2013 research outputs found
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Education and Research in the context of the digital and ecological transformation of agriculture in the Banat Region and Baden-Württemberg - towards resource efficiency and resilience
Full text linkZiel des Banat Green Deal Projekts GreenERDE (Bildung und Forschung im Kontext der digitalen und ökologischen Transformation des Agrarbereichs im Banat und Baden-Württemberg - auf dem Weg zu Ressourceneffizienz und Resilienz) war es entsprechend der landestypischen Schwerpunkte Berufliche Bildung, Umwelt, Wirtschaft und Capacity Building das bisherige Engagement Baden-Württembergs im landwirtschaftlichen Berufsbildungszentrum Voiteg mit einer nachhaltigen Entwicklungsstrategie zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit des Agrarbereichs im rumänischen Banat und benachbarter Regionen mit innovativen fachlichen und gleichzeitig soziokulturell interessanten Inhalten zu verbinden. Das im Rahmen des Projekts durchgeführte Fortbildungsprogramm Landwirtschaft in Verantwortung für unsere gemeinsame Welt, zielt auf den Wissens- und Erfahrungstransfer unter Landwirten und anderen interessirten Personen in der Banat-Region, Rumänien und anderen Teilen der Welt ab. Aktuelle und zukünftige Herausforderungen, wie die ökologische Umstellung und die digitale Transformation der landwirtschaftlichen Produktion, aber auch soziale, wirtschaftliche und kulturelle Aspekte wurden adressiert. Innovatives und relevantes Wissen aus Praxis, Forschungs- oder Entwicklungsprojekten in ganz Europa und anderen Kontinenten wird in einem Trainingsformat für interessierte Teilnehmer präsentiert.The Banat Green Deal project "GreenERDE" (Education and Research in the context of the digital and ecological transformation of agriculture in the Banat Region and Baden-Württemberg - towards resource efficiency and resilience) aimed to strengthen the the competitiveness of the agricultural sector in the Romanian Banat, Baden-Württemberg and neighboring regions with innovative technical and at the same time socio-cultural connect interesting content. The advanced training program Farming in Responsibility for Our Common World carried out as part of this project aims at the transfer of knowledge and experience among farmers and other interested persons. Current and future challenges, such as ecological conversion and the digital transformation of agricultural production, but also social, economic and cultural aspects were addressed. Innovative and relevant knowledge from practice, research or development projects throughout Europe and other continents is presented
Sensitivity of land-atmosphere coupling strength in dependence of land cover and atmospheric thermodynamics over Europe
Full text linkBiogeophysical feedbacks between the land surface and the atmosphere have been identified to heavily control the climate system. Land-atmosphere (L-A) coupling strength is a concept to quantify the feedback processes. However, the quantification is still subject to uncertainties, in particular, in the context of land surface influences on local convective precipitation. On the one hand, feedback processes are the result of a chain of complex interactions between various components in the L-A system all exhibiting spatiotemporal variability. On the other hand, L-A coupling strength is not a directly measurable quantity. It can be assessed with different scientific approaches, which makes the quantification dependent on the methodology and the availability of suitable data sets.
The aim of this doctoral thesis is to investigate the impact of changes in the vegetation cover and the atmospheric thermodynamic conditions on the long-term coupling signal between the land surface and the triggering of deep moist convection during the European summer. The convective triggering potential low-level humidity index framework, which is a commonly used L-A coupling
metric, classifies a day in favor for L-A coupling or not, based on the prevailing thermodynamic conditions in the atmosphere. The daily classifications are used to measure the frequency of days with favorable conditions during the study period, and to identify regions with high frequencies of favorable conditions as coupling hot spots. The framework is applied to model output from regional climate model (RCM) simulations with WRF-NoahMP with diverging land cover conducted over the historical period 1986-2015 for the Euro-CORDEX domain. Impacts of changes in vegetation cover are analyzed by comparing the L-A coupling strength from two sensitivity experiments with idealized extreme land use and land cover changes (LULCCs) against a simulation with realistic land cover. A posteriori modifications to the temperature and moisture output fields of the simulation with realistic land cover were implemented to analyze impacts of systematic changes in the atmospheric thermodynamic conditions.
A potential coupling hot spot with predominantly positive feedbacks was identified over Eastern Europe. In Southern Europe and Europes coastal areas, the coupling is regularly inhibited by very dry, very wet or stable conditions in the atmosphere. The location of the hot spot appeared insensitive to LULCCs and changes in the thermodynamic conditions. None of the sensitivity tests within a realistic range of temperature and moisture modifications for a recent climate period, led to a disappearance of the hot spot or to overcome the causes for inhibiting coupling in the respective areas in summer. Nevertheless, the experiments demonstrated also considerable variance of the coupling strength within the hot spot region. LULCCs changed the turbulent heat fluxes from the land surface, and thus the atmospheric boundary layer (ABL) heating and moistening. This impacted the boundary layer development of each day. It also caused changes in the average thermodynamic characteristics during the study period, which changed the frequency of favorable pre-conditioning for convection triggering and enhanced the variance in the coupling strength in the hot spot. Both effects were identified to influence the land surface control on the occurrence of convective precipitation.
Furthermore, the sensitivity tests with a posteriori modifications revealed uncertainties in the predominant atmospheric response to differently wet surfaces around the Black Sea, shown by a disagreement in the predominant coupling pathway between the modification cases. The findings further indicate uncertainty in whether the hot spot expands over Central Europe, as the feedback signal was sensitive to changes in temperature and moisture. Additionally, the model has a warm and dry bias in this area, which suggests an overestimation of the humidity deficit. The large humidity deficit, in turn, was the inhibiting factor for a high frequency of occurrence of favorable pre-conditions for deep moist convection. The analyses reveal a sensitivity of the L-A coupling strength and atmospheric response to the prevailing land surface and atmospheric conditions in the hot spot. This highlights the need to consider both the land surface state and its impact on L-A coupling strength with respect to predictions of convective precipitation events in strongly coupled regions (and periods). Given that L-A coupling provides predictive skill for climate projections and seasonal forecasts, improved understanding about causes of variability in L-A coupling strength is crucial for improvements therein.Biogeophysikalische Rückkopplungsprozesse zwischen Landoberfläche und Atmosphäre haben einen großen Einfluss auf das Klimasystem. Allerdings unterliegt ihre Quantifizierung, allen voran des Einflusses der Landoberflächen auf die Auslösung konvektiver Niederschläge, weiterhin großen Unsicherheiten. Ursachen dafür sind die Komplexität der Interaktionen im Land-Atmosphären (L-A)-System unter Beteiligung vieler verschiedener Komponenten, die alle unterschiedlich starker räumlich-zeitlicher Variabilität unterliegen. Zudem ist die L-A Kopplungsstärke keine direkt messbare, sondern eine diagnostische Größe, die noch dazu mit verschiedenen wissenschaftlichen Ansätzen untersucht wird, sodass Ergebnisse sowohl von derWahl der Metrik, als auch von der Qualität und dem Zugang zu geeigneten Datensätzen abhängt.
Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung, ob und wie sich Änderungen in der Landnutzung und den thermodynamischen Bedingungen der Atmosphäre auf die potentielle Kopplungsstärke zwischen Landoberflächenfeuchte und dem Auslösen von hochreichender Konvektion in den europäischen Sommermonaten auswirken. Dafür wurden drei Klimasimulationen mit dem regionalen Klimamodel WRF-NoahMP für den historischen Zeitraum 1986-2015 für die Euro-CORDEX Domain durchgeführt, die sich in der Landbedeckung unterscheiden. Die Kopplungsstärke wurde mit Hilfe der L-A-Kopplungsmetrik Convective triggering potential low-level humidity index Framework analysiert, welche die Häufigkeit von förderlichen Bedingungen für lokal ausgelöste Konvektion in der Atmosphäre quantifiziert. Durch den Vergleich der Ergebnisse der Kopplungsmetrik für die Simulationen mit verschiedener Landbedeckung konnten die Einflüsse von Änderungen in der Vegetation analysiert werden. Weitere systematische Änderungen in den thermodynamischen Bedingungen und deren Auswirkungen auf die Kopplungsstärke konnten mit Hilfe von nachträglichen Modifikationen der Temperatur- und Feuchtefelder der Simulation mit realistischer Landbedeckung erfasst werden.
Sämtliche Analysen zeigten einen Kopplungshotspot über Ost- und Nordosteuropa, wo vorwiegend positive Rückkopplungen zwischen Landoberfläche und konvektiven Niederschlägen auftreten. Die Lage des Hotspots wir nicht durch Änderungen der Landbedeckung oder der Atmosphärenstruktur beeinflusst. Keine der Temperatur- und Feuchteänderungen, deren Spektrum einen realistischen Rahmen für das gegenwärtige Klima abdecken, konnten ein Verschwinden des Hotspots herbeiführen oder die Ursachen für die Unterdrückung von Rückkopplungen (zu starke Trockenheit, Feuchte oder Stabilität in der Atmosphäre) über Südeuropa und in Küstennähe beseitigen. Allerdings zeigen die Experimente und Sensitivitätstests eine deutliche Varianz in der Kopplungsstärke in der Hotspotregion. Landnutzungsänderungen modifizieren die Aufteilung der Wärmeflüsse an der Landoberfläche und beeinflussen, ob die Grenzschicht vorwiegend feuchter oder aufgeheizt wird. Dadurch wird die Grenzschichtentwicklung jedes Tages beeinflusst, aber auch die mittleren thermodynamischen Eigenschaften der Atmosphäre, welche direkt mit förderlichen Vorbedingungen für das Auslösen von hochreichender Konvektion in Verbindung stehen und diese verändern. Beides wirkt sich auf den Einfluss der Landoberfläche auf das Auftreten konvektiver Niederschläge aus. Zusätzlich zeigten die Sensitivitätstests Unsicherheiten in der Reaktion der Atmosphäre auf die Variabilität der Landoberflächenfeuchte um das Schwarze Meer, und der Ausdehnung des Hotspots über Zentraleuropa. Die Ausdehnung wird von den Temperatur- und Feuchtemodifikationen beeinflusst, und im Modell wird das Feuchtedefizit in dieser Region überschätzt. Das regelmäßig hohe Feuchtedefizit ist die Hauptursache für das Verhindern von Rückkopplungen in dieser Region. Sämtliche Analysen zeigen eine Sensitivität der L-A Kopplungsstärke und der Reaktion der Atmosphäre auf die Landoberflächen- und Atmosphärenbedingungen im Hotspot. Daher ist es notwendig, sowohl die Landoberflächenbedingungen selber, als auch deren Einfluss auf die Kopplungsstärke zu berücksichtigen, um konvektiven Niederschlag akkurat vorhersagen zu können, vor allem in stark gekoppelten Regionen bzw. Zeiträumen. Da L-A Kopplung auch einen prognostischen Wert für Klimaprojektionen und saisonale Vorhersagen hat, trägt ein erhöhtes Verständnis über Ursachen für Variabilität in L-A Kopplungsstärke zu deren Verbesserung bei
Introducing new miscanthus hybrids into the European bioeconomy : the effect of environment and management on biomass quantity and quality
Full text linkMiscanthus has been identified as a promising lignocellulosic perennial biomass crop for temperate climates and different (marginal) soils in terms of yield and ecological benefits. The cultivation of miscanthus brings numerous ecological advantages, such as a reduction in soil erosion, protection of aquatic ecosystems from alteration through eutrophication, and increasing heterogeneity in annual arable landscapes leading to increased biodiversity compared to annual crops. Reasons for this are its perenniality, the long period of time it stands on the field, and its low fertiliser and plant protection demands. Nevertheless, the area under cultivation in Europe is limited. The reasons are that the scientific yield levels are not reached commercially, and the only commercially cultivated hybrid Miscanthus × giganteus (M×g) is sterile. Miscanthus is therefore currently propagated and established via rhizomes, which limits upscaling. However, the seed-based hybrids tested so far do not reach the potential of M×g in terms of yield, quality, and ecological impact under a wide range of climatic conditions. To improve the integration of miscanthus as a biomass crop in the growing European bioeconomy, it is required to reach high and stable yields over several years (security of biomass supply) and a low ecological impact by low nutrient offtakes under different European climates. Therefore, it is essential to gain agronomic knowledge on how genetic (G), location-specific environment (E), and management (M) factors and the interactions between them affect the security of biomass supply and ecosystem services of novel seed-based hybrids.
Against this background, the research objectives of this study are: 1) to investigate the effect of the onset of the growing season on biomass supply security and how it is affected by late spring frosts, 2) to assess G × E interaction effects on miscanthus biomass security, and 3) to assess G × E × M interaction effects on nutrient offtake, yield and quality of miscanthus biomass. For this purpose, new seed- and rhizome-based miscanthus hybrids were compared with the commercially grown M×g and evaluated for biomass yield, quality, and nutrient offtakes (a key parameter defining the ecological impact) under different European conditions to determine biomass supply security and ecological effects. The effect of the management parameters cutting height and harvest time was also analysed.
