2013 research outputs found
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Strain-resolved analysis of the human intestinal microbiota
Get PDFThe gut microbiota is ascribed a crucial role in human health, particularly in regulating immune and inflammatory responses, which is why it is being associated with a wide range of diseases, including obesity, diabetes, and cancer. Nonetheless, fundamental ecological questions of microbiome establishment, stability and resilience, as well as its transmission across hosts and generations remain incompletely understood, partly due to the lack of methods for high-resolution microbiome profiling. New insights in this field can therefore directly contribute to the development of bacterial and microbiota-based therapies.
This work introduces SameStr, a novel bioinformatic program for strain-resolved metagenomics that allows for the specific tracking of microbes across samples, enabling the detection and quantification of microbial transmission and persistence, as well as the observation of direct strain competition. Deployed across cohorts to process over 4200 metagenomes, SameStr enabled analysis of the microbiome with unprecedented phylogenetic resolution. The data included both publicly available metagenomes and sequence data generated in collaboration with our research partners, and was examined using multivariate statistics and machine learning frameworks.
First, the establishment and development of the neonatal microbiota was studied, revealing a birth mode-dependent vertical transmission of the maternal microbiota. The microbiota of neonates born by cesarean section was characterized by increased relative abundance of oxygen-tolerant and atypical organisms and showed signs of a delayed establishment of a strictly anaerobic gut environment in these children. Such birth mode-dependent differences diminished over time, yet were measurable within the first two years of life. Furthermore, strain analysis verified the transmission and colonization of parental microbes, which indicated a possible lifelong colonization by microbes from selected species.
The temporal persistence of microbes was also characterized in healthy adults, revealing similar taxonomy-dependent patterns of stability. For some species, persistence has been demonstrated both in children and in adults over a period of at least two years. These species are known for their capability to metabolize host-derived glycans found both in breastmilk and intestinal mucus, pointing to a potential strategy for effective cross-generational microbiota transmission, and warranting additional research to assess the implications of their disturbed transfer for long-term health. Since their specificity allows assignment to individual hosts, fingerprints of individual microbial strains offer the potential to be used in forensics and data quality control applications.
Finally, to gain new insights into the microbiota dynamics during Fecal Microbiota Transplantation (FMT), microbial strain transmission was analyzed in the context of a diverse set of patient, microbiome, and clinical conditions. In the analyzed studies, FMT was used for the experimental treatment of a variety of diseases, including colonization with drug-resistant and pathogenic microbes, metabolic and inflammatory bowel diseases, and as an adjunct to the immunotherapeutic treatment of cancer. Analyses uncovered what appear to be the universal drivers of post-FMT microbiota assembly, including clinical and ecological factors that are important for successful transplantation of donor strains. In particular, the relevance of the microbiota dysbiosis of the recipient was emphasized, which was inducible by pre-treating the patient with antibiotics or laxatives. Presumably, this can open up ecological niches in the patients intestines, which favors colonization with donor strains. Colonization rates did not play a role for the treatment success of recurrent C. difficile infections and inflammatory bowel disease, but indicated a trend associated with an improved immune response in cancer patients. Concerningly, the transfer of an atypical and potentially pro-inflammatory microbial community from one donor was also observed, calling for further investigations into the immediate and long-term clinical consequences of FMT.
These analyses demonstrate the advantages of a strain-based microbiome analysis. Due to the achieved methodological accuracy, strain-resolved microbial dynamics could be precisely disentangled when comparing longitudinal samples from healthy adults as well as parent-child and patient-donor pairs. This revealed taxonomic, clinical, and ecological factors that are critical to microbiome assembly, including microbial transmission, persistence, and competition. Together, these findings lay the groundwork for future developments of precision personalized microbiota modulation therapies.Der Darmmikrobiota wird eine entscheidende Rolle für die menschliche Gesundheit zugeschrieben, was insbesondere die Regulation von Immun- und Entzündungsreaktionen betrifft, weshalb sie mit einer Vielzahl von Krankheiten wie etwa Fettleibigkeit, Diabetes oder Krebs in Verbindung gebracht wird. Nichtsdestotrotz sind grundlegende ökologische Fragen der Etablierung, Stabilität und Resilienz von Mikrobiomen sowie ihrer Übertragung über Wirte und Generationen hinweg noch immer unvollständig untersucht, was teilweise auf das Fehlen von Methoden zur hochauflösenden Mikrobiom-Profilierung zurückzuführen ist. Neue Erkenntnisse auf diesem Gebiet können daher unmittelbar zur Entwicklung von Bakterien- und Mikrobiota-basierten Therapien beitragen.
Diese Arbeit stellt SameStr vor, ein neues bioinformatisches Programm für stammaufgelöste Metagenomik, das die spezifische probenübergreifende Untersuchung von Mikroorganismen ermöglicht. Hiermit können der Nachweis und die Quantifizierung der Übertragung und Persistenz, sowie die Beobachtung der direkten Konkurrenz mikrobieller Stämme erfolgen. SameStr wurde kohortenübergreifend für die Analyse von über 4200 Metagenomen eingesetzt und ermöglichte die Profilierung des Mikrobioms mit einer beispiellosen phylogenetischen Auflösung. Die Metagenome, welche sowohl öffentlich verfügbare als auch in Zusammenarbeit mit unseren Forschungspartnern generierte Daten beinhalteten, konnten mittels multivariater Statistik und maschinellen Lernens beleuchtet werden.
Zunächst wurde die Etablierung und Entwicklung der neonatalen Mikrobiota analysiert, was eine vom Geburtsmodus abhängige vertikale Übertragung der mütterlichen Mikrobiota aufzeigte. Die Mikrobiota von Neugeborenen die durch einen Kaiserschnitt zur Welt gekommen waren, war vermehrt von Sauerstoff-toleranten und Darm-untypischen Organismen besiedelt und deutete darauf hin, dass sich ein strikt anaerobes Darmmilieu bei diesen Kindern mit einer gewissen Verzögerung einstellte. Derartige geburtsabhängige Veränderungen schwächten sich mit der Zeit ab, waren jedoch bis zum zweiten Lebensjahr messbar. Weiterhin konnte die Übertragung und Kolonisierung elterlicher Organismen mittels Stamm-Analyse nachgewiesen werden, was außerdem auf eine mögliche lebenslange Besiedlung durch Mikroben ausgewählter Spezies hindeutete.
Die zeitliche Persistenz von Mikroorganismen wurde darüber hinaus auch bei gesunden Erwachsenen charakterisiert, was ebenfalls Taxonomie-abhängige Stabilitätsmuster zum Vorschein brachte.
Bei einigen Spezies, die bekannt dafür sind vom menschlichen Wirt stammende Glykane zu metabolisieren, wurde die Persistenz sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen über einen Zeitraum von mindestens zwei Jahren nachgewiesen. Diese Glykane kommen sowohl in der Muttermilch als auch im Darmschleim vor, was auf eine potenzielle Strategie für eine effektive generationsübergreifende Übertragung der Mikrobiota hinweist. Um die langfristigen Auswirkungen einer gestörten Mikrobiota-Übertragung auf die Gesundheit bewerten zu können, wird jedoch weitere Forschung benötigt. Da ihre Spezifität die Zuordnung zu individuellen Wirten ermöglicht, bieten mikrobielle Stämme zudem das Potenzial in der Forensik und bei Datenqualitätstests Anwendung zu finden.
Um schließlich neue Erkenntnisse zur Mikrobiota-Dynamik während der fäkalen Mikrobiota-Transplantation (FMT) zu gewinnen, wurde die Stammübertragung im Kontext einer Vielzahl von Patienten-, Mikrobiom- und klinischen Parametern analysiert. FMT wurde in den vorliegenden Studien zur experimentellen Behandlung verschiedenster Erkrankungen eingesetzt, darunter Kolonisierung mit resistenten und pathogenen Keimen, metabolische Erkrankungen, entzündliche Erkrankungen des Darms, sowie begleitend zur immuntherapeutischen Behandlung von Krebs. Die Analysen zeigten scheinbar universelle klinische und ökologische Faktoren auf, welche für eine erfolgreiche Integration von Spenderstämmen von Bedeutung sind. Insbesondere wurde die Relevanz der Mikrobiota-Dysbiose des Empfängers hervorgehoben, welche zudem durch Vorbehandlung der Patienten mittels Gabe von Antibiotika oder Laxativa induziert werden kann. Vermutlich können hierdurch ökologische Nischen im Darm der Patienten eröffnet werden, was eine Kolonisierung mit Spenderstämmen begünstigt. Kolonisierungsraten spielten für den Behandlungserfolg wiederkehrender Clostridien-Infektionen und entzündlicher Darmerkrankungen keine Rolle, deuteten jedoch auf einen Trend hin, der mit einer verbesserten Immunantwort bei Krebspatienten einhergeht. Beunruhigenderweise wurde auch die Übertragung einer atypischen und potenziell entzündungsfördernden Mikrobiota eines Donoren beobachtet, was weitere Untersuchungen zu unmittelbaren und langfristigen klinischen Folgen der FMT erforderlich macht.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Vorteile einer Stamm-basierten Mikrobiom-Analyse auf. Durch die erreichte methodische Genauigkeit konnten bei Vergleichen von Zeitverlaufsproben gesunder Erwachsener sowie Eltern-Kind- und Patienten-Spender-Paaren, die Dynamiken mikrobieller Stämme präzise entschlüsselt werden. Dabei kamen taxonomische, klinische und ökologische Faktoren zum Vorschein, welche für die Zusammensetzung der Mikrobiota, einschließlich der mikrobiellen Übertragung, Persistenz und Kompetition, maßgebend sind. Diese neuen Erkenntnisse bilden die Grundlage für künftige Entwicklungen von Therapien zur präzisen, personalisierten Modulation der Mikrobiota
Highlighting outstanding beetroot varieties for the food industry - Evaluation of agronomic and compositional attributes of organically grown beetroot (Beta vulgaris L. subsp. vulgaris) varieties
Get PDFThe constant increase in awareness of the relationship between health and diet changed consumers perception of food and, accordingly, their food products choices. In this regard, the demand for foods, which promote mental and physical health and prevent specific diseases, has increased.
Due to its high amount of bioactive compounds, which permits the reformulation of conventional products and transformation of them into functional foods, beetroot (Beta vulgaris L. subsp. vulgaris) was classified as a superfood. On account of the rising demand for organic food products, there is a necessity for varieties, which are adapted to the special requirements of organic farming. Alongside growing beetroot genotypes with desirable agronomic performances and promising contents of bioactive compounds, preserving the quality of harvested beetroots for an extended time can prolong the availability and use of this crop. Hence, affordable and easy-accessible possibilities for prolonging the shelf life of beetroot are required.
