumin in Mitochondrien lokalisiert. Die zeitweise Lokalisation in den Lysosomen geht mit der Beteiligung der Endozytose an der zellulären Aufnahme von Curcumin einher. Nichtsdestotrotz wurde die Lokalisation von Curcumin nicht durch dessen Formulierung beeinflusst.
Insgesamt wurde beobachtet, dass die Einlagerung von Curcumin in Polysorbat 80-Mizellen oder g-Cyclodextrinkomplexe dessen Bioverfügbarkeit verbessert. Die in vivo beobachteten Effekte sind primär auf die Verbesserung der Verdaustabilität, Löslichkeit und Mizellierungseffizienz und weniger auf Faktoren wie die intestinale Permeabilität, zelluläre Aufnahme, Efflux oder intrazelluläre Verteilung zurückzuführen.
Infolgedessen liefert die vorliegende Doktorarbeit wichtige Informationen für die therapeutische Anwendung von Curcumin, für die Entwicklung bioverfügbarer Formulierungen, und eine bedeutende Grundlage für die weitere klinische Erforschung seiner Gesundheitseffekte
Development and evaluation of methods for assessing the efficiency of biogas plants
Get PDFBiogas is a renewable energy source with main advantages compared to other renewable energy sources. The advantages include the use of organic waste as a substrate, local power and heat production, rural job creation, the possibility of a flexible gas production and a product which can easily stored and transported in a gas grid or on the roof of a digester.
However, the development of the biogas sector is highly dependent on the costs of producing gas, electricity and heat. The production costs are higher than the costs for other energy sources. Growth of the biogas sector is therefore only possible if there is political promotion for biogas as there was in Germany through the EEG. Nowadays, due to the reduction of bonus payments in the EEG 2017 and EEG 2021 in Germany as well as the lack of policy promotion in several other countries, lower production costs based on a higher efficiency are essential to help the biogas sector grow further. In order to achieve higher efficiency and to tap the full potential of biogas, the efficiency has to be determined, which is done in this thesis.
The input methane potential is determined using 6 different methods. These methods are compared on the basis of an investigation of 33 German agricultural BPs as well as one German and one US BP using food waste as feedstock. The four methods based on the batch test show a high sensitivity. Unfortunately, they also show efficiencies greater than 100% for most BPs, clearly indicating an underestimation of the degradable potential. Only for the US BP can an efficiency less than 70% be reported. This result is probably based on the lack of heating system corresponding to the lack of promotion of heat recovery in the US. The CE according to the BMP method also reveals an average efficiency of 95% for the German BPs. The values of the two gross calorific value-based methods show efficiencies below 100%, but with low sensitivity. The results of these methods can be used to determine the further potential of a bioeconomic process and to compare the biogas process with other industrial processes.
There are several impact factors that affect the accuracy of the efficiency measurements. The installed meters are not frequently calibrated at most BPs. Also, some meters are almost completely missing, as only few BPs in Germany have a gas flow meter. Thus, assumptions and calculations are required to determine the efficiency. In the developed method, the gas flow must be calculated from the amount of the power production, the calorific value, the gas quality, the CHP unit efficiency and the conversion loss at the transformer. The last two values must be assumed, even if the database is small. Another important parameter is the feeding mass. It is measured by the German BPs, but in some cases, the data quality is low. For example, different crops are mixed in the silos and measurement of each substrate is not possible. This leads to measurement errors shown by the organic dry matter mass balance, which has a residual value of up to 24%, while only 11% can be occur based on water incorporation into the ODM.
Another factor having an impact is the sampling. The results of a monthly sampling throughout the year show a fluctuation in the DM/ODM values.