The results show that to reach a high biomass supply security, avoiding damage by late spring frosts is essential. An effective mechanism is a low frost sensitiveness of the emerging shoots and to produce new shoots over the whole growth period, as observed for the seed-based M. sinensis × sinensis (M sin×sin). By contrast, a late emergence and producing fewer, thicker but frost-susceptible shoots at the beginning of the growing season, as observed for rhizome-based M×g and rhizome- and seed-based M. sacchariflorus × sinensis (M sac×sin), endangers the biomass supply security in case of frost after emerging. Over the first three years, the establishment process of miscanthus depended on location and hybrid. The M sin×sin hybrids flowered and senesced earlier than the taller M sac×sin hybrids. Active senescence, probably initiated by flowering, increases biomass quality by reducing the moisture and nutrient content. Following the third growing season, the highest yields were recorded at the low-altitude site in northern Italy and the lowest on a industrially damaged marginal land site in northern France. Moisture contents at spring harvest were lowest in Croatia and highest in Wales, United Kingdom. A lower moisture content is highly desirable for transport, storage and most end-use applications. Overall, lower moisture contents at harvest were found in M sin×sin hybrids than in M sac×sin. As expected, delaying the harvest until spring reduced yield and nutrient contents. At lower latitudes, the late-ripening M sac×sin combined high yields with low nutrient contents when harvested in spring. At the most elevated latitude location (Wales), the early-ripening M sin×sin combined high biomass yields with low nutrient offtakes. The M×g clone with intermediate flowering and senescence showed similarly low nutrient contents at all locations. An increased cutting height at spring harvest decreased yields by 270 kg ha-1 (0.83%) with each 1-cm increase in cutting height up to 40 cm. Although whole shoot mineral concentrations were significantly influenced by both hybrid and year interactions, total nutrient contents did not differ significantly from those in the lower basal sections. In years with wet conditions before harvest, an increase in cutting height of 10 cm decreased moisture content by up to 8%, whereas the effect during dry conditions was marginal.
To achieve high biomass supply security and increased ecological benefits in miscanthus cultivation, the results of this study lead to the recommendation to cultivate M sin×sin hybrids at locations with a high risk of late spring frosts, as observed in northern European sites, and M sac×sin hybrids at locations where the risk is low, as observed in southern Europe. In southern Europe, M sac×sin hybrids achieved high yields with low nutrient and moisture contents as they made use of the long vegetation period. In general, M sin×sin has a shorter growth period than M sac×sin hybrids, making it the perfect hybrid for northern Europe, where the vegetation period is short. To ensure biomass supply in regions with extreme minimum winter temperatures and late spring frosts, miscanthus should be harvested in spring due to the thicker mulch layer, which functions as insulation. To ensure biomass supply security, a successful establishment is essential. Therefore, during the establishment phase, harvest should generally take place in spring, as the establishment period is crucial for securing biomass yield throughout the cultivation period. Weakening or even loss of plants during this period will lead to higher weed pressure and lower than optimal yields. The harvest cutting height should be as low as possible to achieve a higher yield without an over-proportional increase in nutrient offtake. However, cutting height needs to be adapted according to local conditions by finding an optimum between biomass loss and the risk of damage to harvest machinery and contamination of the biomass by soil. Should the moisture content of the biomass be too high for safe storage due to wet conditions during harvest, the cutting height can be increased to avoid costly post-harvest drying procedures.
This study recommends hybrids for specific locations in Europe, provides important data for determining harvest timing and height, and key data on the ecological impact. It shows that the cultivation of miscanthus in Europe, taking into account the G × E × M interactions, has the potential to secure the biomass supply for the growing bioeconomy while positively influencing the provision of ecosystem services. Furthermore, integrating miscanthus into the agricultural system increases its resilience by diversifying the crops grown, the structure of the agricultural landscape and farmers income.Miscanthus ist bezüglich Ertrag und Umweltauswirkung eine vielversprechende, mehrjährige Biomassepflanze für gemäßigte Klimazonen und unterschiedliche (marginale) Böden. Der Anbau von Miscanthus bringt zahlreiche ökologische Vorteile mit sich, wie z. B. die Verringerung der Bodenerosion, den Schutz aquatischer Ökosysteme vor Eutrophierung und die Erhöhung der Heterogenität innerhalb einjähriger Ackerbaukulturen, wodurch die biologische Vielfalt gefördert wird. Zusätzlich verbessert Miscanthus die Biodiversität als Dauerkultur und durch seine lange Standzeit auf dem Feld bis zur Ernte sowie den geringen Bedarf an Dünger und Pflanzenschutzmitteln. Dennoch ist die Anbaufläche in Europa begrenzt. Ein Grund dafür ist, dass in der landwirtschaftlichen Praxis die Erträge aus dem Versuchsanbau bisher nicht erreicht werden und der einzige kommerziell angebaute Miscanthushybrid Miscanthus × giganteus (M×g) steril ist. Die Vermehrung und Etablierung basieren daher auf Rhizomen, was den Anbau im großen Maßstab erschwert. Die bis jetzt getesteten saatgutbasierten Hybride erreichen jedoch nicht das Potenzial von M×g in Bezug auf Ertrag, Qualität und Umweltwirkung unter verschiedensten Klimabedingungen. Um die Integration von Miscanthus als Biomassepflanze in die wachsende europäische Bioökonomie zu verbessern, müssen jedoch sowohl hohe und stabile Erträge über mehrere Jahre (Biomasseversorgungssicherheit) als auch geringe ökologische Auswirkungen durch geringe Nährstoffabfuhr unter verschiedenen europäischen Klimabedingungen erreicht werden. Daher ist es wichtig, wissenschaftliche Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie genetische (G), Umwelt- (E), Management- (M) Faktoren und deren Wechselwirkungen die Sicherheit der Biomasseversorgung und die Ökosystemleistungen neuer samenbasierter Hybride beeinflussen.
Vor diesem Hintergrund sind die Forschungsziele der vorliegenden Studie folgende: 1) die Untersuchung der Auswirkungen von Vegetationsbeginn und späten Frühjahrsfrösten auf die Biomasseversorgungssicherheit, 2) die Bewertung der G × E-Interaktionseffekte auf die Biomasseversorgungssicherheit und 3) die Bewertung der G × E × M-Interaktionseffekte auf die Nährstoffabfuhr, den Ertrag und die Qualität der Miscanthus-Biomasse. Zu diesem Zweck wurden neue samen- und rhizombasierte Miscanthushybride mit M×g verglichen und hinsichtlich Biomasseertrag, Qualität und Nährstoffabfuhr (ein wichtiger Parameter für die Umweltauswirkungen) unter verschiedenen europäischen Bedingungen untersucht, um Erkenntnisse über die Sicherheit der Biomasseversorgung und die ökologischen Auswirkungen des Anbaus zu gewinnen. Zusätzlich wurden der Einfluss der Bewirtschaftungsparameter Schnitthöhe und Erntezeitpunkt analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass es für eine hohe Biomasseversorgungssicherheit wichtig ist, Schäden durch Spätfröste im Frühjahr zu vermeiden. Ein wirksamer Mechanismus ist eine geringe Frostempfindlichkeit der austreibenden Triebe und die Fähigkeit zur Produktion neuer Triebe über die gesamte Wachstumsperiode, wie bei dem samenbasierten M. sinensis × sinensis (M sin×sin) beobachtet. Im Gegensatz dazu gefährden ein später Austrieb und die Bildung weniger, dickerer, aber frostempfindlicher Triebe zu Beginn der Vegetationsperiode, wie sie bei dem rhizombasierten M×g und den rhizom- und samenbasierten M. sacchariflorus × sinensis (M sac×sin) beobachtet wurden, die Sicherheit der Biomasseversorgung bei Spätfrösten.
Die M sin×sin Hybride blühten und reiften früher ab als die höher wachsenden M sac×sin Hybride. Eine aktive Seneszenz, die wahrscheinlich durch die Blüte eingeleitet wird, erhöht die Qualität der Biomasse durch die Reduktion des Feuchtigkeits- und Nährstoffgehaltes. Nach dem dritten Wachstumsjahr wurden die höchsten Erträge an dem Standort in Norditalien und die niedrigsten Erträge an einem durch industrielle Abwässer kontaminierten Grenzertragsstandort in Nordfrankreich verzeichnet. Der Feuchtigkeitsgehalt bei der Frühjahrsernte war in Kroatien am niedrigsten und in Wales (Vereinigtes Königreich) am höchsten. Ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt ist für den Transport, die Lagerung und zahlreiche Endverwendungszwecke äußerst wünschenswert. Insgesamt wurden bei M sin×sin niedrigere Feuchtigkeitsgehalte bei der Ernte festgestellt als bei M sac×sin. Die Verzögerung der Ernte bis zum Frühjahr führte erwartungsgemäß zu geringeren Erträgen und Nährstoffgehalten. In niedrigeren Breitengraden erreichte der spät abreifende M sac×sin hohe Erträge und niedrige Nährstoffgehalte. Am nördlichsten Standort (Wales) erzielte der früh abreifende M sin×sin hohe Biomasseerträge und eine geringe Nährstoffabfuhr. Der M×g mit einem mittleren Blühzeitpunkt und Seneszenz wies an allen Standorten ähnlich niedrige Nährstoffgehalte auf. Eine größere Schnitthöhe bei der Frühjahrsernte verringerte den Ertrag um 270 kg ha-1 (0,83 %) mit jeder Zunahme der Schnitthöhe um 1 cm bis zu 40 cm. Obwohl die Nährstoffkonzentrationen im gesamten Trieb durch die Wechselwirkungen zwischen Hybrid und Wachstumsjahr signifikant beeinflusst wurden, unterschieden sich die Gesamtnährstoffgehalte nicht signifikant von den in den unteren Triebabschnitten. In Jahren mit feuchten Bedingungen vor der Ernte verringerte eine Erhöhung der Schnitthöhe um 10 cm den Feuchtigkeitsgehalt um bis zu 8 %, während die Wirkung bei trockenen Bedingungen gering war.
Mit dem Ziel, eine hohe Versorgungssicherheit mit Biomasse und einen hohen ökologischen Nutzen durch den Miscanthusanbau zu erreichen, führen die Ergebnisse dieser Studie zu der Empfehlung, M sin×sin Hybriden an nordeuropäischen Standorten mit einem hohen Spätfrostrisiko und M sac×sin Hybride an Standorten mit geringem Spätfrostrisiko, wie in Südeuropa, anzubauen. In Südeuropa erzielten die M sac×sin Hybriden zudem hohe Erträge bei niedrigen Nährstoff- und Feuchtigkeitsgehalten, da sie die lange Vegetationsperiode am besten nutzten konnten. Im Allgemeinen hat M sin×sin eine kürzere Wachstumsperiode als M sac×sin Hybride und ist damit der perfekte Hybrid für Nordeuropa, wo die Vegetationsperiode kurz ist. Um die Biomasseversorgung in Regionen mit extremen Wintertiefsttemperaturen und späten Frühjahrsfrösten sicherzustellen, sollte Miscanthus aufgrund der dickeren Mulchschicht, die als Isolierung fungiert, im Frühjahr geerntet werden. Um die Biomasseversorgungssicherheit sicherzustellen, ist eine erfolgreiche Etablierung unerlässlich. Daher sollte während der Etablierungsphase generell erst im Frühjahr geerntet werden, da diese Phase entscheidend für die Sicherung des Biomasseertrags während der gesamten Anbauperiode ist. Eine Schwächung oder gar ein Verlust von Pflanzen in dieser Zeit führt zu einem höheren Unkrautdruck und zum Verfehlen des Ertragspotenzials. Die Schnitthöhe bei der Ernte sollte so niedrig wie möglich sein, um einen höchstmöglichen Ertrag zu erzielen, ohne dass die Nährstoffabfuhr überproportional ansteigt. Die Schnitthöhe muss jedoch an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden, indem ein Kompromiss zwischen möglichst geringem Biomasseverlust einerseits und andererseits dem Risiko von Schäden an den Erntemaschinen und der Verunreinigung der Biomasse durch Erde gefunden wird. Ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse, aufgrund ungünstiger Bedingungen während der Erntephase, kann durch eine größere Schnitthöhe verringert werden, um eine Trocknung nach der Ernte zu vermeiden.
Diese Studie gibt Empfehlungen für die standortabhängige Auswahl von Miscanthushybriden für Europa, liefert wichtige Daten zur Bestimmung des Erntezeitpunktes und der Schnitthöhe sowie Eckdaten zu den ökologischen Auswirkungen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Anbau von Miscanthus in Europa, unter Berücksichtigung der G × E × M Wechselwirkungen, das Potenzial hat, eine hohe Biomasseversorgungssicherheit für die wachsende Bioökonomie und gleichzeitig Ökosystemleistungen bereitzustellen. Darüber hinaus erhöht die Integration von Miscanthus in das landwirtschaftliche System dessen Widerstandsfähigkeit durch Diversifizierung der angebauten Kulturen, der Struktur der Agrarlandschaft und des Einkommens der Landwirte
Characterization of dietary and genetic influences on the gastrointestinal microbiota
Full text linkAlthough the gut microbiota is known to contribute fundamentally to human health, e.g. by promoting the maturation of the immune system and intestinal homeostasis, the factors shaping its composition are only poorly understood. Extrinsic and intrinsic influences can disturb the tightly controlled equilibrium between the microbiome and the host and induce dysbiosis, which has been linked to diverse health conditions such as obesity, atherosclerotic cardiovascular disease (ACVD) and inflammatory bowel disease (IBD). Therefore, understanding events leading to microbial perturbations and the prediction of associated health outcomes could aid in the prevention and treatment of these conditions.