This thesis aimed to disclose the genetic potential of a broad assortment of new and existing open-pollinated beetroot genotypes, which perform desirably in terms of agronomic and morphological traits (Publication I), compositional characteristics (Publication II), and quality stability (Publication III) under organic farming conditions. In this respect, in total, six genotype-screening field experiments were conducted in 2017 and 2018 at three different locations. Results of the first publication depicted a significant impact of genotype on the total and marketable yields, as well as most of the assessed morphological traits, including skin smoothness, corky surface, and beet shape uniformity. With the analysis of the contents of the total dry matter, total soluble sugar, nitrate, betalains, and total phenolic compounds in the second publication, significant differences were found between 15 studied beetroot genotypes. In addition, the outcome of the third publication demonstrated a significant effect of genotype on all measured compounds of 36 examined beetroot genotypes. Furthermore, the extent of change in the compositional quality during four months of cold storage was assessed for all studied genotypes. On account of the existing genetic variability in beetroot, it was concluded that the intended final utilization should be taken into account for the selection of suitable genotypes.
In addition to the conducted assessments in Publication I III, in the overall project framework from which this thesis was derived, the sensory characteristics of selected open-pollinated genotypes were compared with the commercially used varieties. Three sensory tests were carried out at the University of Hohenheim to determine consumers perception of the desired beetroot taste characteristics, including sweetness, aroma intensity, bitterness, earthy flavour, and the degree of acceptability. Generally seen, the studied open-pollinated genotypes indicated more sweetness and less bitterness compared to the F1 hybrid varieties.
Furthermore, this thesis assessed the impact of nitrogen fertilisation level on selected compounds (nitrate and total soluble sugar contents) of specific genotypes (Borus, Ronjana, and Regulski Okragly) at the University of Hohenheim in 2018 and 2019. The outcomes indicated no significant influence of the N fertilisation rate on the total soluble sugar content. However, the impacts of fertilisation level and interactions between year and replication on the nitrate content were significant. Consequently, with adjusted N fertilisation, the amount of nitrate in beetroot can be directed in the desired direction based on the intended product (for example, sport drinks with high nitrate levels, and baby food with low nitrate levels). Nevertheless, in the pool of the investigated genotypes in Publication III, some genotypes possessed a comparable nitrate content with the highest values reached by using additional N-fertilisation in this experiment.
To conclude, with the investigation of a broad assortment of beetroot genotypes, the findings of the present thesis revealed a high genetic variability regarding yield, morphological and compositional characteristics of beetroot, which provide new possibilities for farmers, the food industry, and consumers. To ensure the competency of the studied genotypes, further studies concerning the determination of other taste-relevant compounds like geosmin and disputable compounds such as oxalic acid are highly recommended. Moreover, to extend the use of the functional properties of fresh beetroot throughout the year, besides the selection of a suitable genotype, the external factors, such as storage conditions, should be optimized as well.Das wachsende Bewusstsein für den Zusammenhang zwischen Gesundheit und Ernährung hat die Wahrnehmung der Verbraucher in Bezug auf Lebensmittel und dementsprechend auch ihre Wahl der Lebensmittelprodukte verändert. In diesem Zusammenhang ist die Nachfrage nach Lebensmitteln, welche die geistige und körperliche Gesundheit fördern und bestimmten Krankheiten vorbeugen, gestiegen.
Kürzlich wurde die Rote Bete (Beta vulgaris L. subsp. vulgaris) aufgrund ihres hohen Gehalts an bioaktiven Inhaltsstoffen, die eine Neuformulierung herkömmlicher Produkte und deren Umwandlung in funktionelle Lebensmittel ermöglichen, als Superfood eingestuft. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach ökologischen Lebensmitteln besteht ein Bedarf an Sorten, die an die besonderen Anforderungen des ökologischen Landbaus angepasst sind. Neben der Züchtung von Rote-Bete-Genotypen mit wünschenswerten agronomischen Leistungen und vielversprechenden Gehalten an bioaktiven Inhaltsstoffen kann die Erhaltung der Qualität der geernteten Rüben durch entsprechende Lagerung über einen längeren Zeitraum die Verfügbarkeit und Verwendung verlängern.
Ziel dieser Dissertation war, das genetische Potenzial eines breiten Sortiments neuer und bestehender samenfester Rote-Bete-Genotypen hinsichtlich ihrer agronomischen und morphologischen Eigenschaften (Publikation I), ihrer Inhaltsstoffe (Publikation II) und Qualitätsmerkmale sowie Lagerfähigkeit (Publikation III) unter den Bedingungen des ökologischen Landbaus zu evaluieren. In diesem Zusammenhang wurden 2017 und 2018 insgesamt sechs Feldversuche zum Genotyp-Screening an drei verschiedenen Standorten durchgeführt. Die Ergebnisse der ersten Publikation zeigten einen signifikanten Einfluss des Genotyps auf den Gesamt- und den marktfähigen Ertrag sowie auf die meisten der bewerteten morphologischen Merkmale, einschließlich der Glattheit der Schale, der korkigen Oberfläche und der Einheitlichkeit der Rübenform. Bei der Analyse der Gesamttrockenmasse, der Gehalte an löslichem Gesamtzucker, Nitrat, Betalain und Gesamtphenolen in der zweiten Publikation wurden signifikante Unterschiede zwischen 15 untersuchten Rote-Bete-Genotypen festgestellt. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse der dritten Publikation einen signifikanten Einfluss des Genotyps auf alle gemessenen Inhaltsstoffe der 36 untersuchten Rote-Bete-Genotypen. Darüber hinaus wurde für alle untersuchten Genotypen das Ausmaß der Veränderung der Qualität der Inhaltsstoffe während einer viermonatigen Kühllagerung untersucht. Aufgrund der vorhandenen genetischen Variabilität bei Roter Bete wurde der Schluss gezogen, dass bei der Auswahl geeigneter Genotypen die beabsichtigte Endverwendung berücksichtigt werden sollte.
Zusätzlich zu den in den Publikationen I - III durchgeführten Untersuchungen wurden im Rahmen des Gesamtprojektes, aus dem diese Dissertation hervorgegangen ist, die sensorischen Eigenschaften ausgewählter samenfester Genotypen mit den kommerziell genutzten Sorten verglichen. An der Universität Hohenheim wurden drei sensorische Tests durchgeführt, um die von den Verbrauchern wahrgenommenen, gewünschten Geschmackseigenschaften der Roten Bete zu ermitteln. Im Allgemeinen wiesen die untersuchten samenfesten Genotypen im Vergleich zu den F1-Hybridsorten mehr Süße und weniger Bitterkeit auf.
Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Dissertation der Einfluss der Stickstoffdüngung auf ausgewählte Inhaltsstoffe (Nitrat- und Gesamtzuckergehalt) bestimmter Genotypen (Borus, Ronjana und Regulski Okragly) in den Jahren 2018 und 2019 an der Universität Hohenheim untersucht. Die Ergebnisse zeigten keinen signifikanten Einfluss der N-Düngermenge auf den Gehalt an löslichem Gesamtzucker. Allerdings waren die Auswirkungen der Düngemenge und der Interaktionen zwischen Jahr und Wiederholung auf den Nitratgehalt signifikant. Folglich kann mit einer angepassten N-Düngung die Nitratmenge in der Roten Bete je nach Produkt in die gewünschte Richtung gelenkt werden (z.B. Sportgetränk mit hohem Nitratgehalt, Babynahrung mit niedrigem Nitratgehalt). Dennoch wiesen im Pool der untersuchten Genotypen in Publikation III einige Genotypen einen vergleichbaren Nitratgehalt auf, wobei die höchsten Werte durch eine zusätzliche N-Düngung in diesem Versuch erreicht wurden.
Zusammenfassend zeigte sich bei der Untersuchung eines breiten Sortiments von Rote-Bete-Genotypen eine hohe genetische Variabilität in Bezug auf Ertrag, morphologische Eigenschaften und Inhaltsstoffe der Roten Bete, die neue Möglichkeiten für Landwirte, Lebensmittelindustrie und Verbraucher bietet. Um die Kompetenz der untersuchten Genotypen zu sichern, sind weitere Untersuchungen zur Bestimmung anderer geschmacksrelevanter Inhaltsstoffe wie Geosmin und bedenklicher Inhaltsstoffe wie Oxalsäure dringend zu empfehlen. Um die funktionellen Eigenschaften frischer Roter Bete ganzjährig nutzen zu können, sollten neben der Auswahl des geeigneten Genotyps auch die Nachernteverfahren wie die Lagerbedingungen optimiert werden
The influence of phosphate-availability and phytic acid on the profiles of fatty acids, (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols in maize (Zea mays L.) grains from field experiments to human in vitro digestion studies
Get PDFPhosphorus (P) is an essential element for living organisms and involved in phosphorylation reactions, including the biosynthesis of several organic micronutrients. Since P is taken up by plants from soil as phosphates, phosphate fertilizers are applied on fields to support the P-supply for crops. Today, shrinking global P-resources demand a reduction in the application of P-containing fertilizers, but knowledge about possible effects of a reduced phosphate-availability in soils on the quality of maize grains is lacking. Thus, it was hypothesized that a reduced phosphate-availability in soil influences the concentrations of dietary organic compounds (phenolics, fatty acids, carotenoids, and tocochromanols) in grains of maize during cultivation. Moreover, concentration differences in the P-storage form phytic acid in maize grains may impact the oxidative stability of these organic compounds during processing and digestion. Fertilizer experiments with maize hybrids were conducted at study sites with low to high phosphate concentrations in soil (1.6 to 20.6 mg CAL-P/100 g soil) in Germany. GC-MS or HPLC-(MS) analyses of the ground maize grains revealed the identity of fatty acids, insoluble (mostly diferulic and triferulic acids) and soluble (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols. The concentrations of these (poly)phenols, carotenoids, and tocochromanols as well as the fatty acid composition in the grains of the maize plants grown with or without phosphate fertilizer were not significantly (p < 0.05) different. Interaction effects between phosphate application and the locations on the fatty acid composition as well as on carotenoids and tocochromanols were considered as insignificant, concluding that a reduction in phosphate fertilization could be implemented on most fields in Germany when only considering these dietary compounds. Lastly, the influence of phytic acid on oxidation processes in maize during processing of porridge and in vitro digestion was examined. Porridges were prepared from maize flour containing either high phytic acid concentration or low phytic acid concentration supplemented with or without phytate. The porridges were digested using a human in vitro digestion model, resulting in a decrease in tocochromanols, carotenoids and unsaturated fatty acids. Oxidation products (alpha-tocopherylquinone, malondialdehyde) were formed in all samples, implying that phytic acid addition did not show the expected protective effect. The addition of phytate evoked a significant reduction in the micellarization efficiency of most carotenoids. Thus, the knowledge about phytic acid as antinutrient was extended.Phosphor (P) ist ein Element, das essenziell für lebende Organismen und an Phosphorylierungsreaktionen beteiligt ist. Letztere finden beispielsweise bei der Biosynthese einiger organischer Mikronährstoffe statt. Da P von Pflanzen als Phosphate aus dem Boden aufgenommen werden, setzen Landwirte Phosphatdünger ein, um eine ausreichende P-Versorgung der Nutzpflanzen zu gewährleisten. Sinkende globale Phosphorressourcen erfordern allerdings eine Reduktion der Anwendung von Phosphatdüngern, jedoch ist bisher nicht ausreichend bekannt, welche Auswirkung eine verringerte Phosphatverfügbarkeit auf die Qualität von Maiskörnern hat. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine reduzierte Phosphatverfügbarkeit im Boden einen Einfluss auf die Biosynthese und Konzentrationen von ernährungsrelevanten Inhaltsstoffen (Phenole, Fettsäuren, Carotinoide, und Tocochromanole) in Maiskörnern während des Wachstums hat. Des Weiteren könnten unterschiedliche Konzentrationen in der P-Speicherform Phytinsäure einen Einfluss auf die oxidative Stabilität dieser organischen Substanzen während der Herstellung und des Verdaus von maisbasierten Lebensmitteln haben.