To investigate the accuracy of the methods used to determine the SMP of the substrate, the biochemical methane potential test is examined in detail. The BMP consists of the used inoculum, the substrate, the digestion system and the calculation. The impact of the used inoculum and the digestion system is investigated by using different inocula in one digestion system as well as by using the same inoculum in multiple digestion systems. The inocula used in this thesis are well-known and have been used in interlaboratory tests for several years. Thus, outliners were excluded. A CV of 4.8% can be reported between the different inocula, which is lower than reported in most other publications before. The use of different digestion systems shows a higher CV of up to 12.8%. For the inoculum and the digestion system, the deviation varies strongly and no clear correlation can be identified. Therefore, a correction of this effect is not possible. The biological yield efficiency of 21 of the investigated BPs is in the range of 100 ± 12.8%. This reveals the need of stricter rules for the digestion system. All digestion systems used in this thesis are described in the German guideline VDI 4630. The calculations were also done according to the German guideline VDI 4630. An influence can be neglected. However, if the results of a measurement with already dried gas are compared with the results of a calculation according to VDI 4630, which is based on the measurement with wet gas, a discrepancy can be found.
Although, the CV using only one digestion system and one inoculum is only 1-7%. A comparison of the efficiency of different BPs by using the same inoculum and digestion system is hence recommended.Biogas ist eine erneuerbare Energie, die gegenüber anderen erneuerbaren Energien eine Vielzahl von Vorteilen bietet. So können z.B. organische Abfälle zur Energieproduktion genutzt und eine dezentrale Stromversorgung ermöglicht werden, die zusätzlich Arbeitsplätze außerhalb der Städte generiert. Des Weiteren kann Biogas flexibel und dauerhaft produziert und an der Biogasanlage oder im Gasnetz gelagert werden, um anschließend beim Verbraucher umgewandelt zu werden.
Der Nachteil von Biogas ist, dass die Produktionskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern sehr hoch sind. Daher rentiert sich die Produktion von Biogas nur, wenn Zuschüsse vom Staat geleistet werden oder wenn durch eine CO2-Steuer die fossilen Energieträger entsprechend der langfristigen Folgen ihrer CO2-Emissionen verteuert würden. Dies ist der vorrangige Grund dafür, dass der Ausbau von Biogas im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien in vielen Ländern bisher gering ist. In Deutschland wird die Biogasbranche durch das EEG gefördert, doch im Zuge des EEG 2012, EEG 2017 und EEG 2021 sind die Bonuszahlungen deutlich reduziert worden, was den weiteren Ausbau der Produktion zum Erliegen gebracht hat und einen Rückbau der Anlagen in den kommenden Jahren wahrscheinlich macht. Um dies zu verhindern sowie einen Ausbau in anderen Ländern zu fördern, ist eine Verringerung der Produktionskosten beispielsweise mittels höherer Effizienz notwendig.
Um die Effizienz zu steigern und Optimierungspotential zu entdecken, ist der erste Schritt, eine solche Effizienz zunächst zu definieren und eine robuste Methode zur Bestimmung dieser festzulegen. Eine solche Methode sollte in dieser Arbeit entwickelt und anschließend ihre Genauigkeit bestimmt werden anhand von 35 Biogasanlagen in Deutschland und einer Biogasanlage in den USA.
Vier der untersuchten Methoden beruhen auf Ergebnissen aus Batch-Tests. Für diese Methoden konnte eine hohe Sensitivität ermittelt werden. Jedoch wurden für die meisten Biogasanlagen biologische Ausbeuteeffizienzen von mehr als 100% errechnet, was physikalisch nicht plausibel ist und auf eine Unterschätzung des Biogaspotentials der Substrate schließen lässt. Die beiden Methoden, die auf Heizwerten basieren, zeigen hingegen eine geringe Sensitivität, dafür jedoch Effizienzen kleiner als 100%. Die Ergebnisse der beiden Methoden können in Zukunft für die Abschätzung des Potentials weiterer Bioökonomieprozesse sowie zum Vergleich mit anderen Industrieprozessen genutzt werden.
Eine Vielzahl von Parametern beeinflusst die Genauigkeit der Effizienzbestimmung, darunter die geringe Häufigkeit der Kalibrierung oder das Fehlen von Messgeräten.