In this work, the impact of dietary and genetic factors on gastrointestinal microbiota compositions were determined, with the diet serving as an exemplary extrinsic, modifiable microbiota-relevant factor and with a genetic deficiency in a mouse model for intestinal inflammation serving as an exemplary intrinsic, non-modifiable microbiota-relevant factor. In both studies, microbial communities obtained from either a human or a murine cohort, respectively, were taxonomically characterized by 16S rRNA gene amplicon sequencing and analyzed in the context of metabolic and inflammatory implications for the host.
In ACVD, the reduction of excess blood cholesterol, which is a main risk factor, is tackled by clinical interventions aiming to reduce cholesterol uptake from exogenous, dietary sources or by inhibiting endogenous cholesterol biosynthesis. Cholesterol-to-coprostanol conversion by the intestinal microbiota has also been suggested to reduce intestinal and serum cholesterol availability, but the dependencies of cholesterol conversion on specific bacterial taxa and dietary habits, as well as its association with serum lipid levels remain largely unknown. To study microbiota contributions to human cholesterol metabolism under varying conditions, fecal microbiota and lipid profiles, as well as serum lipid biomarkers, were determined in two independent human cohorts, including individuals with (CARBFUNC study) and without obesity (KETO study) on very low-carbohydrate high-fat diets (LCHF) for three to six months and six weeks, respectively. Across these two geographically independent studies, conserved distributions of cholesterol high and low-converter types were measured. Also, cholesterol conversion was most dominantly linked to the relative abundance of the cholesterol-converting bacterial species Eubacterium coprostanoligenes, which was further increased in low-converters by LCHF diets, shifting them towards a high-conversion state. Lean cholesterol high-converters, which were characterized by adverse serum lipid profiles even before the LCHF diet, responded to the intervention with increased LDL-C, independently of fat, cholesterol and saturated fatty acid intake. These findings identify the cholesterol high-converter type as a potential predictive biomarker for an increased LDL-C response to LCHF diet in metabolically healthy lean individuals.
Although the etiology of IBD has not been fully resolved, an interplay between the intestinal microbiota, environmental factors and an individuals genetic susceptibility is thought to trigger chronic inflammation by a dysregulation of the immune response in the gut. To identify colitis-associated microbiota alterations throughout the development of spontaneous colitis, mice with a genetic deficiency of the anti-inflammatory cytokine Interleukin-10 (IL-10) from different litters were co-housed with wild-type mice and monitored for 20 weeks. The scoring of mice based on their phenotype and stool consistency mirrored the state of mucosal inflammation as assessed based on histopathological examinations and cytokine expression profiles. Also, the state of colitis was characterized by global microbiota alterations and susceptibility to colitis was dependent on litter-specific microbiome compositions that mice adopted early on in their lives. Colitis development was further associated with the presence of the bacterial genus Akkermansia in mature mice shortly before symptoms manifested. This genus was also a good predictor of colitis-related mice withdrawal, suggesting the potential of Akkermansia to serve as an early onset, subclinical colitis marker.
In summary, fecal microbiota characterizations in response to LCHF diets in humans and throughout the development of intestinal inflammation in a colitis mouse model highlight the potential of personalized microbiome-based patient classifications to predict clinical outcomes and improve treatment approaches.Das Darmmikrobiom leistet einen wesentlichen Beitrag zur menschlichen Gesundheit. Dennoch sind die Faktoren, die seine Zusammensetzung bestimmen, nur unzureichend erforscht. Bedingungen außerhalb und innerhalb des Körpers können das streng kontrollierte Zusammenspiel von Mikrobiom und Wirt stören und eine Dysbiose hervorrufen, die mit verschiedenen Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen (ASCVD) und chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) assoziiert ist. Daher spielen das Erforschen der Einflussfaktoren, die zu mikrobiellen Veränderungen im Darm führen, und die Vorhersage der damit verbundenen gesundheitlichen Folgen eine zentrale Rolle in der Verbesserung der Prävention und Behandlung dieser Erkrankungen.In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von diätetischen und genetischen Faktoren auf die Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikrobiota untersucht, wobei die Ernährung in einer Humankohorte als extrinsischer, veränderbarer mikrobiom-relevanter Faktor und ein genetisches Knock-out Mausmodell für gastrointestinale Entzündungen als intrinsischer, nicht veränderbarer mikrobiom-relevanter Faktor jeweils exemplarisch diente. In beiden Studien wurden mikrobielle kompositionelle Zusammensetzungen, durch 16S rRNA-Genamplikon-Sequenzierung taxonomisch charakterisiert und im Zusammenhang mit metabolischen und entzündlichen Auswirkungen auf den Wirt analysiert.
Die Behandlung von ASCVD zielt in erster Linie auf die Senkung eines Cholesterinüberschusses im Blut ab. Eine potentielle Möglichkeit hierfür, stellt die Umwandlung von Cholesterin in das nicht-absorbierbare Coprostanol durch die intestinale Mikrobiota dar, welche die Cholesterinverfügbarkeit im Darm und im Serum verringern soll. Um den Einfluss der Mikrobiota auf den menschlichen Cholesterinstoffwechsel unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen, wurden fäkale Mikrobiom- und Lipidprofile sowie Lipid-Biomarker im Serum in zwei unabhängigen Humankohorten bestimmt, darunter Personen mit (CARBFUNC-Studie) und ohne Adipositas (KETO-Studie), die sich drei bis sechs Monate bzw. sechs Wochen lang einer sehr kohlenhydratarmen, fettreichen Ernährungsintervention (LCHF) unterzogen. Die Analyse von Personen mit und ohne Fettleibigkeit aus zwei geografisch unabhängigen Kohorten, zeigte eine einheitliche Verteilung der Cholesterinumwandlung in high- und low-converter Typen. In beiden Kohorten war die Cholesterinumwandlung am stärksten mit der relativen Häufigkeit des cholesterinumwandelnden Bakteriums Eubacterium coprostanoligenes assoziiert, dessen Vorkommen durch die LCHF-Diät in den low-convertern erhöht wurde und sie somit in einen high-conversion-ähnlichen Zustand versetzte. Die high-converter ohne Adipositas, die bereits vor der LCHF-Diät durch ungünstige Serumlipidprofile gekennzeichnet waren, reagierten auf die Intervention mit einem Anstieg der LDL-C Konzentration im Serum unabhängig von deren Verzehr von Fett, Cholesterin und gesättigten Fettsäuren. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Cholesterin high-converter Typ ein potenzieller prädiktiver Biomarker für eine erhöhte LDL-C-Antwort auf eine LCHF-Diät bei stoffwechselgesunden, normalgewichtigen Personen ist.
Obwohl die Ätiologie von CED noch nicht vollständig geklärt ist, wird davon ausgegangen, dass ein Zusammenspiel zwischen der Darmmikrobiota, Umweltfaktoren und der genetischen Anfälligkeit eines Individuums besteht. Um Colitis-assoziierte Mikrobiota-Veränderungen während der Entwicklung von CED zu identifizieren, wurden Mäuse mit einem genetischen Defekt des entzündungshemmenden Zytokines Interleukin-10 (IL-10), die aus verschiedenen Würfen stammen, zusammen mit Wildtyp-Mäusen in Käfige gesetzt und 20 Wochen lang beobachtet. Die Bewertung der Mäuse anhand ihres Phänotyps und ihrer Stuhlkonsistenz spiegelte den Zustand der Schleimhautentzündung wider, welche anhand histopathologischer Untersuchungen und Zytokinexpressionsprofile bestätigt wurde. Globale mikrobielle Veränderungen, welche die Entwicklung der Colitis kennzeichneten, sowie die Anfälligkeit für Colitis, hingen zudem von der Mikrobiom-Zusammensetzung ab, welche die Mäuse schon früh im Leben erhalten hatten. Die erhöhte Colitis-Anfälligkeit in Abhängigkeit vom Wurf wurde außerdem mit der Präsenz der Gattung Akkermansia kurz vor dem Auftreten von Symptomen in Verbindung gebracht. Die Präsenz dieser Gattung war zudem ein guter Prädiktor für das frühe Colitis-bedingte Ausscheiden der Mäuse, was darauf hindeutet, dass Akkermansia als Marker für eine früh einsetzende, subklinische Kolitis dienen könnte.
Zusammenfassend unterstreichen die Charakterisierungen des Mikrobiomes durch diätetische Modulation einer LCHF-Diät im Menschen und während der spontanen Entwicklung einer Darmentzündung in einem Colitis-Mausmodell das Potenzial von mikrobiombasierten Patientenklassifizierungen. Diese könnten verwendet werden, um den klinischen Verlauf eines einzelnen Patienten vorherzusagen und personalisierte Behandlungsansätze zu verbessern
Effects of a reduction of dietary levels of calcium and phosphorus on performance, bone minerals and mineral excretion of turkey breeder hens in the rearing and laying period
Full text linkPhosphorus (P) is an essential mineral in feed for livestock and has finite resources all over the world. The aim of this study was to obtain an idea about the reduction potential of P in the diets of turkey breeders. As the metabolism of P is interlinked with the metabolism of calcium (Ca), Ca was also examined. Therefore, the requirements of P and Ca were studied using a factorial approach. As data about the requirements of these minerals in turkey breeders is limited, the present study mostly used data from other poultry species. Thus, this study can be viewed as an approach to building new resilient data for turkey breeder hens.
The results of the factorial approach were embedded in a feeding program for turkey breeder hens during rearing and laying with two different treatments. One group was fed a standard feed (practical diet used before the trial), while the other group was fed a Ca/P reduced feed. In total, four trials were conducted: trials I and III focused on the rearing period while trials II and IV focused on the laying period. All trials were observed independently but the hens from trial I were used also in trial II afterwards for studying long-term effects. In each trial, body weight and feed intake were measured throughout the trial period. Bone mineralization was studied in trial I, including analyses of bone ash as well as Ca and P in the bone ash from the tibia of fallen and culled animals. The egg components were studied in eggs from trial II, including analyses of the percentages of albumen, egg yolk, and egg shell; Ca in albumen; P in albumen; Ca in egg yolk; P in egg yolk; water in egg shell; Ca in egg shell; and P in egg shell. In trials II and IV, laying performance, egg weights, number (and causes) of culled eggs, fertility, hatchability, as well as body weight and fitness of the hatchlings were additionally observed. At the end of each trial, the concentrations of dry matter, Ca, and P in manure were analyzed and a nutrient balance was calculated to classify the results.
Body weight development exhibited significant differences between the treatments in eight out of 30 weeks in trial I (five weeks had a higher mean weight in the group with standard feed; three weeks had a higher mean weight in the group with Ca/P reduced feed); three out of 28 weeks in trial II (two weeks had a higher mean weight in group with Ca/P reduced feed; one week had a higher mean weight in the group with standard feed); four out of 30 weeks in trial III (higher mean weight in the group with Ca/P reduced feed); and two weeks out of 28 in trial IV (higher mean weight in the group with Ca/P reduced feed).
The feed intake data also fluctuated, with three out of 30 weeks exhibiting a significant difference in trial I (higher mean feed intake in the group with Ca/P reduced feed) and one week with a significant difference in trial II (higher mean feed intake in the group with standard feed). The observations throughout all of the trials revealed the tendency for a higher mean feed intake in the groups with Ca/P reduced feed.
A significant difference concerning bone mineralization was not observed. Moreover, the results of laying performance, fertility, and hatchability exhibited no differences between the treatments.
Regarding the egg weight in trial II, there were eight weeks with a significant difference between the treatments (seven weeks with a higher mean egg weight in the group with standard feed; one week with a higher mean egg weight in the group with Ca/P reduced feed). In trial IV, only one week exhibited a significant difference between the treatments (higher mean egg weight in the group with Ca/P reduced feed).
Regarding the weight of hatchlings in trial II, three weeks had a significant difference between the groups (higher mean weight in the group with standard feed). In trial IV, no significant difference was observed for any week all throughout the trial period.
The analyses of egg components revealed significant differences between the treatments according to the percentages of albumen and egg yolk and the calculated value of total Ca in the egg (including the shell).
In trials I and III, significant differences existed between the treatments in the concentration of Ca in manure, with a lower level in the group with Ca/P reduced feed.
This study concluded that a reduction in the dietary levels of Ca from 1.001.10% to 0.560.80% and of P from 0.480.61% to 0.350.50% (av. P) or 0.700.80% to 0.500.60% (total P) in rearing and a reduction of the dietary levels of Ca from 2.90% to 2.80% or 2.60% and of P from 0.36% to 0.30% or 0.24% (av. P) or from 0.65% to 0.50% (total P) in laying in the feed of turkey breeder hens are possible and did not result in disadvantages. As the present study also compared the results with required recommendations and target levels from breeding companies, it was also able to conclude that these levels are obsolete and should be adjusted downwards.Phosphor (P) ist ein essentielles Mineral in der Fütterung von Nutztieren, stammt aber aus erschöpflichen Quellen. Ziel dieser Studie war es das Potential einer Reduktion von P in der Fütterung von Putenelterntierhennen (PEH) auszuloten. Da die Metabolismen von P von Calcium (Ca) sich gegenseitig beeinflussen, wurde auch Ca mit betrachtet. Die Bedürfnisse von P und Ca wurden mittels faktorieller Bedarfsermittlung (fBE) bestimmt. Dabei stammten die meisten Daten von anderen Geflügelarten, da die Datenlage bezogen auf Puten und besonders PEH stark limitiert ist.