Düngemittelexperimente mit Hybridmaissorten wurde an Standorten mit niedrigen bis hohen P-Gehalten im Boden (1.6 bis 20.6 mg CAL-P/100 g Boden) in Deutschland durchgeführt. Mittels GC-MS oder HPLC-(MS) wurden Fettsäuren, unlösliche (Diferula- und Triferulasäuren) und lösliche (Poly)phenole, Carotinoide und Tocochromanole in den vermahlenen Maiskörnern identifiziert. Maispflanzen angebaut mit Phosphatdünger zeigten keine statistisch (p < 0.05) signifikanten Unterschiede der (Poly)phenol-, Carotinoid-, und Tocochromanolkonzentrationen sowie der Fettsäure-zusammensetzung in den Maiskörnern im Vergleich zu Kontrollproben. Interaktionseffekte zwischen der Phosphatdüngung und den Standorten auf die Profile von Fettsäuren, Carotinoiden und Tocochromanolen waren nicht signifikant. Daraus resultiert, dass eine Reduktion von Phosphatdüngern an den meisten Standorten in Deutschland möglich wäre, ohne die Gehalte dieser organischen Mikronährstoffe in Mais negativ zu beeinflussen.
Zuletzt wurde der mögliche Einfluss von Phytinsäure auf Oxidationsprozesse in Mais während der Verarbeitung und des in vitro Verdaus von Maisbrei untersucht. Maisbreie wurde aus Maismehl mit hohen Phytinsäuregehalten oder niedrigen Phytin-säuregehalten mit oder ohne zugesetztem Phytat hergestellt. Die Maisbreie wurden mittels eines humanen in vitro Verdauungsmodells verdaut. Kochen und der darauffolgende Verdau verringerten Tocochromanole, Carotinoide und ungesättigte Fettsäuren. Oxidationsprodukte (alpha-Tocopherylchinon, Malondialdehyd) wurden in den Proben gebildet, welche den fehlenden Schutzmechanismus durch die zugesetzte Phytinsäure untermauern. Durch die Zugabe von Phytat wurde eine signifikant niedrigere Mizellierungseffizienz der meisten Carotinoiden beobachtet. Dadurch wurden weitere Erkenntnisse über Phytinsäure als Antinährstoff gewonnen
Seeing through two lenses: applying actor-centred and structural perspectives to understand farmer innovation and technological change
Get PDFScience and technology can make a major contribution to ending hunger, achieving food security and improving nutrition. Developing and spreading of innovations in agriculture and nutrition therefore is a main objective of international agricultural research. Despite decades of research, understanding the complex processes around technological change by small-scale farmers remains a challenge for researchers. Whereas behavioural approaches often neglect the influence of the wider innovation systems, approaches that focus on larger systemic challenges tend to downplay human agency. Research approaches that analytically differentiate structural and actor-centred perspectives and their interplay hold potential for more nuanced understanding of farmer innovation and technological change.
This thesis reviewed and explored the application of approaches that aim to understand farmer innovation and technological change through the interplay of two analytical lenses: actor-centred and structural. The three empirical research studies addressed different aspects of agriculture and nutrition, and included multiple study locations. Although each of the studies had its own objectives, they all relate to analytical dualism. In this regard, the study approaches separately focused on actor-centred and structural perspectives, and analysed how these influenced each other. Data collection and analysis in the empirical chapters followed these principles by developing and applying adapted conceptualisations of seed systems and agricultural innovation systems.
The systematic literature review in Chapter 2 provided an overview on methods for studying farmers choices and demand for seed of roots, tuber and banana crops. The review identified 46 studies in which researchers studied various aspects and types of farmers demand for seed of five crops in 18 countries. The qualitative analysis and categorization of the identified studies have led into a classification scheme. In one type of studies farmers expressed their preferences and choices through surveys or engagements in trials, auctions, choice experiments and interviews (explicit demand articulation). In another types of studies, researchers characterized farmers use of varieties through determinants of adoption, current seed management practices or the functioning of their seed and farming systems (implicit demand articulation).
The study of the cassava seed system in Chapter 3 developed and applied a research approach that recognizes the interplay between farmers demand for seed and the seed supply functions of the cassava seed system in Nigeria. The farmers maintained and gradually replaced a portfolio of varieties from multiple sources that reflected individual trait preferences. The national agriculture development program alone did not have the capacity to supply farmers with sufficient seed of desired varieties. Exchange between farmers and informal seed sellers contributed to the distribution of seed and new varieties. Informal seed sellers and decentralized seed multipliers have the potential to respond to farmers heterogeneous demands. However, they would need continuous support from formal seed system actors to reach underserved markets.
The study of innovation and scaling in Kenya and Uganda in Chapter 4 analysed innovation processes in agriculture and nutrition through farmer-centred and structural perspectives. In an international research and development project, researchers introduced farmers to new agriculture and nutrition practices in action learning activities. The farmers selected, adapted and combined the promoted practices according to their individual preferences and needs. In addition to the researchers from the project, a wide range of innovation support providers encouraged farmers to develop innovations in farming, marketing, and nutrition. Promoting farmer innovation processes beyond the project sites and duration would require the engagement of multiple innovation support providers in creating an enabling environment for experimentation and demand articulation.
Analysing the empirical chapters with the overarching theoretical framework of the thesis highlights how structural conditions of seed systems and agricultural innovation systems influenced farmer innovation or technological change processes. The cases also illustrate how farmers reacted upon these conditions through social interactions. As a major finding, the analysis points out that the process of structural elaboration how the agency of farmers influenced structural conditions - remains limited across the empirical chapters. This indicates a need to empower actors in articulating their demands for research and extension services and shaping their institutional environments.Wissenschaft und Technologie können einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Ernährungssicherheit und zur Verbesserung der Ernährung leisten. Die Entwicklung und Verbreitung von Innovationen in Landwirtschaft und Ernährung ist daher ein Hauptziel der internationalen Agrarforschung. Jedoch bleibt das Verständnis der komplexen Prozesse rund um den technologischen Wandel durch Kleinbauern eine Herausforderung für die Wissenschaft. Während verhaltensorientierte Ansätze häufig den Einfluss der umfassenderen Innovationssysteme vernachlässigen, neigen Ansätze zur Lösung von systemischen Herausforderungen, das menschliche Handeln herunterzuspielen. Forschungsansätze, die strukturelle und akteurszentrierte Perspektiven und deren Zusammenspiel analytisch differenzieren, haben Potenzial für ein differenzierteres Verständnis von bäuerlicher Innovation und technologischem Wandel.
In dieser Arbeit wurde die Anwendung von Ansätzen erforscht, die bäuerliche Innovation und technologischen Wandel durch das Zusammenspiel von zwei analytischen Linsen untersucht: einer handlungsbezogenen und einer strukturbezogenen. Die drei empirischen Forschungsarbeiten behandelten unterschiedliche Aspekte von Landwirtschaft und Ernährung, und beziehen sie sich alle auf den analytischen Dualismus. Hierbei konzentrierten sich die Studien getrennt auf handlungsbezogene und strukturbezogene Perspektiven und analysierten, wie diese sich gegenseitig beeinflussen.
Die systematische Literaturrecherche in Kapitel 2 gab einen Überblick über Methoden zur Untersuchung von Bedarfen von Landwirten zu Saatgut von Wurzel-, Knollen- und Bananenkulturen. Dabei wurden 46 Studien ermittelt, in denen Forscher verschiedene Aspekte und Typen von Bedarfen der Landwirte nach Saatgut untersuchten. Die qualitative Analyse und Kategorisierung der identifizierten Studien führte zu einem Klassifizierungsschema. In einer Art von Studien drückten die Landwirte ihre Präferenzen und Entscheidungen durch Umfragen oder die Teilnahme an Versuchen, Auktionen, Choice-Experimenten und Interviews aus (explizite Bedarfsartikulation). In einer anderen Art von Studien charakterisierten die Forscher die Nutzung von Sorten anhand von Adoptionsfaktoren, Saatgutmanagementpraktiken oder der Funktionsweise ihrer Saatgut- und Farmsysteme (implizite Bedarfsartikulation).