Am Beispiel des Biogasertragstests wurde die Genauigkeit der verwendeten Methoden zur Bestimmung des spezifischen Methanertrags untersucht. Die Hauptbestandteile des Biogasertragstests sind das verwendete Inokulum, das zu untersuchende Substrat, der Versuchsaufbau und die Auswertung. Die Einflüsse des Inokulums und des Versuchsaufbaus wurden in der vorliegenden Arbeit genauer untersucht. Dazu wurden sechs Inokula in einem Versuchsaufbau und jeweils ein Inokulum in unterschiedlichen Versuchsaufbauten untersucht.
Es wurden Inokula verwendet, die schon bei mehreren Ringversuchen Verwendung fanden und daher bekannt war, dass verlässliche Ergebnisse mit diesen zu erzielen sind. Dies führte zu einem Variationskoeffizienten von 4,8% zwischen den Methanerträgen bei Verwendung verschiedenen Inokula. Dieser Variationskoeffizient (CV) ist geringer als der CV, der in den meisten anderen Publikationen berichtet wird. Bei der Verwendung unterschiedlicher Systeme, die alle nach der deutschen Richtlinie VDI 4630 zulässig sind, zeigte sich hingegen eine Abweichung der Ergebnisse von 12,8%. In beiden Fällen konnten keine eindeutigen Zusammenhänge zwischen den Inokula und den Systemen bei der Untersuchung von unterschiedlichen Substraten festgestellt werden, sodass eine Korrektur der Ergebnisse nicht möglich ist. Aus 34 untersuchten Anlagen haben 21 eine biologische Ausbeuteeffizienz, die im Bereich von 100% ± 12,8% liegt. Dies verdeutlicht, dass der Messfehler aufgrund des verwendeten Systemaufbaus bereits größer ist als der Unterschied in der Effizienz der meisten Biogasanlagen. Folglich sind striktere Regeln zur Verwendung der Systeme von Nöten.
Aufgrund des geringen internen Variationskoeffizienten (1-7%) bei der Verwendung von einem Versuchsaufbau für den Biogasertragstest und einem Inokulum, ist es anzuraten, bei zukünftigen Untersuchungen immer den gleichen Versuchsaufbau und das gleiche Inokulum zu verwenden. Die hieraus gemessene Effizienz der Anlagen kann problemlos untereinander verglichen werden
Applied molecular bioprocess control using RNA thermometers : exploiting temperature responsive elements for rhamnolipid production
Get PDFThe highest titer reported for heterologous Rhamnolipid (RL) production is 14.9 g/L. However, biomass generation, as a large carbon sink, was a significant drawback in this process with roughly 50 more biomass than product produced. This problem is addressed in this thesis leveraging temperature as control variable and a molecular temperature sensor, an RNA thermometer (RNAT). RNAT generally refers to secondary loop structures, in the 5 untranslated region of the mRNA, that form at certain temperatures and therefore regulate translation in dependence of temperature. The ROSE (repression of heat shock gene expression) RNAT evaluated in the first original research article in the heterologous system P. putida KT2440 pSynpro8oT_rhlAB originates from P. aeruginosa. The ROSE element regulates, in dependence of ambient temperature, the translation of rhlA and via a polar effect also the translation of rhlB therefore indirectly RL synthesis. It was found that in the ROSE RNAT-controlled system, the RL production rate was 60% higher at cultivations of 37°C than at 30°C. However, besides the regulatory effect of the RNAT, as revealed by control experiments, multiple unspecific metabolic effects may be equally responsible for the increase in production rate. After screening for even more efficient regulatory structures, a fourU RNAT was identified. Natively, this fourU RNAT regulates the expression of the heat shock gene agsA of Salmonella enterica and its regulatory capability can easily be modified by site-directed mutagenesis. The experimental data collected in the second original research article confirms the functionality of the fourU RNAT in the heterologous RL production system. The data suggested improved regulatory capabilities of the fourU RNAT compared to the ROSE element and a