Die Ergebnisse der fBE wurden in ein Futterprogramm für PEH eingebettet. Dabei wurde eine Gruppe der Tiere mit dem praxisüblichen Standardfutter (SF) versorgt, eine zweite Gruppe bekam ein Futter mit einem reduziertem Ca- und P-Gehalt (Versuchsfutter, VF). Insgesamt wurden vier Versuche (Vs) durchgeführt: Vs I und III in der Aufzucht-, Vs II und IV in der Legephase. Alle Vs wurden unabhängig betrachtet, Vs II erhielt aber die Tiere aus Vs I (um mögliche Langzeiteffekte beobachten zu können). In jedem Vs wurde das Körpergewicht (KG) und die Futteraufnahme (FA) über den gesamten Versuchszeitraum erfasst. Die Mineralstoffgehalte der Tibia-Knochen wurde an Knochen von gefallenen Tieren aus Vs I untersucht. Die Analysen umfassten dabei den Anteile an Knochenasche sowie Ca und P in der Knochenasche. Die Zusammensetzung und Inhaltsstoffe der Eier wurde an Eiern aus Vs II bestimmt und umfassten die Bestimmung der Anteile von Eiweiß, Eidotter und Eischale sowie Ca im Eiweiß, P im Eiweiß, Ca im Eidotter, P im Eidotter, Wasser in der Eischale, Ca in der Eischale und P in der Eischale. In Vs II und IV wurde zusätzlich auch noch die Legeleistung, die Eigewichte, die Menge (und Gründe) aussortierter Eier, die Befruchtungsrate, die Schlupfrate und das Gewicht und die Fitness der Küken über die gesamte Versuchsperiode erfasst. Am Ende jedes Vs wurde der Mist im Hinblick auf seine Konzentration von Trockensubstanz sowie Ca und P analysiert. Anschließend wurde zusätzlich eine Nährstoffbilanz von Ca und P berechnet um die Ergebnisse einordnen zu können.
Die Gewichtsentwicklung der Hennen zeigte signifikante (sig.) Unterschiede zwischen beiden Gruppen in acht von insgesamt 30 Wochen in Vs I (fünf mit höherem mittleren KG in der Gruppe mit SF, drei mit höherem mittleren KG in der Gruppe mit VF), in drei von insgesamt 28 Wochen in Vs II (zwei mit höherem mittleren KG in der Gruppe mit SF, eine mit höherem mittleren KG in der Gruppe mit VF), vier von insgesamt 30 Wochen in Vs III (höheres mittleres KG in der Gruppe mit VF) und zwei von insgesamt 28 Wochen in Vs IV (höheres mittleres KG in der Gruppe mit VF).
Auch die FA in diesem Versuch zeigte ein unklares Bild. In Vs I zeigte sich in drei unterschiedlichen Wochen ein sig. Unterschied zwischen beiden Gruppen (höhere FA in der Gruppe mit VF). In Vs II konnte nur in einer Woche ein sig. Unterschied gefunden werden (höhere FA in der Gruppe mit SF). Die Betrachtung aller Vs zeigte einen Trend zu einer höheren FA in der Gruppe mit VF.
Die Analysen der Knochenzusammensetzung zeigten keinen Unterschied zwischen beiden Gruppen. Auch die Ergebnisse in Bezug auf Legeleistung, Befruchtungsrate und Schlupfrate zeigten keine Unterschiede.
Die Ergebnisse zum Eigewicht zeigten acht Wochen mit einem sig. Unterschied zwischen beiden Gruppen (sieben mit höherem mittleren Eigewicht in der Gruppe mit SF, eine mit höherem mittleren Eigewicht in der Gruppe mit VF). In Vs IV zeigte nur eine Gruppe diesen Unterschied (höheres mittleres Eigewicht in der Gruppe mit VF). Das Gewicht der Küken in Vs II zeigte drei Wochen mit einem sig. Unterschied zwischen beiden Gruppen (höheres mittleres Kükengewicht in der Gruppe mit SF). In Vs IV konnten kein sig. Unterschied zwischen den beiden Gruppen beobachtet werden.
Die Analyse der Eiinhaltsttoffe zeigte einen sig. Unterschied zwischen beiden Gruppen in Bezug auf den Gehalt von Eiweiß, Eidotter und dem berechneten Gesamtanteil von Ca im Ei (inklusive Eischale). Vs I und III zeigten einen sig. Unterschied beider Gruppen bei der Konzentration von Ca im Mist (niedrigere Konzentration in der Gruppe mit VF).
Es kann geschlussfolgert werden, dass eine Reduktion der Konzentration von Ca von 1,00-1,10% zu 0,56-0,80% und eine Reduktion der Konzentration von P von 0,48-0,61% zu 0,35-0,50% (verf. P) bzw. 0,70-0,80% zu 0,50-0,60% (Gesamt-P) im Futter von PEH im Verlauf der Aufzucht zu keinen negativen Auswirkungen auf die Tiere führte. Auch eine Reduktion der Konzentration von Ca von 2,90% zu 2,80% oder 2,60% und eine Reduktion der Konzentration von P von 0,36% zu 0,30% oder 0,24% (verf. P) bzw. 0,65% zu 0,50% (Gesamt-P) im Futter von PEH in der Legephase zeigte keine negative Auswirkung auf die Entwicklung und Leistung der Tiere. Der Vergleich der Ergebnisse mit Zielvorgaben von Zuchtunternehmen zeigte, dass diese Werte veraltet sind und einer Überarbeitung und Korrektur hin zu niedrigeren Werten bedürfen
Improving host resistance to Fusarium head blight in wheat (Triticum aestivum L.) and Gibberella ear rot in maize (Zea mays L.)
Full text linkFusarium head blight (FHB) in wheat and Fusarium (FER) and Gibberella ear rot (GER) in maize are major cereal diseases which reduce yield and contaminate kernels with several mycotoxins. In Europe, these diseases contribute to significant yield gaps and high mycotoxin risks across countries. However, existing management strategies related to agronomic practices are not fully effective, with some of them being cost-prohibitive. Enhancing host plant resistance is additionally required for managing the diseases more effectively and sustainably. Unfortunately, breeding for FHB resistance is challenged by complex interactions with morphological traits and the quantitative nature of the trait. In maize, available genetic resources have not been fully exploited to improve GER resistance in elite materials.
In this work, we elucidated the complex interactions between FHB resistance and morphological traits, like plant height (PH) and anther retention (AR) in wheat. The effect of reduced height (Rht) gene Rht24 on AR and the contribution of genomic background (GB) to FHB resistance in semi-dwarf genotypes were also assessed. GB refers to all genomic loci, except major Rht genes, that affect the traits. To achieve this, 401 winter wheat cultivars were evaluated across five environments (location × year combination). All cultivars were genotyped using Illumina 25 K Infinium single-nucleotide polymorphism array. We performed correlation and path coefficient analysis, and combined single and multi-trait genome-wide association studies (GWAS). Our findings revealed significant genotypic correlations and path effects between FHB severity with PH and AR, which were controlled by several pleiotropic loci. FHB severity and PH shared both negatively and positively acting pleiotropic loci, while only positively acting pleiotropic loci were detected between FHB severity and AR. Rht-D1 is a major pleiotropic gene which exerted a negative effect on FHB resistance. These pleiotropic loci contribute to our understanding of the complex genetic basis of FHB resistance, and their exploitation can help to simultaneously select for FHB resistance with PH and AR. Contrary to Rht-D1b, Rht24b had no negative effect on FHB resistance and AR. This exhibits Rht24 as an important FHB-neutral Rht gene which can be integrated into breeding programs. Genomic estimated breeding values (GEBV) were calculated for each cultivar to assess GB. We observed highly negative GEBV for FHB severity within resistant wheat cultivars. Susceptible cultivars exhibited positive GEBV. Genomic prediction has a great potential and can be exploited by selecting for semi-dwarf winter wheat genotypes with higher FHB resistance due to their genomic background resistance.
To tackle maize ear rot diseases, refined and stable quantitative trait loci (QTL) harboring candidate genes conferring resistances to FER and GER were identified. The effectiveness of introgression of two European flint landraces, namely Kemater Gelb Landmais (KE) and Petkuser Ferdinand Rot (PE) was evaluated. The prediction accuracy of using line performance as a predictor of hybrid performance for GER resistance was also evaluated within the two landraces. We applied a meta-QTL (MQTL) analysis based on 15 diverse SNP-based QTL mapping studies and performed gene expression analysis using published RNA-seq data on GER resistance. In total, 40 MQTL were identified, of which 14 most refined MQTL harbored promising candidate genes for use in breeding programs for improving FER and GER resistances. 28 MQTL were common to both FER and GER, with most of them being shared between silk (channel) and kernel resistances. This highlights the co-inheritance of FER and GER resistances as well as types of active resistance. Resistance genes can be transferred into elite cultivars by integrating refined MQTL into genomics-assisted breeding strategies. Afterwards, four GER resistant doubled haploid (DH) lines from both KE and PE landraces were crossed with two susceptible elite lines to generate six bi-parental populations with a total of 534 DH lines which were evaluated for GER resistance. GER severity within the six landrace-derived populations were reduced by 39−61% compared to the susceptible elite lines. Moderate to high genetic advance was observed within each population, and the use of KE landrace as a donor was generally more effective than PE landrace. This shows promise in enhancing resistance to GER in elite materials using the European flint landraces as donors. Furthermore, per se performance of 76 DH lines from both landraces was used to predict GER resistance of their corresponding testcrosses (TC). Moderate phenotypic and genomic prediction accuracy between TC and line per se performance was found for GER resistance. This implies that pre-selecting lines for GER resistance is feasible; however, TC should be additionally tested on a later selection stage to aim for GER-resistant hybrid cultivars.Ährenfusariosen (FHB) bei Weizen und Fusarium- (FER) und Gibberella-Kolbenfäule (GER) bei Mais sind wichtige Getreidekrankheiten. In Europa tragen diese Krankheiten zu erheblichen Ertragseinbußen und hohen Mykotoxinrisiken in den einzelnen Ländern bei. Die bestehenden Kontrollstrategien im Zusammenhang mit pflanzenbaulichen Praktiken sind jedoch nicht voll wirksam, und einige von ihnen sind zu kostspielig. Um die Krankheiten wirksamer und nachhaltiger zu bekämpfen, muss deshalb die Resistenz der Wirtspflanzen gestärkt werden. Leider wird die Züchtung auf FHB-Resistenz durch komplexe Wechselwirkungen mit morphologischen Merkmalen und der quantitativen Natur des Merkmals erschwert. Bei Mais wurden die verfügbaren genetischen Ressourcen bisher nicht vollständig genutzt, um die GER-Resistenz von Elitematerial zu verbessern.
In dieser Arbeit haben wir die komplexen Wechselwirkungen zwischen FHB-Resistenz und morphologischen Merkmalen wie Wuchshöhe (PH) und Antherenretention (AR) bei Weizen aufgeklärt. Außerdem wurden die Auswirkungen des Gens Rht24 für reduzierte Wuchshöhe (reduced height, Rht) auf AR und der Beitrag des genomischen Hintergrunds (GB) zur FHB-Resistenz bei kurzstrohigen Genotypen untersucht. GB bezieht sich auf alle Genloci, mit Ausnahme der bekannten Rht-Gene, die die jeweiligen Merkmale beeinflussen. Zu diesem Zweck wurden 401 Winterweizensorten in fünf Umwelten (Ort × Jahr-Kombinationen) bewertet. Alle Sorten wurden mit dem Illumina 25k Infinium Single-Nukleotid-Polymorphismus-Array genotypisiert. Wir führten Korrelations- und Pfadkoeffizientenanalysen durch und kombinierten genomweite Assoziationsstudien (GWAS) mit einzelnen bzw. mehreren Merkmalen. Unsere Ergebnisse zeigten signifikante genotypische Korrelationen und Pfadeffekte zwischen FHB-Befallsstärke und PH und AR, die von mehreren pleiotropen Loci kontrolliert wurden. FHB-Befallsstärke und PH hatten sowohl negativ als auch positiv wirkende pleiotrope Loci gemeinsam, während zwischen FHB-Befallsstärke und AR nur positiv wirkende pleiotrope Loci gefunden wurden. Rht-D1 ist ein wichtiges pleiotropes Gen, dessen kurzstrohiges Allel einen negativen Einfluss auf die FHB-Resistenz ausübt. Diese pleiotropen Loci tragen zu unserem Verständnis der komplexen genetischen Grundlage der FHB-Resistenz bei, und ihre Nutzung kann dazu beitragen, gleichzeitig mit verringerter PH und AR auf FHB-Resistenz zu selektieren. Im Gegensatz zu Rht-D1b hatte Rht24b keine Auswirkungen auf FHB-Resistenz und AR. Dies zeigt, dass Rht24 ein wichtiges FHB-neutrales Rht-Gen ist, das in Zuchtprogramme integriert werden kann. Zur Bewertung des GB wurden für jede Sorte genomisch geschätzte Zuchtwerte (GEBV) berechnet. Bei resistenten Weizensorten beobachteten wir einen stark negativen GEBV für FHB-Befallsstärke. Anfällige Sorten wiesen einen positiven GEBV auf. Die genomische Vorhersage hat ein großes Potenzial und kann durch die Selektion von kurzstrohigen Winterweizengenotypen mit höherer FHB-Resistenz aufgrund ihrer genomischen Hintergrundresistenz genutzt werden.