In der Studie über das Manioksaatgutsystem in Kapitel 3 wurde ein Forschungsansatz entwickelt und angewandt, der das Zusammenspiel zwischen dem Bedarf der Landwirte nach Saatgut und den Funktionen des Saatgutangebots des Manioksaatgutsystems in Nigeria aufzeigt. Die Landwirte unterhielten und ersetzten nach und nach ein Portfolio von Sorten aus verschiedenen Quellen, die individuelle Merkmalspräferenzen widerspiegelten. Das nationale Landwirtschaftsentwicklungsprogramm allein war nicht in der Lage, die Bauern mit ausreichend Saatgut der gewünschten Sorten zu versorgen. Der Austausch zwischen Bauern und informellen Saatguthändlern trug zur Verbreitung von Saatgut und neuen Sorten bei. Informelle Saatguthändler und dezentrale Saatgutvermehrer haben das Potenzial, auf die heterogenen Bedarfe der Bauern zu reagieren, bräuchten jedoch kontinuierliche Unterstützung durch die Akteure des formellen Saatgutsystems.
In der Studie über Innovation und Skalierung in Kenia und Uganda in Kapitel 4 wurden Innovationsprozesse in der Landwirtschaft und Ernährung aus bäuerlicher und struktureller Perspektive analysiert. Im Rahmen eines internationalen Forschungs- und Entwicklungsprojekts stellten Forscher den Bauern neue Landwirtschafts- und Ernährungspraktiken vor. Die Landwirte wählten, adaptierten und kombinierten die vorgestellten Praktiken nach ihren individuellen Präferenzen und Bedürfnissen. Darüber hinaus ermutigte ein breites Spektrum an Innovationsunterstützern die Landwirte, Innovationen in den Bereichen Landwirtschaft, Vermarktung und Ernährung zu entwickeln. Die Förderung bäuerlicher Innovationsprozesse über die Projektstandorte und -dauer hinaus würde das Engagement mehrerer Innovationsunterstützer zur Schaffung eines förderlichen Umfelds für bäuerliche Forschung und Bedarfsartikulation erfordern.
Die Analyse der empirischen Kapitel mit dem übergreifenden theoretischen Rahmen dieser Arbeit zeigt, wie die strukturellen Bedingungen der Saatgutsysteme und der landwirtschaftlichen Innovationssysteme bäuerlichen Innovations- oder technologische Veränderungsprozesse beeinflussten. Die Fälle veranschaulichen auch, wie die Landwirte auf diese Bedingungen durch soziale Interaktionen reagierten. Ein wichtiges Ergebnis der Analyse ist, dass der Prozess der strukturellen Umgestaltung - also die Art und Weise, wie die Landwirte die strukturellen Bedingungen beeinflussten - in allen empirischen Kapiteln eingeschränkt bleibt. Dies verdeutlicht, dass die Akteure in die Lage versetzt werden müssen, ihre Bedarfe an Forschungs- und Beratungsdienstleistungen zu artikulieren und ihr institutionelles Umfeld mitzugestalten
Self-learning modules for spectra evaluation
Get PDFMonitoring milk processing is an essential task as it affects the quality and safety of the final product. The aim of this investigation was to develop and analyse the self-learning system for the supervision of the processing of milk. In the self-learning evaluation module, several algorithms for data analysis of near infrared (NIR) and Raman spectra was implemented for the prediction of sample quality and safety.
In the first part of this thesis, the use of NIR spectroscopy for controlling milk processing was investigated. For this reason, a high-quality quartz flow cell with a 1 mm pathlength including temperature controlling option for liquids was implemented. For sample preparation, UHT-milk with 1.5 % fat content was measured at 5 °C and considered as the reference milk. Samples with various changes such as added water and cleaning solution, different fat content and
temperature as well as milks from various suppliers were investigated as the modified samples.
A data set from reference and modified samples was obtained with NIR measurements. In this study, first Savitzky-Golay derivative with second polynomial order and window size of 15 was applied. It was compared with the usefulness of raw spectrum and also the combination of raw and first derivative spectrum. For the self-learning sector, an autoencoder neural network was employed. Within this thesis, it was shown that the trained autoencoder using first derivative spectra was capable to detect 5 % added water and 9 % cleaning solution in the milk. However, by using the combination spectra, the difference of 0.1 % in fat concentration was perfectly recognized. These two procedures were able to detect milks from different suppliers and difference of 10 °C in the measurement temperature.
Another part of this work was done using Raman spectroscopy. The aim of this part was to check if the previous result can be improved. In this step, the circulation method was again employed the same as in the previous part. However, because of the heat introduced to the sample by the laser using in Raman spectroscopy and the length of plastic tubes which can be affected by the temperature of the laboratory, the measurement temperature was kept at 10 °C. 1.5 % fat UHT milk was utilized as the reference sample. Milks with various changes such as different fat contents, various measurement temperatures and added water or cleaning solution were investigated as the modified samples. In this investigation, not only the autoencoder but also some chemometric models were utilized with the purpose of anomaly detection. Principal component analysis (PCA) was investigated to check if the various samples can becategorized separately. In addition, two chemometric modelling techniques such as principal component regression and Gaussian process regression were tested to check the ability for change detection.
By using the results obtained by PCA, a sufficient categorization of various samples was not achieved. While the PCR did not present a promising prediction as the related R2 was 0.7, Gaussian process regression with R2 of 0.97 predicted the changes almost perfectly. The trained autoencoder and Gaussian process regression both were able to define 5 % water and cleaning solution, difference of 0.1 % fat content, and variation of 5 °C in the measurement temperature.
In comparison between the autoencoder and Gaussian process regression, it should be mentioned that the Gaussian process regression was capable to determine more abnormal signals than the autoencoder, however, it must be trained with all the possible changes. In contrast, the autoencoder can be trained once just with reference signals and used in online monitoring properly.
As the final part and to detect which type of anomalies happened during the milk processing, several classification approaches such as linear discriminant analysis, decision tree, support vector machine, and k nearest neighbour were utilized. While decision trees and linear discriminant analysis failed to effectively characterize the various types of anomalies, the k nearest neighbor and support vector machine presented promising results. The support vector machine presented an accuracy of 81.4 % for test set, while the k nearest neighbor showed an accuracy of 84.8 %. As a result, it is reasonable to assume that both algorithms are capable of classifying various groups of data accurately. It can help the milk business figure out whats going wrong during the processing of milk.
In general, Raman spectroscopy produced better findings than NIR spectroscopy, because the typical absorption bands of milk components in NIR spectrometers may be impacted by high water absorption combined with substantial light scattering by fat globules. Additionally, the autoencoder as self-learning system was capable of correctly detecting changes during milk processing, however, classification algorithms can aid in obtaining more details.Die Überwachung der Milchverarbeitung ist eine wesentliche Aufgabe, da sie die Qualität und Sicherheit des Endprodukts beeinflusst. Das Ziel dieser Untersuchung war die Entwicklung und Analyse eines selbstlernenden Systems zur Überwachung der Milchverarbeitung. In dem selbstlernenden Auswertungsmodul wurden verschiedene Algorithmen zur Datenanalyse implementiert, um die Qualität und Sicherheit der Proben mit Hilfe spektroskopischer Methoden vorherzusagen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einsatz der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) zur Kontrolle der Milchverarbeitung untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine hochwertige Quarzdurchflusszelle mit einer Schichtdicke von 1 mm und einer Temperiermöglichkeit für Flüssigkeiten eingesetzt. Zur Probenvorbereitung wurde UHT-Milch mit 1,5 % Fettgehalt bei 5 °C gemessen und als Referenzmilch betrachtet. Als modifizierte Proben wurden Proben mit verschiedenen Veränderungen wie Wasser- und Reinigungsmittelzusatz, unterschiedlichem Fettgehalt und Temperatur sowie Milch von verschiedenen Lieferanten untersucht. Mit NIR Messungen wurde ein Datensatz von Referenz- und modifizierten Proben gewonnen. In dieser Studie wurde die erste Savitzky-Golay-Ableitung mit zweiter Polynomordnung und einer Fenstergröße von 15 verwendet. Sie wurde mit der Auswertegüte des Rohspektrums und auch der Kombination aus Roh- und erstem Ableitungsspektrum verglichen. Für den selbstlernenden Bereich wurde ein neuronales Netz als Autoencoder eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass der trainierte Autoencoder unter Verwendung der ersten Ableitung in der Lage war, 5 % zugesetztes Wasser und 9 % Reinigungslösung in der Milch zu erkennen. Durch die Verwendung der Kombinationsspektren wurde auch der Unterschied von 0,1 % in der Fettkonzentration perfekt erkannt. Diese beiden Verfahren waren in der Lage, Milch von verschiedenen Lieferanten und einem Unterschied von 10 °C bei der Messtemperatur zu erkennen.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit wurde mit der Raman-Spektroskopie durchgeführt. Ziel dieses Teils war es, zu prüfen, ob das vorherige Ergebnis verbessert werden kann. In diesem Schritt wurde wieder die gleiche Zirkulationsmethode wie im vorherigen Teil verwendet. Wegen der Wärme, die durch den Laser bei der Raman-Spektroskopie in die Probe eingebracht wird, und der Länge der Kunststoffrohre, die durch die Temperatur im Labor beeinflusst werden kann, wurde die Messtemperatur jedoch bei 10 °C gehalten. Als Referenzprobe wurde UHT-Milch mit 1,5 % Fett verwendet. Milch mit verschiedenen Veränderungen wie unterschiedlichen Fettgehalten, verschiedenen Messtemperaturen und Zusatz von Wasser oder Reinigungslösung wurde als modifizierte Probe untersucht. In dieser Untersuchung wurden nicht nur der Autoencoder, sondern auch einige chemometrische Modelle zur Erkennung von Anomalien eingesetzt. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde untersucht, um zu prüfen, ob die verschiedenen Proben separat kategorisiert werden können. Darüber hinaus wurden zwei chemometrische Modellierungstechniken wie die Hauptkomponentenregression und die Gaußsche Prozessregression getestet, um die Fähigkeit zur Erkennung von Veränderungen zu prüfen. Mit den Ergebnissen der PCA konnte keine ausreichende Kategorisierung der verschiedenen Proben erreicht werden. Während die Hauptkomponentenregression (PCR) keine vielversprechende Vorhersage lieferte, da das zugehörige R2 bei 0,7 lag, sagte die Gaußsche Prozessregression mit einem R2 von 0,97 die Veränderungen nahezu perfekt voraus. Sowohl der trainierte Autoencoder als auch die Gaußsche Prozessregression waren in der Lage, 5 % Wasser und Reinigungslösung, einen Unterschied von 0,1 % Fettgehalt und eine Variation der Messtemperatur von 5 °C zu detektieren. Im Vergleich von Autoencoder und der Gaußschen Prozessregression ist zu erwähnen, dass die Gaußsche Prozessregression in der Lage war, mehr anormale Signale zu bestimmen als der Autoencoder, allerdings muss sie mit allen möglichen Änderungentrainiert
werden. Im Gegensatz dazu muss der Autoencoder nur einmal mit Referenzsignalentrainiert und kann dann für die Online-Überwachung verwendet werden. Als letzter Teil und umzu erkennen, welche Art von Anomalien während der Milchverarbeitung auftraten, wurden verschiedene Klassifizierungsansätze wie lineare Diskriminanzanalyse, Entscheidungsbaum, Support Vector Machine und K Nearest Neighbour verwendet. Während die Entscheidungsbäume und die lineare Diskriminanzanalyse nicht in der Lage waren, die verschiedenen Arten von Anomalien effektiv zu charakterisieren, lieferten die K Nearest Neighbour und die Support Vector Machine Methode vielversprechende Ergebnisse. Die Support Vector Machine wies eine Genauigkeit von 81,4 % für den Testsatz auf, während die K Nearest Neighbour Methode eine Genauigkeit von 84,8 % ergab. Daher kann man davon ausgehen, dass beide Algorithmen in der Lage sind, verschiedene Datengruppen genau zu klassifizieren. Dies kann der Milchwirtschaft helfen, herauszufinden, was bei der Verarbeitung von Milch falsch läuft.