major effect of temperature on RL production rates and yields. The average RL production rate increased by a factor of 11 between 25°C and 38°C. Control experiments confirmed that a major part of this increase originates from the regulatory effect of the fourU RNAT rather than from an unspecific metabolic effect. With this system YP/X values well above 1 (about 1.4 gRL/gBM) could be achieved mitigating the problem of high biomass formation compared to product synthesis. Also, YP/S values of about 0.2 gRL/gGlc at elevated temperatures of 37-38°C were reached in shake flasks. The system was subsequently tested in a proof-of-concept bioreactor process involving a temperature switch. With this simple batch experiment and a temperature switch from 25°C to 38°C not only a partial decoupling of biomass formation from product synthesis was achieved but also an around 25% higher average specific rhamnolipid production rate reached compared to the so far best performing heterologous RL production process reported in literature (average specific production rate: 24 mg/(g h) vs. 32 mg/(g h)). However, to achieve higher titers while reducing side product formation a suitable feeding strategy and more complex temperature profiles may be required. Temperature variations in turn cause several metabolic changes, many of which are complex and interdependent. Models that describe biological processes as a function of temperature are thus essential for improved process understanding. The goal of the peer reviewed review article Modeling and Exploiting Microbial Temperature Response, shown in this thesis, was to present an overview of various temperature models, aid comprehension of model intent and to facilitate selection and application. Since not all metabolic interdependencies and mechanisms during temperature variation are known for the reasonable connection of input-output relationships, a suitable modeling approach seemed to be neural networks. Neural networks as black box models do not require mechanistic a priori knowledge but representative historic datasets. To collect training data, different temperature profiles or constant temperatures for a bioreactor process with P. putida KT2440 pSynpro8oT_rhlAB were applied and concentration curves for biomass, glucose and RL recorded. Subsequently, the data was fed into the neural network to compute RL titer as output. An exponential temperature profile yielded at the highest RL value of approx. 9 g (around 13 g/L) less biomass (around 12 g/L) than product. These values were reached after only 30 h consuming just 45 g of glucose. Hence, at this timepoint 36 weight-% of the consumed glucose could be assigned to mono-RL (YP/S = 0.19 gRL/gGlc) and biomass (YX/S = 0.17 gBM/gGlc. The so far best performing heterologous RL production process, yielded 23.2 g (14.9 g/L) mono-RL from >250 g of consumed glucose (YP/S = 0.10 gRL/gGlc) in >70 h using the same strain and medium but a constant temperature of 30°C.Der höchste für die heterologe Produktion von Rhamnolipiden (RL) beschriebene Titer beträgt 14,9 g/L. In diesem Prozess war die hohe Bildung von Biomasse ein erheblicher Nachteil, da etwa 50% mehr Biomasse als Produkt produziert wurde. Dieses Problem wird in dieser Arbeit durch den Einsatz der Temperatur und eines molekularen Temperatursensors, eines RNA-Thermometers (RNAT), adressiert. RNAT sind sekundäre Schleifenstrukturen in der 5-untranslatierten Region der mRNA, die sich bei bestimmten Temperaturen bilden und daher die Translation in Abhängigkeit dieser regulieren. Das im ersten Forschungsartikel evaluierte ROSE (repression of heat shock gene expression) RNAT im heterologen System P. putida KT2440 pSynpro8oT_rhlAB stammt aus P. aeruginosa. Das ROSE-Element reguliert in Abhängigkeit von der Temperatur die Translation von rhlA sowie über einen polaren Effekt die Translation von rhlB und so indirekt die RL-Synthese. Es wurde festgestellt, dass im ROSE-RNAT-gesteuerten