Zur Bekämpfung von Mais-Kolbenfäule wurden stabile quantitative Merkmalsloci (QTL) identifiziert, die Kandidatengene für Resistenzen gegen FER und GER beherbergen. Die Wirksamkeit der Introgression von Resistenzen aus zwei europäischen Flint-Landrassen, nämlich "Kemater Gelber Landmais" (KE) und "Petkuser Ferdinand Rot" (PE), wurde bewertet. Die Vorhersagegenauigkeit der Verwendung der Linienleistung als Vorhersage für die Hybridleistung bei der GER-Resistenz wurde ebenfalls innerhalb der beiden Landrassen bewertet. Wir haben eine Meta-QTL-Analyse (MQTL) auf der Grundlage von 15 SNP-basierten QTL-Kartierungsstudien durchgeführt und eine Genexpressionsanalyse anhand veröffentlichter RNAseq-Daten zur GER-Resistenz vorgenommen. Insgesamt wurden 40 MQTL identifiziert, von denen die 14 stabilsten MQTL vielversprechende Kandidatengene für den Einsatz in Zuchtprogrammen zur Verbesserung von FER- und GER-Resistenzen enthielten. 28 MQTL waren sowohl für FER- als auch GER-Resistenz verantwortlich, wobei die meisten sowohl für Narbenfaden- als auch Körnerresistenz verantwortlich waren. Die Resistenz kann in Elitesorten übertragen werden, indem präzisierte MQTL in genomgestützte Züchtungsstrategien integriert werden. Anschließend wurden vier GER-resistente doppelhaploide (DH) Linien aus KE- und PE-Landrassen mit zwei anfälligen Elitelinien gekreuzt, um sechs bi-parentale Populationen mit insgesamt 534 DH-Linien zu erzeugen, die mehrortig auf GER-Resistenz untersucht wurden. Der GER-Befallsstärke war bei den sechs von Landrassen abgeleiteten Populationen im Vergleich zu den anfälligen Elitelinien im Mittel um 39-61% reduziert. Durch Einkreuzung der jeweiligen Population kann ein mäßiger bis hoher genetischer Fortschritt erzielt werden, die Verwendung der KE-Landrasse als Spender war effektiver als die der PE-Landrasse. Dies ist ein vielversprechender Ansatz, um die Resistenz von Elitematerialien gegen GER zu verbessern. Darüber hinaus wurde die Leistung von 76 DH-Linien aus beiden Landrassen zur Vorhersage der GER-Resistenz der entsprechenden Testkreuzungen (TC) verwendet. Für die GER-Resistenz wurde eine mäßige phänotypische und genomische Vorhersagegenauigkeit zwischen TC und der Leistung der Linie festgestellt. Eine Vorselektion von Linien auf GER-Resistenz ist deshalb möglich; die Leistung der TC sollte jedoch in einer späteren Selektionsphase zusätzlich getestet werden, um GER-resistente Hybridsorten zu erhalten
Integrated weed management in a pesticide free area
Full text linkWeed control is a challenging task for farmers in highly specialized crop production systems. The competition of weeds for light, nutrients and water causes significant yield losses. Chemical weed control is still the standard method in European cropping systems. Due to their high selectivity and efficacy against a wide range of weed species, herbicides provide the most efficient weed control in most crops. However, negative impact of herbicides on the environment, loss of biodiversity, possible risks to consumers due to residues in food chain and the increase and spread of herbicide-resistant species force farmers to reduce herbicide use and call for alternative weed control methods. Mechanical weed control methods including hoeing and harrowing represent the most promising alternative direct weed control methods. Weed control costs for mechanical methods are still higher than for herbicides and weed control efficacy is often lower with less than 80 % compared to around 95 % for herbicides. The efficacy of mechanical weed control is dependent on external factors such as soil water content, soil texture, and weed species diversity in the particular field. Herbicides can therefore not be replaced by a single mechanical weed control method. It needs an Integrated Weed Management (IWM) strategy including preventive and direct methods of weed suppression. In this study, IWM were investigated for typical arable farming systems in Southwestern Germany. Studies for this thesis were conducted from 2017 to 2022. The objectives of the thesis were to combine preventive and curative methods of weed control in diverse cropping systems and to improve mechanical weed control methods by precision farming technologies. The results of the thesis have been published in five papers.
The first article addressed the effects of preventive weed control by stubble tillage, cover cropping, and the use of glyphosate treatments against Alopecurus myosuroides and volunteer cereals. In two field trials at two sites, cover crop mixtures achieved equal weed control efficacy of up to 100 % as the dual glyphosate treatment. Stubble tillage practices resulted in lower control but caused the highest energy consumption.
The second article focused on the effect of two seeding dates (early-, delayed-sowing) and different herbicide strategies on A. myosuroides control on winter cereals. This study was conducted over three years at three locations. Delayed sowing reduced weed emergence by 30-40 %. Delayed sowing in combination with the pre-emergence herbicide cinmethylin provided equal weed control efficacy as a combination of pre-emergence and post-emergence herbicides.
The third article focused on the control of A. myosuroides including the combination of integrated stubble management and various application rates of the pre-emergence herbicide cinmethylin. In four field trials over a two-year period, the pre-emergence herbicide cinmethylin was applied at two application rates at two sites. Control success of up to 100 % was achieved through the combination of inversion tillage, false-seedbed preparation and the reduced rate of cinmethylin. The results also showed a high variation of the effect of preventive measures.
The fourth article deals with IWM in spring oats and winter wheat. Field experiments were conducted at two locations over two years in five field trials. Chemical weed control was combined with sensor-based mechanical weed control. Data showed that sensor-based mechanical weed control (hoeing and harrowing) in the field trials achieved equal weed control efficacy of up to 100 %. However, highest grain yields were recorded for the combination of pre-emergence herbicide and post-emergence mechanical weed control.
The last article dealt with a new cultivation system without chemical synthetic pesticides but with mineral fertilizers (MECS). The hypothesis was that MECS would increase the competitiveness of the crop on the weeds and generate higher yield benefit compared to the organic cultivation system. Field trials were conducted at four sites over two years. Three different cropping systems, an organic cropping system managed according to organic farming guidelines, a conventional cropping system and a MECS, were compared in a 5-year crop rotation. After two years of studies, no clear conclusion can be made how MECS affects the interaction of crops and weeds. Weed control efficacy in MECS was lower than organic farming. The increase in weed pressure in MECS will cause problems in the subsequent crops. Yields were significantly higher in MECS compared to the organic system and only slightly lower than in the conventional system.
It can be concluded from these studies that IWM in combinations with precision farming technologies for mechanical weeding can replace herbicides. However, weed control costs were higher with non-chemical weed control methods.Die Unkrautbekämpfung ist eine herausfordernde Aufgabe für Landwirte in hochspezialisierten Anbausystemen. Die Konkurrenzkraft der Unkräuter um Licht, Nährstoffe und Wasser führt zu erheblichen Ertragseinbußen. Die chemische Unkrautbekämpfung ist in europäischen Anbausystemen immer noch die Standardmethode. Aufgrund ihrer hohen Selektivität und Wirksamkeit gegen eine breite Palette von Unkrautarten bieten Herbizide in den meisten Kulturen die effizienteste Unkrautbe-kämpfung. Die negativen Auswirkungen von Herbiziden auf die Umwelt, der Verlust der Artenvielfalt, mögliche Risiken für die Verbraucher aufgrund von Rückständen in der Nahrungskette und die Zunahme und Verbreitung herbizidresistenter Arten zwingen die Landwirte jedoch, den Herbizideinsatz zu reduzieren und alternative Unkrautbekämpfungs-methoden zu suchen. Mechanische Unkrautbekämpfungsmethoden wie Hacken und Striegeln sind die vielversprechendsten alternativen Methoden der direkten Unkrautbekämpfung.
Die Kosten für mechanische Unkrautbekämpfungsmethoden sind immer noch höher als die für Herbizide, und die Wirksamkeit der Unkraut-bekämpfung ist oft geringer (weniger als 80 % im Vergleich zu etwa 95 % bei Herbiziden). Die Wirksamkeit der mechanischen Unkrautbekämp-fung hängt von externen Faktoren wie dem Wassergehalt des Bodens, der Bodenbeschaffenheit und der Vielfalt der Unkrautarten auf dem jeweiligen Feld ab. Herbizide können daher nicht durch eine einzige mechanische Unkrautbekämpfungsmethode ersetzt werden. Es bedarf einer Strategie des integrierten Unkrautmanagements (IWM), die präventive und direkte Methoden der Unkrautunterdrückung umfasst. In dieser Studie wurden IWMs für typische Ackerbausysteme im Südwesten Deutschlands untersucht. Die Untersuchungen für diese Arbeit wurden von 2017 bis 2022 durchgeführt. Ziel der Arbeit war es, präventive und kurative Methoden der Unkrautbekämpfung in verschiedenen Anbau-systemen zu kombinieren und mechanische Unkrautbekämpfungsmetho-den durch Precision Farming Technologien zu verbessern. Die Ergebnisse der Arbeit wurden in fünf wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht.
Der erste Artikel befasste sich mit den Auswirkungen der präventiven Unkrautbekämpfung durch Stoppelbearbeitung, Zwischenfruchtanbau sowie Glyphosatbehandlungen gegen Alopecurus myosuroides und Ausfallgetreide. In zwei Feldversuchen an zwei Standorten erzielten Deckfruchtmischungen die gleiche Wirksamkeit bei der Unkrautbekämp-fung von bis zu 100 % wie die duale Glyphosatbehandlung. Die Stoppel-bearbeitung führte zu einer geringeren Kontrolle, verursachte aber den höchsten Energieverbrauch.
Der zweite Artikel befasste sich mit den Auswirkungen von zwei Aussaat-terminen (Früh- und Spätsaat) und verschiedenen Herbizidstrategien auf die Bekämpfung von A. myosuroides in Wintergetreide. Diese Studie wurde über drei Jahre an drei Standorten durchgeführt. Die späte Aussaat reduzierte das Aufkommen von Unkraut um 30 bis 40 %. Spätsaat in Kombination mit dem Vorauflaufherbizid Cinmethylin bot die gleiche Wirksamkeit bei der Unkrautbekämpfung wie eine Kombination aus Vorauflauf- und Nachauflaufherbiziden.
Der dritte Artikel befasste sich mit der Bekämpfung von A. myosuroides in Kombination mit einer integrierten Stoppelbearbeitung und verschie-denen Aufwandmengen des Herbizids Cinmethylin vor Pflanzenaufgang. In vier Feldversuchen über einen Zeitraum von zwei Jahren wurde das Vorauflaufherbizid Cinmethylin in zwei Aufwandmengen an zwei Stand-orten eingesetzt. Durch die Kombination von inverser Bodenbearbeitung, falscher Saatbettbereitung und der reduzierten Cinmethylin-Dosierung wurde ein Bekämpfungserfolg von bis zu 100 % erzielt. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Schwankungsbreite in der Wirkung der vorbeugenden Maßnahmen.
Der vierte Artikel befasste sich mit IWM in Sommerhafer und Winter-weizen. An zwei Standorten wurden in fünf Feldversuchen über zwei Jahre hinweg Feldversuche durchgeführt. Die chemische Unkrautbekämpfung wurde mit der sensorgestützten mechanischen Unkrautbekämpfung kombiniert. Die Daten zeigten, dass die sensorgestützte mechanische Unkrautbekämpfung (Hacken und Striegeln) in den Feldversuchen eine gleichwertige Unkrautbekämpfungseffizienz von bis zu 100 % erzielte. Die höchsten Kornerträge wurden jedoch bei der Kombination aus Herbi-zid vor Pflanzenaufgang und mechanischer Unkrautbekämpfung nach Pflanzenaufgang erzielt.
Der fünfte Artikel befasste sich mit einem neuen Anbausystem ohne chemisch-synthetische Pestizide, aber mit Mineraldünger (MECS). Die Hypothese lautete, dass MECS die Konkurrenzfähigkeit der Pflanzen gegenüber Unkräutern erhöht und im Vergleich zum ökologischen Anbau-system einen höheren Ertragsvorteil bringt. Die Feldversuche wurden über zwei Jahre an vier Standorten durchgeführt. Drei verschiedene Anbau-systeme, ein ökologisches Anbausystem nach den Richtlinien des ökologischen Landbaus, ein konventionelles Anbausystem und ein MECS, wurden in einer fünfjährigen Fruchtfolge verglichen. Nach zwei Jahren konnte keine eindeutige Schlussfolgerung darüber gezogen werden, wie sich das MECS auf die Interaktion von Pflanzen und Unkraut auswirkt.