Im Allgemeinen lieferte die Raman-Spektroskopie bessere Ergebnisse als die NIR-Spektroskopie, da die typischen Absorptionsbanden der Milchbestandteile in NIR-Spektrometern durch eine hohe Wasserabsorption in Kombination mit einer erheblichen Lichtstreuung durch Fettkügelchen beeinträchtigt werden können. Darüber hinaus war der Autoencoder als selbstlernendes System in der Lage, Veränderungen während der Milchverarbeitung korrekt zu erkennen, jedoch können Klassifizierungsalgorithmen helfen, mehr Details zu erhalten
Impact of environmental and socio-economic factors on soil fertility variability and microbial carbon use efficiency in tropical smallholder farming systems
Get PDFThe main drivers of soil fertility variability across Sub-Saharan Africa (SAA) must be understood to develop tailor-made integrated soil fertility management (ISFM) strategies, considering agro-ecological zones, smallholder farmers resource endowment and their indigenous knowledge of soil fertility. Moreover, most soil fertility indicators including, but not limited to total soil organic carbon (SOC) content, lack in sensitivity and accuracy. The insensitivity and inaccuracy of these indicators impedes their application for soil fertility surveys in smallholder farming systems across larger spatial scales. Hence, the verification of novel soil fertility indicators, such as SOC functional groups and microbial carbon use efficiency (CUE) as influenced by environmental factors (e.g. soil pH, organic input quality), become paramount important to overcome this constraint. The implementation of such methodological innovation would help to better understand the extent of regional soil fertility variability and subsequently design niche-based ISFM strategies for smallholder farming systems in SSA.
Therefore, the first aim of this study was to explore the interrelated effects of biophysical and socio-economic factors on soil fertility variability, as reflected by soil nutrient contents as well as SOC content and quality parameters (i.e., SOC functional groups). The second aim was to evaluate soil microbial CUE as an additional proxy to assess soil fertility considering the influence of environmental and methodological variations on CUE calculation.
The specific objectives of this PhD study were to:
verify that soil fertility variability across two model regions in Central and Western Ethiopia with four distinct agro-ecological zones could be determined by the inter-related effects of agro-ecology and farmers resource endowment (wealthy versus poor farmers).
confirm this approach of local soil fertility assessment in Ethiopia by including market distance as an additional factor for soil fertility variability, as exemplified in the Democratic Republic of Congo (DRC).
test whether farmers indigenous knowledge on soil fertility status is driven by inter-related effects of agro-ecology, market distance and farm typology, considering the continuous knowledge transfer among farmers within and across agro-ecological zones.
evaluate the potential of SOC functional groups and soil microbial CUE as promising indicators of soil fertility status influenced by physico-chemical soil properties and organic input management.
to modify the exsiting single C-cycling enzymatic stoichiometry (SCE-STM) through proposing novel multi-C-cycling enzymatic stoichiometry (MCE-STM) methods for soil microbial CUE estimation.
To tackle objectives 1-3 of the presented PhD study, two local field-based soil fertility surveys were conducted in Ethiopia and DRC. A lab-based incubation study was implemented for objectives 4 and 5. For the soil fertility surveys, mid-infrared spectroscopy coupled to partial least squares regression (midDRIFTS-PLSR) and wet-lab analyses were used to assess the soil fertility (i.e., soil pH, total soil carbon (TC), total soil nitrogen (TN), plant-available phosphorous (Pav) and potassium (Kav), exchangeable calcium (Caex) and magnesium (Mgex)) across four agro-ecological zones in Ethiopia. MidDRIFTS peak area analysis of spectral frequencies (2930 (aliphatic C-H), 1620 (aromatic C=C), 1159 (C-O poly-alcoholic and ether groups) cm-1) were applied to characterize SOC quality and to calculate the SOC stability index (1620:2930, 1530:2930). While in DRC, both techniques were employed to assess soil fertility proxies across market distances (defined as walking time) in distinct regions. For the lab-based incubation study (60 days), two soils differing mainly in acidity level mixed with two specimens of plant residues differing mainly in lignin (L) and polyphenol (PP) content were used. For estimating soil microbial CUE during plant residue decomposition in the different soils, single C-cycling enzymatic stoichiometry (SCE-STM) and the newly proposed multi-C-cycling enzymatic stoichiometry (MCE-STM) methods were validated against the conventional C-balance method.
MidDRIFTS-PLSR and peak area analysis results of the Ethiopian case study showed that the inter-related effects of agroecology and farmers resource endowment determined the observed soil fertility variability across four agro-ecological zones. Resource endowment dependent soil fertility management options revealed higher TC in the high altitude agro-ecological zone, while higher TN and Kav was found in the lower agro-ecological zones in the fields of wealthy farmers. Similarly, SOC of higher quality was found in soils of wealthy than poor farms in higher altitude zones. Thus, agro-ecological zone distinctions contributed to these differences in soil fertility variability. It was dedeuced that this difference in soil fertility status between wealthy and poor farmers fields across agro-ecological zones has been due to the high variability in landholding size per capita, livestock population and amount of fertilizer used per unit area.
Complementary, the results of the DRC case study revealed that market distance and farm typology were key determinants of soil fertility variability, both with contrasting trends in the study sites. Decreasing soil fertility status was noted across all farm typologies with increasing market distance. A significant influence of farm typology was found for Caex and Mgex, while factor site resulted in a significant difference of Pav. For SOC quality indices (i.e., ratio 1530:2930), factor site was decisive, as reflected in its interaction with market distance. However, the effect of market distance became obvious in the medium wealthy and poor farmers fields, where an increasing SOC quality index of 1530:2930 with increasing market distance implied a lower SOC quality in remote farms.
Soil depth and soil color were the most frequently used soil fertility indicators by farmers across agro-ecologies, market distances, and farm typologies. Concerning farmers indigenous knowledge across the study regions in Ethiopia and DRC, fertile and less fertile fields were distinguished visually by soil color. Higher pH and Pav were found in fertile (brown/black) than less fertile (red) soils in most agro-ecological zones of the Ethiopian case study. Furthermore, higher peak areas of 1159 cm-1 and SOC stability indices were observed in less fertile compared to fertile soils in Ethiopia. In close agreement with farmers indigenous knowledge in the DRC study region, soil fertility levels were higher in deep than shallow soils, which was reflected in higher nutrient stocks in deep soils receiving organic amendments. Accordingly, site-specific soil management strategies with the integration of farmers indigenous knowledge will be a feasible option to overcome the low adoption of ISFM.
This PhD study suggested the use of more sensitive indicators, such as soil microbial CUE, to accurately assess soil fertility status for the design of niche-based soil fertility management decisions. Furthermore, the PhD study showed that higher CUE was recorded in more fertile and less acidic (pH 5.1) soils amended with residues of higher quality than the other three combinations. It was deduced that microorganisms invested more energy to support growth in more acidic (pH 4.3) soil to tolerate soil acidity, which, in turn, suppressed N-acquiring enzymatic activities and further decreased CUE. Lower CUE values were recorded from multi-C cycling enzymatic stoichiometry modeling (MCE-STM) as compared to the CUE values obtained from C-balance and single-C cycling enzymatic stoichiometry modeling (SCE-STM) methods. The modification of the MCE-STM method for CUE determination proposed in this dissertation work was capable to quantify the combined effect of soil pH and plant residue quality on the efficiency of microbial metabolism. As a result, it improved the original stoichiometric modeling approach (SCE-STM), which relied only on the concept of nutrient availability.
In conclusion, for regional soil fertility assessment, midDRIFTS-PLSR predictions along with midDRIFTS peaks representing SOC functional groups proved to be a sensitive as well as more efficient and robust approach as compared to the existing aproaches relying on classical soil properties (e.g., SOC content) assessed by wet lab analyses. Based on the generated data using midDRIFTS, the main drivers of soil fertility variability have been revealed, considering specifically the interrelated effects of agro-ecology, resource endowment, market distance and farmers indigenous knowledge. Furthermore, integration of soil microbial CUE (e.g. MCE-STM) in soil fertility assessments does not only provide a clearer picture of soil fertility statuts. It also serves for better understanding of ecologcical processes in soils in general. With his, this PhD study fostered the knowledge of soil fertility drivers across spatial scales and laid the scientific basis for the furthering of novel soil fertility indicators based on soil microbial CUE. This outcome will benefit the design of niche-based soil fertility management strategies, which are of paramount importance to secure the livelihoods of SSA smallholder farming systems.Die Hauptfaktoren für die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit in Subsahara-Afrika (SAA) müssen verstanden werden, um maßgeschneiderte Strategien für ein integriertes Bodenfruchtbarkeitsmanagement (ISFM) zu entwickeln, die die agro-ökologischen Zonen, die Ressourcenausstattung der Kleinbauern und ihr indigenes Wissen über die Bodenfruchtbarkeit berücksichtigen. Darüber hinaus mangelt es den meisten Bodenfruchtbarkeitsindikatoren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf den Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden, an Empfindlichkeit und Genauigkeit. Die Unempfindlichkeit und Ungenauigkeit dieser Indikatoren erschwert ihre Anwendung für die Erfassung der Bodenfruchtbarkeit in kleinbäuerlichen Systemen auf größeren räumlichen Skalen. Daher ist die Überprüfung neuartiger Bodenfruchtbarkeitsindikatoren, wie z.B. funktionelle SOC-Gruppen und mikrobielle Kohlenstoffnutzungseffizienz (CUE), die von Umweltfaktoren (z.B. pH-Wert des Bodens, Qualität des organischen Inputs) beeinflusst werden, von größter Bedeutung, um diese Einschränkung zu überwinden. Die Umsetzung einer solchen methodischen Innovation würde helfen, das Ausmaß der regionalen Bodenfruchtbarkeitsvariabilität besser zu verstehen und anschließend nischenbasierte ISFM-Strategien für kleinbäuerliche Anbausysteme in SSA zu entwickeln. Daher war das erste Ziel dieser Studie, die wechselseitigen Auswirkungen biophysikalischer und sozioökonomischer Faktoren auf die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit zu untersuchen, wie sie sich in den Nährstoffgehalten des Bodens sowie im SOC-Gehalt und den Qualitätsparametern (d.h. den SOC-Funktionsgruppen) widerspiegelt. Das zweite Ziel war die Bewertung des CUE als zusätzlicher Proxy zur Beurteilung der Bodenfruchtbarkeit unter Berücksichtigung des Einflusses von Umwelt- und methodischen Variationen auf die CUE-Berechnung.