System die RL-Produktionsrate bei Kultivierungen von 37°C um 60% höher war als bei 30°C. Neben dem regulatorischen Effekt des RNAT, wie sich in Kontrollexperimenten zeigte, dürften jedoch auch mehrere unspezifische metabolische Effekte für die Erhöhung der Produktionsrate verantwortlich sein. Nach einem Screening nach effizienteren regulatorischen Strukturen wurde ein fourU RNAT identifiziert. Dieses fourU RNAT reguliert nativ die Expression des Hitzeschockgens agsA von Salmonella enterica, und seine Regulationsfähigkeit kann durch ortsgerichtete Mutagenese leicht verändert werden. Die experimentellen Daten, die im zweiten Forschungsartikel gesammelt wurden, bestätigen die Funktionalität des fourU RNAT in einem heterologen RL-Produktionssystem. Die Daten deuten auf verbesserte regulatorische Fähigkeiten des fourU RNAT im Vergleich zum ROSE-Element hin sowie auf einen wesentlichen Einfluss der Temperatur auf die RL-Produktionsraten und -erträge. Die durchschnittliche RL-Produktionsrate stieg zwischen 25°C und 38°C um das 11-fache. Kontrollexperimente bestätigten, dass ein Großteil dieses Anstiegs auf die regulatorische Wirkung des fourU RNAT und nicht auf einen unspezifischen metabolischen Effekt zurückzuführen ist. Mit diesem System konnten YP/X-Werte von weit über 1 (etwa 1,4 gRL/gBM) erreicht werden, wodurch das Problem der hohen Biomassebildung im Vergleich zur Produktsynthese entschärft wurde. Außerdem wurden in Schüttelkolben YP/S-Werte von etwa 0,2 gRL/gGlc bei erhöhten Temperaturen von 37-38°C erreicht. Das System wurde anschließend in einem Proof-of-Concept-Bioreaktorprozess mit einem Temperaturschalter getestet. Mit diesem einfachen Batch-Experiment und einem Temperaturwechsel von 25°C auf 38°C wurde nicht nur eine teilweise Entkopplung der Biomassebildung von der Produktsynthese erreicht, sondern auch eine rund 25 % höhere durchschnittliche spezifische Rhamnolipid-Produktionsrate im Vergleich zu dem bisher besten in der Literatur beschriebenen heterologen RL-Produktionsprozess (durchschnittliche spezifische Produktionsrate: 24 mg/(g h) vs. 32 mg/(g h)). Um höhere Titer zu erreichen und gleichzeitig die Bildung von Nebenprodukten zu verringern, sind jedoch eine geeignete Fütterungsstrategie und komplexere Temperaturprofile erforderlich. Temperaturschwankungen bewirken wiederum komplexe und voneinander abhängige metabolische Veränderungen. Modelle, die biologische Prozesse in Abhängigkeit von der Temperatur beschreiben, sind daher für ein besseres Prozessverständnis unerlässlich. Ziel des in dieser Arbeit gezeigten Übersichtsartikels "Modeling and Exploiting Microbial Temperature Response" war es, einen Überblick über verschiedene Temperaturmodelle zu geben, das Verständnis für die Intention der Modelle zu vermitteln und so die Auswahl und Anwendung zu erleichtern. Da für die sinnvolle Verknüpfung von Input-Output-Beziehungen nicht alle metabolischen Abhängigkeiten bei Temperaturvariationen bekannt sind, schien ein geeigneter Modellierungsansatz neuronale Netze zu sein. Zur Sammlung von Trainingsdaten wurden verschiedene Temperaturprofile für einen Bioreaktorprozess mit P. putida KT2440 pSynpro8oT_rhlAB verwendet und Konzentrationskurven für Biomasse, Glucose und RL aufgenommen. Anschließend wurden die Daten in das neuronale Netz eingespeist, um den RL-Titer als Ausgabe zu berechnen. Ein exponentielles Temperaturprofil ergab beim höchsten RL-Wert von ca. 9 g (ca. 13 g/L) weniger Biomasse (ca. 12 g/L) als Produkt. Diese Werte wurden bereits nach 30 Stunden erreicht, wobei nur 45 g Glukose verbraucht wurden. Somit konnten zu diesem Zeitpunkt 36 Gew.-% der verbrauchten Glukose zu Mono-RL (YP/S = 0,19 gRL/gGlc) und Biomasse (YX/S = 0,17 gBM/gGlc) zugeordnet werden. Der bisher beste heterologe RL-Produktionsprozess lieferte 23,2 g (14,9 g/L) Mono-RL aus >250 g verbrauchter Glukose (YP/S = 0,10 gRL/gGlc) in >70 h unter Verwendung desselben Stammes und Mediums bei einer konstanten Temperatur von 30°C