Die Wirksamkeit der Unkrautbekämpfung war in MECS geringer als im ökologischen Landbau. Der erhöhte Unkrautdruck in MECS wird in den Folgekulturen Probleme verursachen. Die Erträge waren in MECS deut-lich höher als im ökologischen System und nur geringfügig niedriger als im konventionellen System.
Diese Studien lassen den Schluss zu, dass IWM in Kombination mit Tech-nologien der Präzisionslandwirtschaft zur mechanischen Unkrautbekämp-fung Herbizide ersetzen kann. Allerdings waren die Kosten für die Unkrautbekämpfung bei nicht-chemischen Methoden höher
Characterization and modulation of technofunctional properties of pea proteins
Full text linkPlant-derived ingredients for food formulation have gained increasing interest in recent years as animal products pose a higher burden on the environment. Among plant proteins, those from pea (Pisum sativum L.) are of particular interest because of their low allergenicity, low cost, high availability, and good reputation among consumers. However, the technofunctionality of pea proteins is often inferior to animal-derived proteins limiting a more widespread use in food products. These technofunctional properties include - among others - foaming, gelling, and binding of other ingredients and it depends on the food product, which functionality food scientists must utilize and optimize. Cost effective approaches to improve the technofunctionality of pea proteins are therefore desirable and would allow the industry to further implement the use of sustainable ingredients in foods. In line with these overall goals, the aim of the first section of this thesis was to characterize a commercial pea protein isolate and to modulate the physicochemical and technofunctional properties through homogenization for foaming application. The main goal of the second section was to mix pea proteins with pectin to obtain a suitable binder with desired properties for the application in meat alternatives. The mixing approach was based on previous research data that had shown that interacting protein-polysaccharide systems display a synergistic behaviour in terms of their functional properties.
First section: Foams are two phase systems consisting of gas bubbles that are stabilized by surface-active ingredients such as proteins in the discontinuous, aqueous phase. The physico-chemical properties of proteins such as their solubility determines foaming performance. In Chapter I, a commercial pea protein isolate was fractionated into a water-soluble and a water-insoluble fraction for characterization. Although the two fractions were similar in protein composition, they showed distinct differences in physicochemical properties. For instance, the particle size of soluble pea proteins was around 40-50 µm at acidic pH (3-5), while no measurable particles were detected at neutral The insoluble pea proteins were large at pH 3 and 7 (> 80 µm) and ca. 40-50 µm close to their isoelectric point at pH 5. The results suggest that commercial pea protein isolates consisted of several fractions with differences in their physico-chemical properties. The yield of the water-insoluble fraction was higher and therefore used in Chapter II, where experimental results illustrated that dispersions of insoluble pea protein aggregates (5% w/w, pH 7) could be disrupted from 180 ± 40 µm (control) to 0.2 ± 0.0 µmm upon homogenization at pressures ≥ 125 MPa. This was attributed to a cleavage of intermolecular interactions such as disulphide bonds, hydrogen bonds, and hydrophobic interactions. The decrease in insoluble pea protein aggregate size was accompanied by an increase in solubility from 23 ± 1% to ≥ 80% that may be beneficial for its technofunctionality. Consequently, homogenization was applied to the same material at pH 3 and 5 with the aim of investigating its foaming performance in Chapter III. In general, unhomogenized dispersions of pea protein aggregates (5% w/w, pH 3 or 5) did not foam at both tested pH values due to large pea protein aggregates with low solubility and surface activity. At pH 3, the dissociation of pea protein aggregates into smaller, more soluble, and more surface-active proteins was responsible for a high foam capacity (FC = 360-520%) with medium foam stability as measured by drainage (FS = 19-30 min). Only a limited particle size reduction upon homogenization was observed at pH 5, which was close to the isoelectric point of the pea proteins. Nevertheless, the still large aggregates consisted of re-aggregated smaller protein particles that were able to form a smaller amount of rather stable foams with thick interfacial films (FC = 213-246%, FS = 32-42 min). Overall, homogenization of insoluble pea protein aggregates was shown to change its physicochemical properties thereby benefitting technofunctional properties such as foaming.
Second section: Another technofunctionality of interest is binding of different structural elements in e.g., meat alternatives. For this, the binder must be i.) sticky to glue heterogeneous components together and ii.) able to readily solidify upon further processing thereby ensuring a coherent bulk matrix. In Chapter IV, the influence of pH (3.50, 4.75, 6.00) and biopolymer concentration (17.5-50.0% w/w) on the stickiness of a pea protein isolate apple pectin mixture (mixing ratio r = 6:1) was investigated. It was found that biopolymer concentrations of 17.5-20.0% w/w led to low stickiness due to a lack of cohesive forces (WoA = 0.29-0.51 mJ). At high biopolymer concentrations of 40-50% w/w, the biopolymer mixtures were also not sticky because of adhesion being limited (WoA = 0.02-0.05 mJ). There was a good balance of adhesion and cohesion that facilitated a high stickiness (WoA = 0.48-0.65 mJ) at intermediate concentrations of 25-30% w/w, which was also indicated by a viscoelastic behavior (G ≈ G). At those concentrations, the mixtures at pH 6 were stickier due to increased swelling of the pea proteins. The importance of viscoelasticity for stickiness of biopolymer mixtures was confirmed in Chapter V, where pea protein isolate and apple pectin (25% w/w, pH 6) were mixed in different ratios r. Mixtures of pea protein and apple pectin and particularly the sample with r = 2:1 possessed high stickiness due to the development of a multiphase morphology that allowed for a good balance of adhesion and cohesion with distinct frequency dependency. Pea protein alone (r = 1:0, c = 25% w/w) had an elastic but soft texture with low stickiness due to limited viscous properties, whereas a sample solely consisting of apple pectin (r = 0:1, c = 25% w/w) was also not sticky because of its high cohesion and stiffness. The results of Chapter VI revealed that pea protein homogenization prior to mixing with apple pectin led to smaller protein particles in the blend that contributed to a higher cohesive strength. Interestingly, vacuum-dried pea proteins resulted in a higher network strength as this drying method prevented reaggregation of small protein particles to a higher extent as compared to freeze-drying. Overall, the mixture with homogenized and vacuum-dried pea proteins was nearly twice as sticky as the mixture with untreated pea proteins. In Chapter VII, sticky mixtures of different pea protein preparations (soluble, homogenized and unhomogenized pea proteins) and pectin (25% w/w, pH 6, r = 2:1) were tested for their ability to solidify upon different treatments, namely heating as well as the addition of transglutaminase, laccase, calcium, and combinations thereof. Calcium was found to facilitate crosslinking of pectin chains and thus induced solidification of the mixtures. For instance, the consistency coefficient K increased from 2800 ± 1000 Pasn for pea protein isolate apple pectin mixtures to around 19000 Pasn when calcium was added. Heat treatment and transglutaminase did not lead to solidification indicating that pectin made up the continuous phase. Furthermore, laccase led to the highest degree of solidification when sugar beet pectin was used (K > 30000 Pasn) due to ferulic acid and pea protein tyrosine crosslinking. Consequently, the sticky mixture of pea protein and sugar beet pectin (25% w/w, pH 6, r = 2:1) with the addition of laccase for solidification was identified as the most suitable binder for a bacon type meat analogue, which was the object of the study carried out in Chapter VIII. This binder had the highest binding strength (W = 2.0-4.3 mJ) between textured protein, fat mimic, and both layers at 25 °C due to the introduction of covalent bonds by laccase within the binder and between the binder and the adherends. A control sample without laccase addition had lower binding properties (W = 0.7-1.0 mJ) and the binding strength of a methylcellulose hydrogel (6% w/w) serving as benchmark was only higher between two fat mimics at 70 °C (W = 1.8 ± 1.1 mJ) due to increased hydrophobic forces. Finally, the pea protein sugar beet pectin binder (22.5% w/w, pH 6, r = 2:1) was tested in burger patty type meat analogues to glue textured vegetable protein and fat particles together (Chapter IX). The binder system did not influence the hardness of the burger patties suggesting that this property was governed by the structural elements and not the binder. However, the cohesiveness as determined by sensory analysis was found to be superior when the pea protein sugar beet pectin binder was used (-0.7 ± 0.2) as compared to the methylcellulose benchmark (-2.9 ± 0.3). This was attributed to the sticky character of the biopolymer mixture that enabled improved binding of the different structural elements. Overall, this novel binder based on plant-derived ingredients was shown to be applicable in different meat alternatives. Last, Chapter X reviewed the functionality and binding mechanism of currently used binders in foods and showed that stickiness, hardening/solidification, and water holding capacity are of great importance. In many food products, the binder transitions from a sticky food glue to a solid matrix triggered by different process operations that depend on the characteristics of the applied binder.
From the presented results, it can be concluded that pea proteins are useful functional ingredients in various application scenarios. The desired technofunctionality can be improved through different process operations such as fractionation, homogenization, or mixing with other plant-derived ingredients. For this, knowledge regarding structure-function relationship and other influential factors is needed. In some cases such as in binders process operations must be well orchestrated to induce structural transitions and therefore changes in functionality at the desired time during manufacturing. Overall, the results of this thesis contributed to a better understanding for a more widespread use of pea proteins to promote a more sustainable food system. The appended graphical abstract summarizes the key steps undertaken in this thesis to come to this conclusion.Pflanzliche Inhaltsstoffe für die Herstellung von Lebensmitteln haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen, da tierische Produkte eine größere Belastung für die Umwelt darstellen. Unter den pflanzlichen Proteinen sind diejenigen aus Erbsen (Pisum sativum L.) wegen ihrer geringen Allergenität, ihrer niedrigen Kosten, ihrer hohen Verfügbarkeit und ihrer Wertschätzung seitens der Verbraucher von besonderem Interesse. Die Technofunktionalität von Erbsenproteinen ist jedoch häufig schlechter als die von tierischen Proteinen, was eine breitere Verwendung in Lebensmitteln einschränkt. Zu diesen technofunktionellen Eigenschaften gehören unter anderem Schäumen, Gelieren und Binden anderer Zutaten, und es hängt vom Produkt ab, welche Funktionen Lebensmittelwissenschaftler nutzen und optimieren müssen. Kostengünstige Ansätze zur Verbesserung der Technofunktionalität von Erbsenproteinen sind daher wünschenswert und würden es der Industrie ermöglichen, die Verwendung nachhaltiger Zutaten in Lebensmitteln weiter zu beschleunigen. Basierend auf diesen übergeordneten Absichten bestand das Ziel des ersten Abschnitts dieser Arbeit darin, ein kommerzielles Erbsenproteinisolat zu charakterisieren und die physikochemischen und technofunktionellen Eigenschaften durch Homogenisierung für die Anwendung als Schaumbildner zu modulieren. Das Hauptziel des zweiten Abschnitts bestand darin, Erbsenproteine mit Pektin zu mischen, um ein geeignetes Bindemittel mit den gewünschten Eigenschaften für die Anwendung in Fleischalternativen zu erhalten. Der Mischungsansatz basierte auf früheren Forschungsdaten, die zeigten, dass interagierende Protein-Polysaccharid-Systeme eine Synergie in Bezug auf ihre funktionellen Eigenschaften aufweisen.
Erster Abschnitt: Schäume sind Zweiphasensysteme, die aus Gasblasen bestehen und durch oberflächenaktive Bestandteile wie Proteine in der diskontinuierlichen, wässrigen Phase stabilisiert werden. Die physikochemischen Eigenschaften der Proteine, wie ihre Löslichkeit, bestimmen die Schaumbildung. In Kapitel I wurde ein kommerzielles Erbsenproteinisolat zur Charakterisierung in eine wasserlösliche und eine wasserunlösliche Fraktion auftrennt. Obwohl die beiden Fraktionen eine ähnliche Proteinzusammensetzung aufwiesen, zeigten sie deutliche Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. So betrug die Partikelgröße der löslichen Erbsenproteine bei saurem pH-Wert (3-5) etwa 40-50 µm, während bei neutralem pH-Wert keine messbaren Partikel festgestellt wurden. Die unlöslichen Erbsenproteine waren hingegen bei pH 3 und 7 groß (> 80 µm) und lagen bei pH 5 (in der Nähe ihres isoelektrischen Punktes) bei ca. 40-50 µm. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass handelsübliche Erbsenproteinisolate aus mehreren Fraktionen bestehen, die sich in ihren physikochemischen Eigenschaften unterscheiden. Die Ausbeute der wasserunlöslichen Fraktion war höher und wurde daher in Kapitel II verwendet. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass Dispersionen von unlöslichen Erbsenproteinaggregaten (5% w/w, pH 7) durch Homogenisierung bei einem Druck von ≥ 125 MPa von 180 ± 40 µm (Kontrolle) auf 0,2 ± 0,0 µm zerkleinert werden konnten. Dies wurde auf eine Spaltung der intermolekularen Wechselwirkungen wie Disulfidbindungen, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen zurückgeführt. Die Verringerung der Größe der unlöslichen Erbsenproteinaggregate ging mit einem Anstieg der Löslichkeit von 23 ± 1% auf ≥ 80% einher, was wiederum für die Technofunktionalität von Vorteil sein könnte. Folglich wurde das gleiche Material bei einem pH-Wert von 3 und 5 homogenisiert, um die Schaumkapazität und Schaumstabilität in Kapitel III zu untersuchen. Im Allgemeinen schäumten unhomogenisierte Dispersionen von Erbsenproteinaggregaten (5% w/w, pH 3 oder 5) bei beiden getesteten pH-Werten nicht, was auf große Erbsenproteinaggregate mit geringer Löslichkeit und Oberflächenaktivität zurückzuführen ist. Bei pH 3 war die Dissoziation der Erbsenproteinaggregate in kleinere, besser lösliche und oberflächenaktivere Proteine verantwortlich für eine hohe Schaumkapazität (360-520%) mit mittlerer Schaumstabilität (= 19-30 min), die mittels Drainage gemessen wurde. Bei pH 5, der nahe dem isoelektrischen Punkt der Erbsenproteine lag, wurde nur eine begrenzte Verringerung der Partikelgröße bei der Homogenisierung beobachtet. Dennoch bestanden die immer noch großen Aggregate aus reaggregierten kleineren Proteinpartikeln, die eine kleinere Menge recht stabile Schäume mit dicken Grenzflächenfilmen bildeten (Schaumkapazität = 213-246%, Schaumstabilität = 32-42 min). Insgesamt hat sich gezeigt, dass die Homogenisierung von unlöslichen Erbsenproteinaggregaten deren physikochemische Eigenschaften verändert und dadurch technofunktionelle Eigenschaften wie das Schäumen begünstigt wurden.