Die spezifischen Ziele dieser PhD-Studie waren,:
- zu verifizieren, dass die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit in zwei Modellregionen in Zentral- und West-Äthiopien mit vier unterschiedlichen agro-ökologischen Zonen durch die miteinander verbundenen Effekte der Agrarökologie und der Ressourcenausstattung der Landwirte ("reiche" versus "arme" Landwirte) bestimmt werden kann.
- diesen Ansatz der lokalen Bewertung der Bodenfruchtbarkeit in Äthiopien zu bestätigen, indem die "Marktdistanz" als zusätzlicher Faktor für die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit einbezogen wird, wie es in der Demokratischen Republik Kongo (DRC) vorgemacht wurde.
- zu testen, ob das indigene Wissen der Landwirte über den Zustand der Bodenfruchtbarkeit durch interdependente Effekte der Agrarökologie, der Marktdistanz und der Betriebstypologie bestimmt wird, unter Berücksichtigung des kontinuierlichen Wissenstransfers zwischen den Landwirten innerhalb und zwischen den agro-ökologischen Zonen.
- das Potenzial der funktionellen SOC-Gruppen und des mikrobiellen CUE im Boden als vielversprechende Indikatoren für den Zustand der Bodenfruchtbarkeit zu bewerten, die von den physikalisch-chemischen Bodeneigenschaften und dem Management organischer Inputs beeinflusst werden.
- die bestehende Single-C-Cycling-Enzym-Stöchiometrie (SCE-STM) zu modifizieren, indem neuartige "Multi"-C-Cycling-Enzym-Stöchiometrie (MCE-STM) Methoden zur CUE-Abschätzung vorgeschlagen werden.
Um die Ziele 1-3 der vorgestellten PhD-Studie anzugehen, wurden zwei lokale feldbasierte Bodenfruchtbarkeitsuntersuchungen in Äthiopien und der DRC durchgeführt. Für die Ziele 4 und 5 wurde eine laborbasierte Inkubationsstudie durchgeführt. Für die Erhebungen der Bodenfruchtbarkeit wurden die Mid-Infrarot-Spektroskopie gekoppelt mit der Partial Least Squares Regression (midDRIFTS-PLSR) und Nasslaboranalysen verwendet, um die Bodenfruchtbarkeit (d.h. pH-Wert des Bodens, Gesamtkohlenstoff (TC), Gesamtstickstoff (TN), pflanzenverfügbarer Phosphor (Pav) und Kalium (Kav), austauschbares Kalzium (Caex) und Magnesium (Mgex)) in vier agro-ökologischen Zonen in Äthiopien zu bewerten. Die MidDRIFTS-Peakflächenanalyse der Spektralfrequenzen (2930 (aliphatische C-H), 1620 (aromatische C=C), 1159 (C-O polyalkoholische und Ether-Gruppen) cm-1) wurde zur Charakterisierung der SOC-Qualität und zur Berechnung des SOC-Stabilitätsindex angewendet. In der DRC wurden beide Techniken eingesetzt, um die Bodenfruchtbarkeit über Marktentfernungen (definiert als Gehzeit) in verschiedenen Regionen zu bewerten. Für die laborbasierte Inkubationsstudie (60 Tage) wurden zwei Böden, die sich hauptsächlich im Säuregrad unterscheiden, mit zwei Proben von Pflanzenresten gemischt, die sich im Lignin- (L) und Polyphenolgehalt (PP) unterscheiden. Zur Abschätzung der mikrobiellen CUE im Boden während des Abbaus von Pflanzenresten in den verschiedenen Böden wurden die Methoden der Single-C-Cycling-Enzym-Stöchiometrie (SCE-STM) und der neu vorgeschlagenen "Multi"-C-Cycling-Enzym-Stöchiometrie (MCE-STM) gegenüber der herkömmlichen C-Bilanz-Methode validiert.
Die Ergebnisse der MidDRIFTS-PLSR- und Peak-Flächen-Analyse der äthiopischen Fallstudie zeigten, dass die miteinander verbundenen Effekte der Agrarökologie und der Ressourcenausstattung der Landwirte die beobachtete Variabilität der Bodenfruchtbarkeit in vier agroökologischen Zonen bestimmten. Von der Ressourcenausstattung abhängige Optionen des Bodenfruchtbarkeitsmanagements zeigten eine höhere TZ in der hochgelegenen agroökologischen Zone, während in den niedrigeren agroökologischen Zonen auf den Feldern der wohlhabenden Landwirte eine höhere TN und Kav gefunden wurde. In ähnlicher Weise wurde eine höhere SOC-Qualität in den Böden von wohlhabenden als von armen Betrieben in den höher gelegenen Zonen gefunden. Somit trugen agro-ökologische Zonenunterschiede zu diesen Unterschieden in der Variabilität der Bodenfruchtbarkeit bei. Es wurde abgeleitet, dass dieser Unterschied im Bodenfruchtbarkeitsstatus zwischen den Feldern wohlhabender und armer Landwirte in den verschiedenen agro-ökologischen Zonen auf die hohe Variabilität in der Pro-Kopf-Größe des Landbesitzes, des Viehbestandes und der Menge des pro Flächeneinheit verwendeten Düngers zurückzuführen ist. So legen wohlhabende Landwirte im Tiefland ihr Land brach und bringen organische Reststoffe aus, während die Landwirte im Hochland den Einsatz von chemischen Düngemitteln und Hofdünger in größerem Umfang in Betracht ziehen.
Ergänzend zeigten die Ergebnisse der DRC-Fallstudie, dass die "Marktdistanz" und die "Betriebstypologie" wichtige Determinanten für die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit sind, beide mit gegensätzlichen Trends in den Untersuchungsgebieten. Ein abnehmender Bodenfruchtbarkeitsstatus wurde bei allen Betriebstypologien mit zunehmender Marktentfernung festgestellt. Ein signifikanter Einfluss der "Betriebstypologie" wurde für Caex und Mgex gefunden, während der Faktor "Standort" zu einem signifikanten Unterschied von Pav führte. Für die SOC-Qualitätsindizes (d.h. das Verhältnis 1530:2930) war der Faktor "Standort" entscheidend, was sich in seiner Interaktion mit der "Marktdistanz" widerspiegelte. Der Effekt der Marktdistanz wurde jedoch auf den Feldern der mittelreichen und armen Landwirte deutlich, wo ein steigender SOC-Qualitätsindex von 1530:2930 mit zunehmender Marktdistanz eine geringere SOC-Qualität in den abgelegenen Betrieben implizierte.
Bodentiefe und Bodenfarbe waren die von den Landwirten am häufigsten verwendeten Indikatoren für die Bodenfruchtbarkeit, unabhängig von der Agrarökologie, der Marktentfernung und der Betriebstypologie. Was das indigene Wissen der Landwirte in den Untersuchungsregionen in Äthiopien und der Demokratischen Republik Kongo betrifft, wurden fruchtbare und weniger fruchtbare Felder visuell durch die Bodenfarbe unterschieden. In den meisten agro-ökologischen Zonen der äthiopischen Fallstudie wurden höhere pH-Werte und Pav-Werte in fruchtbaren (braun/schwarz) als in weniger fruchtbaren (rot) Böden gefunden. Außerdem wurden höhere Peakflächen von 1159 cm-1 und SOC-Stabilitätsindizes in weniger fruchtbaren im Vergleich zu fruchtbaren Böden in Äthiopien beobachtet. In enger Übereinstimmung mit dem einheimischen Wissen der Landwirte in der DRC-Studienregion war die Bodenfruchtbarkeit in tiefen Böden höher als in flachen Böden, was sich in höheren Nährstoffvorräten in tiefen Böden widerspiegelte, die organische Ergänzungen erhielten. Dementsprechend sind standortspezifische Bodenbewirtschaftungsstrategien mit der Integration des indigenen Wissens der Landwirte eine machbare Option, um die geringe Akzeptanz von ISFM zu überwinden.