Zweiter Abschnitt: Eine weitere Technofunktionalität von Interesse ist die Bindung verschiedener Strukturelemente, z. B. in Fleischalternativen. Dazu muss das Bindemittel i.) klebrig sein, um heterogene Komponente zusammenzukleben, und ii.) in der Lage sein, sich bei der Weiterverarbeitung leicht zu verfestigen, um dadurch eine kohärente Matrix zu gewährleisten. In Kapitel IV wurde der Einfluss des pH-Wertes (3,50, 4,75, 6,00) und der Biopolymerkonzentration (17,5-50,0% w/w) auf die Klebrigkeit einer Mischung aus Erbsenproteinisolat und Apfelpektin (Mischungsverhältnis r = 6:1) untersucht. Es wurde festgestellt, dass Biopolymerkonzentrationen von 17,5-20,0% w/w zu einer geringen Klebrigkeit aufgrund geringer Kohäsion (Adhäsionsarbeit 0,29-0,51 mJ) führten. Bei hohen Biopolymerkonzentrationen von 40-50% w/w waren die Biopolymermischungen ebenfalls nicht klebrig, da die Adhäsion gering war (Adhäsionsarbeit 0,02-0,05 mJ). Bei mittleren Konzentrationen von 25-30% w/w herrschte ein gutes Gleichgewicht zwischen Adhäsion und Kohäsion, wodurch eine hohe Klebrigkeit (Adhäsionsarbeit 0,48-0,65 mJ) ermöglichte wurde, was sich auch im viskoelastischen Verhalten (G ≈ G) widergespiegelte. Bei mittleren Konzentrationen waren die Mischungen bei pH 6 klebriger, was auf eine verstärkte Quellung der Erbsenproteine zurückzuführen war. Die Bedeutung der Viskoelastizität für die Klebrigkeit von Biopolymermischungen wurde in Kapitel V bestätigt, indem Erbsenproteinisolat und Apfelpektin (25% w/w, pH 6) in verschiedenen Mischverhältnissen r gemischt wurden. Mischungen aus Erbsenprotein und Apfelpektin und insbesondere die Probe mit r = 2:1 besaßen eine hohe Klebrigkeit aufgrund der Entwicklung eines Mehrphasensystems, das ein gutes Gleichgewicht von Adhäsion und Kohäsion mit deutlicher Frequenzabhängigkeit ermöglichte. Erbsenprotein allein (r = 1:0, c = 25% w/w) hatte eine elastische, aber weiche Textur mit geringer Klebrigkeit aufgrund begrenzter viskoser Eigenschaften, während eine Probe, die nur aus Apfelpektin bestand (r = 0:1, c = 25% w/w), aufgrund ihrer hohen Kohäsion und Steifigkeit ebenfalls nicht klebrig war. Die Ergebnisse von Kapitel VI zeigten, dass die Homogenisierung von Erbsenprotein vor dem Mischen mit Apfelpektin zu kleineren Proteinpartikeln in der Mischung führte, die zu einer höheren Kohäsion beitrugen. Interessanterweise führten vakuumgetrocknete Erbsenproteine zu einer höheren Netzwerkfestigkeit, da diese Trocknungsmethode im Vergleich zur Gefriertrocknung die Reaggregation kleiner Proteinpartikel eher verhinderte. Insgesamt war die Mischung mit homogenisierten und vakuumgetrockneten Erbsenproteinen fast doppelt so klebrig wie die Mischung mit unbehandelten Erbsenproteinen. In Kapitel VII wurden klebrige Mischungen aus verschiedenen Erbsenproteinpräparaten (lösliche, homogenisierte und nicht homogenisierte Erbsenproteine) und Pektin (25% w/w, pH 6, r = 2:1) auf ihre Verfestigungsfähigkeit durch verschiedenen Behandlungen, nämlich Erhitzen sowie Zugabe von Transglutaminase, Laccase, Calcium und Kombinationen daraus, geprüft. Es wurde festgestellt, dass Calcium die Vernetzung der Pektinketten fördert und so die Verfestigung der Mischungen bewirkt. So stieg beispielsweise der Konsistenzkoeffizient K bei Mischungen aus Erbsenproteinisolat und Apfelpektin von 2800 ± 1000 Pasn auf etwa 19000 Pasn, wenn Calcium zugesetzt wurde. Wärmebehandlung und Transglutaminase führten nicht zu einer Verfestigung, was darauf hindeutet, dass das Pektin die kontinuierliche Phase bildet. Darüber hinaus führte Laccase zum höchsten Verfestigungsgrad, wenn Zuckerrübenpektin verwendet wurde (K > 30000 Pasn), was auf die Vernetzung von Ferulasäure und Erbsenprotein-Tyrosin zurückzuführen ist. Folglich wurde die klebrige Mischung aus Erbsenprotein und Zuckerrübenpektin (25% w/w, pH 6, r = 2:1) mit dem Zusatz von Laccase zur Verfestigung als das am besten geeignete Bindemittel für ein bacon-ähnliches Fleischersatzprodukt ermittelt und in Kapitel VIII untersucht. Dieses Bindemittel wies bei 25 °C die höchste Bindungsstärke (Arbeit 2,0-4,3 mJ) zwischen texturierten Protein- und Fettimitatschichten sowie Schichten des gleichen Materials auf, was auf die Bildung kovalenter Bindungen durch Laccase innerhalb des Bindemittels und zwischen dem Bindemittel und den Adhärenten zurückzuführen ist. Eine Kontrollprobe ohne Laccase-Zusatz hatte geringere Bindungseigenschaften (Arbeit 0,7-1,0 mJ), und die Bindungsstärke eines Methylcellulose-Hydrogels (6% w/w), das als Referenz diente, war nur zwischen zwei Fettimitatschichten bei 70 °C höher (Arbeit 1,8 ± 1,1 mJ), was auf erhöhte hydrophobe Kräfte zurückzuführen ist. Schließlich wurde das Bindemittel aus Erbsenprotein und Zuckerrübenpektin (22,5% w/w, pH 6, r = 2:1) in Fleischersatzprodukten vom Typ Burger-Patty getestet, um texturiertes pflanzliches Protein und Fettpartikel zusammenzukleben (Kapitel IX). Das Bindemittelsystem hatte keinen Einfluss auf die Härte der Burger-Patties, was darauf hindeutet, dass diese Eigenschaft von den Strukturelementen und nicht vom Bindemittel bestimmt wird. Die sensorische Analyse ergab jedoch, dass die Kohäsion bei Verwendung des Bindemittels aus Erbsenprotein und Zuckerrübenpektin besser war (-0,7 ± 0,2) als bei Verwendung von Methylcellulose (-2,9 ± 0,3). Dies wurde auf den klebrigen Charakter der Biopolymermischung zurückgeführt, der eine bessere Bindung der verschiedenen Strukturelemente ermöglichte. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass dieses neuartige Bindemittel auf Basis pflanzlicher Inhaltsstoffe in verschiedenen Fleischalternativen eingesetzt werden kann. Schließlich wurde in Kapitel X die Funktionalität und der Bindungsmechanismus von derzeit in Lebensmitteln verwendeten Bindemittel aufgezeigt und resümiert, dass Klebrigkeit, Aushärtung/Verfestigung und Wasserhaltevermögen von großer Bedeutung sind. In vielen Lebensmitteln geht das Bindemittel von einem klebrigen Lebensmittelkleber zu einer festen Matrix über, was durch verschiedene Prozessschritte ausgelöst wird, die von den Eigenschaften des verwendeten Bindemittels abhängen.
Aus den vorgestellten Ergebnissen lässt sich schließen, dass Erbsenproteine nützliche funktionelle Inhaltsstoffe in verschiedenen Anwendungsszenarien sind. Die gewünschte Technofunktionalität kann durch verschiedene Prozessschritte wie Fraktionierung, Homogenisierung oder durch Mischen mit anderen pflanzlichen Inhaltsstoffen verbessert werden. Hierfür sind Kenntnisse über die Struktur-Funktions-Beziehung und andere Einflussfaktoren erforderlich. In einigen Fällen - wie z. B. bei Bindemitteln - müssen die Prozessabläufe gu
The performance of and interactions between multiple co-occurring alien and native plant species
Full text linkThis thesis focuses on investigating species interactions in the context of alien species establishment, which poses severe threats to species, communities, and ecosystems due to climate change and globalization. The study emphasizes the need to understand the effects of multiple co-occurring alien species and their potential explanations, such as niche or fitness differences. The outcome of competition can also be influenced by priority effects, where earlier emerging species affect later emerging species in a given environment. Positive interactions, like facilitation, are often overlooked but play a significant role in species interactions. Legumes, known for their ability to fix atmospheric nitrogen, can facilitate alien species, leading to both severe negative effects on natives and reduced resource competition.
The research conducted three common garden pot experiments to address various aspects of alien species interactions. The first experiment examined pairwise combinations of 20 alien annual plant species in Germany to identify the mechanisms driving these interactions. It tested the prevalence of competition versus facilitation and assessed the effectiveness of individual traits, hierarchical or absolute trait distances, multivariate trait or phylogenetic distance, and trait plasticity in explaining plant performance. Results indicated that while interspecific competition was more common, interspecific facilitation occurred in 24% of cases. Hierarchical trait distances provided better explanations for interactions than phylogenetic or multivariate trait distances. Accounting for trait plasticity did not necessarily improve plant performance predictions. Notably, taller individuals with lower specific leaf area than their alien neighbours exhibited increased biomass and seed production when growing together.
The second experiment focused on interactions between five pairs of alien and native species. It evaluated the impact of growing with one or two alien neighbour species on native plants and manipulated the arrival time of alien or native neighbours. Generally, native species performed worse when surrounded by two alien species compared to one, although the effect varied among species. Both native and alien species experienced significant performance decreases when arriving second in the pot, while alien species tended to benefit more from early arrival. However, further studies are required to generalize these findings across multiple alien and native plants regarding neighbour species and arrival time responses.
The third experiment delved into legume facilitation in more detail. It involved growing 30 annual Asteraceae species (neophytes, archaeophytes, and natives) in communities with or without legume presence. The study measured functional traits, fitness, and nitrogen characteristics to understand how legume presence affected Asteraceae fitness and the relationship between traits, nitrogen concentration, and fitness. Using the δ15N natural abundance method, the research explored whether facilitation mechanisms differed among native phytometer, neophyte, and archaeophyte Asteraceae. Specific leaf area negatively affected aboveground biomass and seed production, with a stronger effect in the absence of legumes. Nitrogen concentration was positively correlated with biomass but did not significantly increase seed production. The results suggested direct legume facilitation for the native grass phytometer Festuca rupicola when growing alongside archaeophytes but not neophytes. This indicated varied mechanisms of competition for nitrogen between natives and alien species of different residence times and deepened understanding of altered facilitative leguminous effects in the presence of alien species.
Overall, this research demonstrates the application of community ecology concepts and theories to investigate alien species interactions, particularly when multiple co-occurring alien species are involved. As the rate of alien species arrival in new habitats continues to increase, understanding their combined impact on native species, communities, and ecosystems becomes increasingly crucial.Diese Arbeit untersucht die Interaktionen von Pflanzenarten im Zusammenhang mit der Ansiedlung gebietsfremder Arten. Klimawandel und Globalisierung führen zu einer steigenden Anzahl gebietsfremder Arten, die eine Bedrohung für einheimische Arten und Ökosysteme darstellen. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen von mehreren gleichzeitig auftretenden gebietsfremden Arten zu untersuchen und zu erklären, ob durch Nischen- oder Fitnessunterschiede. Konkurrenz kann durch sogenannte "priority" Effekte beeinflusst werden, bei denen eine früher auftretende Art Auswirkungen auf eine später auftretende Art hat. Auch positive Interaktionen wie Unterstützung sind wichtig, werden jedoch oft vernachlässigt. Leguminosen sind bekannt für ihre Fähigkeit, Stickstoff zu fixieren und können daher die Ansiedlung von gebietsfremden Arten erleichtern, aber auch die Konkurrenz um Ressourcen verringern.
Die Arbeit umfasst drei Topf-Experimente. Im ersten Experiment wurden 20 gebietsfremde einjährige Pflanzenarten in Deutschland untersucht, um die Mechanismen der Interaktionen zu identifizieren. Es wurde untersucht, ob Konkurrenz oder Unterstützung häufiger auftraten und welche Merkmale die Interaktionen am besten erklärten. Hierarchische Merkmalsdistanzen waren besser geeignet als phylogenetische oder multivariate Merkmalsdistanzen. Die Berücksichtigung von Merkmalsplastizität verbesserte die Vorhersage der Pflanzenleistung nicht signifikant. Pflanzen, die größer waren und eine geringere spezifische Blattfläche als ihre Nachbarn aufwiesen, hatten eine höhere Biomasse und Samenproduktion.
Im zweiten Experiment wurden die Wechselwirkungen zwischen fünf Paaren aus gebietsfremden und einheimischen Arten untersucht. Es wurde festgestellt, dass einheimische Arten schlechter abschnitten, wenn sie von zwei gebietsfremden Arten umgeben waren. Die Ankunftszeit hatte ebenfalls einen Einfluss, wobei frühe Ankunft gebietsfremden Arten zugutekam. Die Reaktionen waren jedoch artspezifisch und erfordern weitere Untersuchungen.
Das dritte Experiment konzentrierte sich auf die Unterstützung durch Leguminosen. Es wurden 30 Asteraceae-Arten in Gemeinschaften mit oder ohne Leguminosen angebaut. Es wurde untersucht, wie die Anwesenheit von Leguminosen die Fitness der Asteraceae-Arten beeinflusst. Die spezifische Blattfläche hatte einen negativen Einfluss auf die Biomasse, während die Stickstoffkonzentration positiv damit korrelierte. Es wurden unterschiedliche Mechanismen der Unterstützung für einheimische und gebietsfremde Arten festgestellt.
Die Arbeit zeigt, wie ökologische Konzepte und Theorien auf die Interaktionen mit gebietsfremden Arten angewendet werden können. Angesichts der zunehmenden Anzahl gebietsfremder Arten ist es wichtig, ihre Auswirkungen auf einheimische Arten und Ökosysteme zu verstehen
Influence of biogas-digestate processing on composition, N partitioning, and N2O emissions after soil application
Full text linkThe ever-growing need for agricultural products represents a global issue, particularly with a view to the limited availability of cultivable land. According to the latest estimates, the arable land per capita decreases and, in 2050, is expected to account for about 60% less than in the 1960s.
In order to meet the demand, agriculture has evolved into industrial-like structures. This development often goes along with nutrient surpluses (e.g., excess of nitrogen and phosphorus) and increased emissions, caused by mismanagement and inappropriate agricultural practices (e.g., over-fertilization). Biogas plants offer a possibility to valorize organic residues and wastes, but potentially aggravate this problem since additional organic residues (referred to as digestates) with considerable nutrient contents are generated as by-products.
A simple approach to adjust nutrient levels in the affected regions is the transfer of manures and digestates. However, to make this feasible, a reduction of water content (and consequently of total mass/volume) of digestates is required. Up to now, various techniques for digestate downstream processing are available. Previous research mainly addressed single processing stages or differences between feedstock mixtures. Only limited information was found about the influence of a completed downstream processing on total mass reduction and nitrogen concentration in digestate. Studies about the (gaseous) N losses that occur after the application of the respective intermediate and final products to soils were equally scarce.
Therefore, the aims of the current doctoral thesis were to determine (i) the mass reduction achieved by the gradual removal of water within competing processing chains, (ii) the nitrogen partitioning after every single processing step and its recovery in the end products, and (iii) the amount of greenhouse gases (especially N2O) released after the application of intermediate and end products to soils in comparison to untreated, raw digestate.
For that purpose, two commercial, full-scale biogas plants were examined, which completely processed either the solid or the liquid fraction after mechanical screwpress separation of raw digestate. The separated solid fraction was subsequently dried and pelletized, while the liquid fraction was treated by vacuum evaporation with partial NH3 scrubbing. As final products, digestate pellets and N-enriched ammonium sulfate solution were generated. Calculation of a mass flow balance served as the basis for determining (total) mass reduction, the partitioning of fresh mass and nitrogen during digestate processing, and the recovery of initial N in the products. Additionally, the environmental impact of utilizing digestate as an organic fertilizer was studied by measuring the N2O release after application to soil under field and laboratory conditions. A further in-depth analysis was performed to observe the main factors influencing the production and release of climate-relevant N2O from digestate pellets.
It was found that the mass reduction caused by water removal during subsequent processing accounted for 6% (solid chain) and 31% (liquid chain) of the total mass of raw digestate. Liquid processing required 40% less thermal energy per ton of water evaporated than solid processing. At the end of the downstream processing, the recovery of initial nitrogen in pellets was 33% lower than in ammonium sulfate solution. Regarding the environmental impact of digestate application to soil, mechanical solidliquid separation showed the potential to reduce N2O emissions. Contrary to expectations, pelletizing of dry solid boosted the emissions, which was linked to the properties and composition of the pellet. Here, indigenous microbial activity triggered N2O production and release from denitrification immediately after wetting.
Overall, the present work has shown that the subsequent processing of separated solid or liquid digestate generates different products with individual benefits and challenges. Solid digestates are characterized by a high share of recalcitrant organic compounds and therefore can serve, e.g., as soil improver. After processing to pellets, they can be easily transported, stored, and commercialized. However, it is questionable whether the pelletizing process is advisable, since pellets emitted a considerable amount of GHGs during utilization. Liquid processing produces ammonium sulfate solution, which can be utilized as a valuable inorganic fertilizer rich in plant-available N.
Besides the discussed advantages, a final decision for or against digestate processing always depends on individual factors, such as local situation and financial means. Smart decision-making must include fertilizer properties, technological performance, and economic feasibility.
With a view to future research, additional aspects were identified, such as returning to a laboratory-scale biogas plant for more accurate digestate sampling and analysis, consideration of digestate storage and transport, and economic evaluation of the entire digestate value chain including the assessment of digestate fertilizer value (expressed as e.g., N use efficiency or N fertilizer replacement value).Der ständig wachsende Bedarf an landwirtschaftlichen Erzeugnissen stellt ein globales Problem dar, welches durch die begrenzte Verfügbarkeit von Anbauflächen noch weiter verschärft wird. Jüngsten Schätzungen zufolge nimmt die Ackerfläche pro Kopf ab und wird im Jahr 2050 voraussichtlich etwa 60 % weniger betragen als im Jahr 1960.
Um die steigende Nachfrage zu bedienen, haben sich in der Landwirtschaft industrieähnliche Strukturen ausgebildet. Diese Entwicklung geht jedoch häufig mit Nährstoffüberschüssen (z. B. Stickstoff- und Phosphorüberschüsse) und erhöhten Emissionen einher, die durch Missmanagement und unsachgemäße landwirtschaftliche Praktiken (z. B. Überdüngung) verursacht werden. Biogasanlagen bieten eine Möglichkeit, organische Rückstände und Abfälle zu verwerten, können das Problem jedoch weiter verschärfen, da zusätzliche organische Rückstände (sogenannte Gärreste) mit erheblichen Nährstoffgehalten anfallen.
Ein einfacher Ansatz, um die Nährstofffracht in betroffenen Regionen zu regulieren, ist die Verbringung von Gülle und Gärresten. Hierfür muss jedoch zunächst eine Verringerung des Wassergehalts (bzw. der Gesamtmasse/des Gesamtvolumens) der Gärreste erfolgen, welche mittels verschiedener Verfahren und Technologien realisiert werden kann. Die zugehörige Forschung befasste sich bislang hauptsächlich mit einzelnen Verfahrensschritten oder mit den Auswirkungen unterschiedlicher Ausgangsstoffe/Gemische. Über den exakten Einfluss einer abgeschlossenen Nachbehandlung auf die Gesamtmassenreduktion und die Stickstoffkonzentration im Gärrest sind kaum Informationen verfügbar. Gleichermaßen konnten nur wenige Studien gefunden werden, welche sich mit den (gasförmigen) N-Verlusten nach der Ausbringung der jeweiligen Zwischen- und Endprodukte beschäftigen.
Die Ziele der vorliegenden Dissertation waren daher die Untersuchung
(i) der Massenreduktion, die durch den Wasserentzug innerhalb verschiedener Aufbereitungsketten erzielt werden konnte,
(ii) der Stickstoffverteilung nach den einzelnen Aufbereitungsschritten und der N-Rückgewinnung in den Endprodukten, sowie
(iii) der freigesetzten Treibhausgase (insbesondere N2O) nach der Ausbringung von Zwischen- und Endprodukten auf Böden (im Vergleich zu unbehandelten Rohgärresten).
Zu diesem Zweck wurden zwei kommerzielle Biogasanlagen im laufenden Betrieb untersucht. In beiden Anlagen wurde nach einer ersten, mechanischen Schneckenpressenseparation des Rohgärrestes entweder die feste oder die flüssige Fraktion vollständig aufbereitet. Die abgetrennte Feststofffraktion wurde anschließend getrocknet und pelletiert, wohingegen die Flüssigfraktion mittels Vakuumverdampfung mit partieller NH3-Wäsche behandelt wurde. Als Endprodukte fielen dabei Gärrestpellets und N-angereicherte Ammoniumsulfat-Lösung an. Die Bilanzierung der Massenflüsse diente als Grundlage für die Ermittlung der (Gesamt-)Massenreduktion, der Verteilung von Frischmasse und Stickstoff während der Gärrestaufbereitung, sowie der Rückgewinnung des ursprünglichen Stickstoffs in den Produkten. Darüber hinaus wurden die Umweltauswirkungen einer Düngung mit Gärresten mit Hilfe von N2O-Messungen unter Feld- und Laborbedingungen untersucht. Im Anschluss daran wurde eine weitergehende Analyse der Gärrestpellets durchgeführt, um die Hauptfaktoren zu bestimmen, welche die verstärkte Produktion und Freisetzung von N2O beeinflussen.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass die Massenreduktion (durch Wasserentzug) bei der Aufbereitung des separierten Feststoffes 6 % der Gesamtmasse des Rohgärrests betrug, wohingegen die flüssige Fraktion 31 % erzielte. Dabei benötigte die Flüssigaufbereitung etwa 40 % weniger thermische Energie (pro Tonne verdampftes Wasser) als die Feststoffaufbereitung. Am Ende des Verfahrens war die Rückgewinnung des ursprünglichen Stickstoffs in Pellets um 33 % geringer als in Ammoniumsulfat-Lösung. Was die Umweltauswirkungen der Gärrestausbringung betrifft, so konnten durch die mechanische fest-flüssig-Trennung N2O-Emissionen verringert werden. Entgegen den Erwartungen erhöhte die Pelletierung der festen Fraktion diese Emissionen. Es wurde nachgewiesen, dass die autochthone mikrobielle Zusammensetzung der Pellets die N2O-Produktion und Freisetzung aus der Denitrifikation unmittelbar nach der Befeuchtung auslöst.
Insgesamt konnte in der vorliegenden Dissertation gezeigt werden, dass die Weiterverarbeitung von separierten festen oder flüssigen Gärresten vielfältige Produkte mit spezifischen Vor- und Nachteilen erzeugt. Feste Gärreste zeichnen sich durch einen hohen Anteil an stabilen organischen Verbindungen aus und können daher z.B. als Bodenverbesserer dienen. Nach der Verarbeitung zu Pellets lassen sie sich leicht transportieren, lagern und vermarkten. Allerdings bleibt fraglich, ob eine Pelletierung generell sinnvoll ist, da bei der Anwendung der Pellets erhebliche Mengen an Treibhausgasen freigesetzt werden können. Durch die Aufbereitung der flüssigen Fraktion entsteht eine Ammoniumsulfat-Lösung, die als wertvoller anorganischer Dünger, mit einem hohen Gehalt an pflanzenverfügbarem Stickstoff, genutzt werden kann.
Neben den genannten Vorteilen hängt die endgültige Entscheidung für oder gegen die Aufbereitung von Gärresten stets von individuellen Faktoren ab, wie den örtlichen Gegebenheiten und den finanziellen Möglichkeiten. Ebenfalls müssen weitere Aspekte, wie Düngereigenschaften, technische Performance und Wirtschaftlichkeit einbezogen werden.
Überdies konnten im Hinblick auf die Durchführung künftiger Forschungsvorhaben weitere wichtige Aspekte identifiziert werden. So wird beispielsweise empfohlen Folgearbeiten mit einer Forschungs-Biogasanlage durchzuführen, um eine bessere Gärrestbeprobung und -analyse zu ermöglichen. Des Weiteren sollten Gärrestlagerung und -transport miteinbezogen werden, sowie eine wirtschaftliche Bewertung der gesamten Gärrest-Wertschöpfungskette (einschließlich der Bewertung des Gärrestdüngerwerts, z. B. in Form der N-Nutzungseffizienz)