Diese PhD-Studie schlug vor, empfindlichere Indikatoren, wie z.B. den mikrobiellen CUE-Wert des Bodens, zu verwenden, um den Zustand der Bodenfruchtbarkeit genau zu beurteilen und Entscheidungen für ein nischenbasiertes Bodenfruchtbarkeitsmanagement zu treffen. Darüber hinaus zeigte die PhD-Studie, dass in fruchtbareren und weniger sauren (pH 5,1) Böden, die mit Rückständen höherer Qualität ergänzt wurden, ein höherer CUE-Wert gemessen wurde als in den anderen drei Kombinationen. Daraus wurde gefolgert, dass die Mikroorganismen mehr Energie zur Unterstützung des Wachstums in saureren (pH 4,3) Böden investierten, um die Bodensäure zu tolerieren, was wiederum die N-akquirierenden enzymatischen Aktivitäten unterdrückte und den CUE weiter reduzierte. Niedrigere CUE-Werte wurden von der Multi-C-Cycling-Enzym-Stöchiometrie-Modellierung (MCE-STM) im Vergleich zu den CUE-Werten aufgezeichnet, die von den C-Balance- und Single-C-Cycling-Enzym-Stöchiometrie-Modellierungsmethoden (SCE-STM) erhalten wurden. Die in dieser Dissertationsarbeit vorgeschlagene Modifikation der MCE-STM-Methode zur CUE-Bestimmung war in der Lage, den kombinierten Effekt von Boden-pH und Pflanzenrückstandsqualität auf die Effizienz des mikrobiellen Stoffwechsels zu quantifizieren. Dadurch verbesserte sie den ursprünglichen stöchiometrischen Modellierungsansatz (SCE-STM), der sich nur auf das Konzept der Nährstoffverfügbarkeit stützte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die midDRIFTS-PLSR-Vorhersagen zusammen mit den midDRIFTS-Peaks, die die funktionalen SOC-Gruppen repräsentieren, für die regionale Bewertung der Bodenfruchtbarkeit als sensibler sowie effizienter und robuster Ansatz erwiesen haben, verglichen mit den bestehenden Ansätzen, die sich auf klassische Bodeneigenschaften (z. B. den SOC-Gehalt) stützen, die durch Nasslaboranalysen ermittelt werden. Basierend auf den mit midDRIFTS generierten Daten wurden die Haupttreiber für die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit aufgedeckt, wobei insbesondere die zusammenhängenden Effekte von Agrarökologie, Ressourcenausstattung, Marktdistanz und indigenem Wissen der Landwirte berücksichtigt wurden. Darüber hinaus liefert die Integration der mikrobiellen CUE (z.B. MCE-STM) in die Bewertung der Bodenfruchtbarkeit nicht nur ein klareres Bild des Zustands der Bodenfruchtbarkeit. Sie dient auch dem besseren Verständnis ökologischer Prozesse in Böden im Allgemeinen. Damit förderte diese Doktorandenstudie das Wissen über Bodenfruchtbarkeitstreiber über räumliche Skalen hinweg und legte die wissenschaftliche Basis für die Förderung neuartiger Bodenfruchtbarkeitsindikatoren, die auf mikrobiellen CUE im Boden basieren. Dieses Ergebnis wird der Entwicklung von Nischen-basierten Bodenfruchtbarkeits-Management-Strategien zugute kommen, die von größter Bedeutung für die Sicherung der Lebensgrundlage von kleinbäuerlichen Systemen in SSA sind
Growth regulation of ornamental and vegetable plants under greenhouse conditions by air stream-based mechanical stimulation
Get PDFPlant growth regulation is an integral part within the production chain of ornamentals and vegetable seedlings. In protected ornamental horticulture, chemical-synthetic plant growth regulators (PGR) are used to reduce plant size. In vegetable production, the use of these substances is prohibited by law in most counties, which is why non-chemical growth regulation methods must be applied. In this respect, a production method for non-chemical growth control of ornamentals and vegetable seedlings under greenhouse conditions has been developed that is based on the application of air streams, inducing thigmomorphogenesis, the morphological and structural shaping of a plant organism during its development phase as influenced by touch-like stimuli. In own experiments jointly performed at the State Horticulture College and Research Station in Heidelberg, Germany, the application of a regularly applied air stimuli significantly reduced plant height by 24% in bellflower (Campanula Merrybell) compared to the control. In a subsequent practical trial at a local horticulture company (Fleischle GbR, Vaihingen Ensingen, Germany) plant height of creeping inchplant (Callisia repens) was significantly reduced by 20% on average compared to the control. In both experiments, a compressor generated the air stream which was then applied to the plant stand through custom-built stainless-steel nozzles (air pressure module). In tomato (Solanum lycopersicum Romello), air streams applied by the air knife module, the 360° rotor module, or the air pressure module resulted in a reduction in plant height of 26%, 33%, and 36% compared to the control, respectively. The air stream guided into the air knife module was applied by an aperture slot, which could be adjusted between 1 and 5 mm, while the air stream guided into the 360° rotor module was applied via two 360° rotating PVC tubes that were inserted on the bottom of a rectangular aluminium box. It turned out, that the air outlet velocity along the aperture slot of the air knife module was highly variable. Consequently, the stimulus intensity perceived by individual experimental plants was unequal. A multiple regression analysis clearly showed that the maximum air velocity explained the variability in plant height reduction by air streams generated with the air knife module best, while the stimulus duration and the cumulative air velocity were less relevant. Plant height reduction by air stream generated with the 360° rotor module was most homogenous compared to the other prototypes. Therefore, a subsequent series of experiments at the University of Hohenheim, Stuttgart, Germany, was carried out with the most promising prototype, the 360° rotor. No systematic dose-response relationship related to increasing application frequencies of 8, 24, 40, 56, 72, and 80 d-1 was found, confirming previous findings that the plants do not integrate the mechanical stimulus over time. In contrast, plant height reduction was significantly influenced by the air stream velocity. A sigmoidal dose-response relationship was fitted to the data and showed negligible effects on tomato plant height reduction between 0.7 m s-1 and 2.0 m s-1, followed by a steep increase in the reduction effect up to 4.7 m s-1 and a fading of the effect at 36 % reduction for air velocities beyond that. With the optimised settings for daily application frequency and air velocity, another experiment was conducted focusing on the effect of air stream application on phenotypic and physiological responses in tomato. Air stream application resulted in a gradual reduction of total leaf area by 14% on day 14 after treatment start, and radial growth was promoted relative to internode elongation compared to the untreated control, resulting in a more compact and stable plant phenotype. Air stream-treated plants translocated proportionally more assimilates to leaves and stems, at the expense of dry matter accumulation to petioles. The reduction in total leaf area was compensated by an increased leaf density, accompanied by a higher leaf green intensity and consequently by an average 8% increase in net CO2 assimilation rates compared to the control. Thus, air stream-treated plants partially sustained total biomass accumulation at the same level as compared to the control.Die Regulierung des Pflanzenwachstums ist ein wesentlicher Bestandteil in der Produktionskette von Zierpflanzen und Gemüsesetzlingen. Im geschützten Zierpflanzenbau werden chemisch-synthetische Pflanzenwachstumsregulatoren eingesetzt, um die Pflanzengröße zu reduzieren. Im Gemüsebau ist der Einsatz von synthetischen Wuchshemmstoffen in den meisten Ländern gesetzlich verboten, weshalb nicht-chemische Methoden der Wachstumsregulierung angewandt werden müssen. In diesem Zusammenhang wurde eine Produktionsmethode für die nicht-chemische Wachstumskontrolle von Zierpflanzen und Gemüsesetzlingen unter Gewächshausbedingungen entwickelt, die auf der Anwendung von Luftströmen basiert, die die Bewegung der Pflanzen und folglich die Thigmomorphogenese, die morphologische und strukturelle Formung eines Pflanzenorganismus während seiner Entwicklungsphase unter dem Einfluss von berührungsähnlichen Reizen, induzieren. In zahlreichen Forschungsstudien wurden die zugrundeliegenden zellulären Signalereignisse innerhalb der thigmomorphogenetischen Signalkaskade untersucht, welche die Streckung des Pflanzensprosses reduziert.In eigenen Versuchen an der Staatlichen Lehr- und Versuchsanstalt für Gartenbau in Heidelberg, Deutschland, führte die Anwendung eines regelmäßigen Luftreizes bei der Glockenblume (Campanula Merrybell) zu einer signifikanten Verringerung der Pflanzenhöhe um 24 % im Vergleich zur Kontrolle. In einem Praxisversuch bei einem örtlichen Gartenbaubetrieb (Fleischle GbR, Vaihingen Ensingen, Deutschland) wurde die Pflanzenhöhe des Kriechenden Schönpolsters (Callisia repens) im Vergleich zur Kontrolle um durchschnittlich 20 % reduziert. In beiden Versuchen erzeugte ein Kompressor den Luftstrom, der dann durch speziell angefertigte Edelstahldüsen (Luftdruckmodul) an den Pflanzenbestand verabreicht wurde. Bei der Tomate (Solanum lycopersicum Romello) führten die Luftströme des Air knife Moduls, des 360° Rotor Moduls oder des Luftdruckmoduls zu einer Verringerung der Pflanzenhöhe um 26 %, 33 % bzw. 36 % im Vergleich zur Kontrolle. Der in das Air knife Modul geleitete Luftstrom wurde über einen zwischen 1 und 5 mm einstellbaren Öffnungsschlitz an die Pflanzen verabreicht, während der in das 360°-Rotor Modul geleitete Luftstrom über zwei um 360° drehbare PVC-Rohre verabreicht wurde, die auf der Unterseite eines hohlen, rechteckigen Aluminiumkastens angebracht waren. Es stellte sich heraus, dass die Luftaustrittsgeschwindigkeit entlang des Öffnungsschlitzes des Air knife Moduls variabel war. Folglich war die von den einzelnen Versuchspflanzen erfahrende Reizintensität ungleich. Eine multiple Regressionsanalyse zeigte eindeutig, dass die maximale Luftgeschwindigkeit die Variabilität in der Reduktion der Pflanzenhöhe durch die mit dem Air knife erzeugten Luftströme am besten erklärte, während die Reizdauer und die kumulative Luftgeschwindigkeit weniger relevant waren. Die Verringerung der Pflanzenhöhe durch den mit dem 360° Rotor Modul erzeugten Luftstrom war im Vergleich zu den anderen Prototypen am homogensten. Daher wurden die nachfolgenden Versuche an der Universität Hohenheim, Stuttgart, Deutschland, mit dem 360° Rotor Modul durchgeführt. Es wurde keine systematische Dosis-Wirkungs-Beziehung bei zunehmender Anwendungshäufigkeit von 8, 24, 40, 56, 72 und 80 Überfahrten pro Tag gefunden. Im Gegensatz dazu wurde die Verringerung der Pflanzenhöhe signifikant von der Geschwindigkeit des Luftstroms beeinflusst. Eine sigmoidale Dosis-Wirkungs-Beziehung zeigte vernachlässigbare Auswirkungen auf die Reduktion der Tomatenpflanzenhöhe zwischen 0,7 m s-1 und 2,0 m s-1, gefolgt von einem steilen Anstieg der Reduktionswirkung bis zu 4,7 m s-1 und einem Abklingen der Wirkung bei 36 % Reduktion für Luftgeschwindigkeiten darüber hinaus. Mit den optimierten Einstellungen für die tägliche Anwendungshäufigkeit und die Luftgeschwindigkeit wurde ein zweiter Versuch durchgeführt, der sich auf die Auswirkungen der Luftstromanwendung auf phänotypische und physiologische Reaktionen der Tomatenpflanze konzentrierte. Die Anwendung des Luftstroms führte zu einer allmählichen Verringerung der Gesamtblattfläche um 14 % an Tag 14 nach Beginn der Behandlung, und das Radialwachstum wurde im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle relativ zur Internodienstreckung gefördert, was zu einem kompakteren und stabileren Pflanzenphänotyp führte. Die mit dem Luftstrom behandelte Pflanzen verlagerten proportional mehr Assimilate in die Blätter und den Stamm, was auf Kosten der Trockenmasseakkumulation in die Blattstiele ging. Die Verringerung der Gesamtblattfläche wurde durch eine höhere Blattdichte kompensiert, die mit einer höheren Grünintensität der Blätter einherging und folglich zu einem Anstieg der Netto-CO2-Assimilationsrate um durchschnittlich 8 % im Vergleich zur Kontrolle führte. Somit konnten die luftstrombehandelten Pflanzen die Gesamtbiomasseakkumulation teilweise auf demselben Niveau halten wie die unbehandelten Kontrollpflanzen
Novel copper-catalyzed and transition metal-free methods for the assembly of heterocycles
No full textHeterocyclen sind Grundgerüste zahlreicher Arzneimittel und daher von hoher Bedeutung in der Medizinischen Chemie. Infolgedessen besteht naturgemäß eine hohe Nachfrage nach Methoden zum Aufbau von Heterocyclen. Die Anforderungen an neue Synthesemethoden für Heterocyclen sind mittlerweile sehr hoch, da sie nicht nur effizient und selektiv, sondern darüber hinaus auch nachhaltig sein müssen. Diese Anforderungen können sowohl durch übergangsmetallfreie als auch übergangsmetallkatalysierte Reaktionen erfüllt werden. So gelingt die übergangsmetallfreie Darstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Heterocyclen durch radikalische, kationische und anionische Cyclisierungen sowie durch pericyclische Reaktionen. Seit kurzem nimmt die Bedeutung von elektro- und photochemischen Methoden in der Heterocyclen-Synthese sehr stark zu. Bei der übergangsmetallkatalysierten Heterocyclen-Synthese spielen vor allem Pd- und Cu-Katalysatoren eine herausragende Rolle. Zum Pd-katalysierten Aufbau von N-Heterocyclen ist insbesondere die intramolekulare Buchwald-Hartwig-Aminierung hervorzuheben. Mittlerweile weiß man, dass sich viele Pd-katalysierte Reaktionen auch mit Cu-Katalysatoren durchführen lassen. Vor dem Hintergrund, dass Cu-Katalysatoren aufgrund der höheren Häufigkeit von Cu wesentlich preisgünstiger sind und dass man zur Durchführung Cu-katalysierter Reaktionen meistens auf teure Liganden verzichten kann, ist ihre sehr große Bedeutung in der Heterocyclen-Synthese leicht nachzuvollziehen. Beispielsweise lassen sich viele N-Heterocyclen durch intramolekulare Ullmann-Reaktionen mit hervorragenden Ausbeuten und hohen Selektivtäten darstellen. Hierbei spielen bisfunktionalisierte Substrate mit zwei Zentren unterschiedlicher Reaktivität eine tragende Rolle. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue effiziente und hochselektive Synthesemethoden zum Aufbau relevanter N- bzw. O-Heterocyclen zu entwickeln. Dabei sollten insbesondere Cu-katalysierte Reaktionen mit bisfunktionalisierten Substraten entwickelt werden. Es sollte zudem geprüft werden, ob sich die entsprechenden Umsetzungen auch in Abwesenheit von Übergangsmetall-Katalysatoren durchführen lassen. Benzodioxine und 2,3-Dihydrobenzodioxine weisen viele interessante biologische Eigenschaften auf, jedoch sind die bislang für ihre Synthese zur Verfügung stehenden Möglichkeiten überschaubar. Darum beschäftigt sich der erste Teil dieser Dissertation mit der Entwicklung einer neuen Methode zum diastereospezifischen Aufbau von (Z)-2-Aryliden-2,3-dihydrobenzodioxinen (Z)-80 (Schema 48) durch Umsetzung von 3-arylsubstituierten (Z)-1,2-Dibromarylpropenen (Z)-82 mit Catecholen 83. Während das Modellsubstrat (Z)-82a (R1 = Ph) durch Reduktion und nachfolgende Bromierung von a-Bromzimtaldehyd dargestellt werden kann, wurden die übrigen Substrate (Z)-82 in drei Stufen aus den entsprechenden Benzaldehyden hergestellt. Die anschließende Optimierung der Modellreaktion unter verschiedenen Reaktionsbedingungen ergab, dass sich die besten Ergebnisse unter übergangsmetallfreien Bedingungen erzielen ließen. Die höchste Ausbeute an (Z)-80a (R1 = Ph, R2 = H) erhielt man, wenn man 1 Äquivalent (Z)-82a mit zwei Äquivalenten 83a (R2 = H) in Gegenwart von vier Äquivalenten Cs2CO3 in DMF 18 h bei 140 °C umsetzte. Bemerkenswert ist, dass diese übergangsmetallfreie Domino-Reaktion, die aus einer intermolekularen O-Allylierung und einer nachfolgenden intramolekularen O-Vinylierung besteht, hochdiastereospezifischen verläuft: bei Einsatz von (Z)-1,2-Dibrom-3-phenyl-2-propen [(Z)-82a] entsteht ausschließlich (Z)-2-Benzyliden-2,3-dihydrobenzodioxin [(Z)-80a]. Diese hohe Diastereospezifität wurde auch bei den Umsetzungen aller anderen Substrate (Z)-82 beobachtet. Die 2-Aryliden-2,3-dihydrobenzodioxine (Z)-80 konnten mit Ausbeuten von bis zu 89% erhalten werden. Die Methode toleriert sowohl unterschiedliche Substituenten am Aromaten von (Z)-82 als auch unterschiedlich disubstituierte Catechole 83. DFT-Kalkulationen, die in Kooperation mit Prof. Bharatham, NIPER Nagar (Mohali), entstanden, legen nahe, dass die intramolekulare O-Vinylierung nicht über eine Alkin- sondern über eine Alkenzwischenstufe verläuft. Die diastereospezifische Umsetzung des E-konfigurierten Substrats (E)-82a (R1 = Ph) zum entsprechenden (E)-2-Benzyliden-2,3-dihydrobenzodioxin [(E)-80a] unterstützt diese Annahme. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der intramolekularen Cu(I)-katalysierten Cyclisierung von o-Halobenzylidenguanylhydrazon-Salzen (E)-86 zum direkten Aufbau von N-1 unsubstituierten 1H-Indazolen 84 (Schema 49). Die Synthese von Indazolen dieses Typs ist von besonderem Interesse für die Medizinische Chemie, weil sie das Grundgerüst einiger wichtiger Krebsmedikamente bilden. Die Substrate (E)-86 wurden durch Kondensation von o-Halobenzaldehyden mit Aminoguanidin-Hydrochlorid mit Ausbeuten von bis zu 90% dargestellt. Die anschließende Cyclisierung unter Verwendung von 10 mol% CuI, 30 mol% DMEDA und 0.5 Äquivalenten Cs2CO3 lieferte die 1H-Indazole 84 in Ausbeuten von bis zu 75%. Die Umsetzungen wurden bei 120 °C in DMF für 5 h in einem verschlossenen Glasröhrchen durchgeführt. Die Methode toleriert eine ganze Reihe von Substituenten am Aromaten der Substrate. Aufgrund von DFT-Kalkulationen, die in Kooperation mit Prof. Bharatham, NIPER Nagar (Mohali), entstanden, kann man davon ausgehen, dass es zunächst zu einer E/Z-Isomerisierung des Substrats 86 kommt, an die sich eine Metall-Komplexierung mit nachfolgender C,N-Bindungsbildung anschließt. Die abschließende Hydrolyse des 1H-Indazol-1-carboximidamids liefert das N-1 unsubstituierte 1H-Indazol 84.Heterocycles are the backbones of numerous drugs and are therefore of great importance in medicinal chemistry. As a result, there is an inevitably high demand for methods to synthesize heterocycles. The requirements for new methods for the synthesis of heterocycles are nowadays very high, as they must not only be efficient and selective, but also sustainable. These prerequisites can be met by both transition metal-free and transition metal-catalyzed reactions. Thus, the transition metal-free preparation of a variety of different heterocycles can be achieved by radical, cationic and anionic cyclizations as well as by pericyclic reactions. Recently, the importance of electrochemical and photochemical methods in heterocyclic synthesis has been increasing very rapidly. In transition metal-catalyzed heterocycle synthesis, Pd- and Cu-catalysts in particular play a prominent role. For the Pd-catalyzed assembly of N-heterocycles, the intramolecular Buchwald-Hartwig amination is especially noteworthy. It is now known that many Pd-catalyzed reactions can also be carried out with Cu-catalysts. In view of the fact that Cu-catalysts are much cheaper due to the higher abundance of Cu, and that expensive ligands can usually be omitted to carry out Cu-catalyzed reactions, their enormous importance in heterocyclic synthesis is easy to understand. For example, many N-heterocycles can be prepared by intramolecular Ullmann reactions with excellent yields and high selectivities. Here, bisfunctionalized substrates with two centers of different reactivity play a major role.
The aim of the present work was to develop new efficient and highly selective synthetic methods for the construction of relevant N- or O-heterocycles. In particular, Cu-catalyzed reactions with bisfunctionalized substrates were to be developed. The investigation included determining whether the corresponding reactions can also be carried out in the absence of transition metal catalysts.
Benzodioxines and 2,3-dihydrobenzodioxines exhibit many interesting biological properties, but the possibilities available nowadays for their synthesis are limited. Therefore, the first part of this dissertation deals with the development of a new method for the diastereospecific construction of (Z)-2-arylidene-2,3-dihydrobenzodioxines (Z)-80 (Scheme 50) by reacting 3-aryl-substituted (Z)-1,2-dibromoarylpropenes (Z)-82 with catechols 83. While the model substrate (Z)-82a (R1 = Ph) can be prepared by reduction and subsequent bromination of a-bromocinnamaldehyde, the remaining substrates (Z)-82 were prepared in three steps from the corresponding benzaldehydes. Subsequent optimization of the model reaction under a wide variety of reaction conditions showed that the best results could be obtained under transition metal-free conditions.
The highest yield of (Z)-80a was obtained when 1 equivalent of (Z)-82a (R1 = Ph, R2 = H) was reacted with two equivalents of 83a (R2 = H) in the presence of four equivalents of Cs2CO3 in DMF for 18 h at 140 °C. Remarkably, this transition metal-free domino reaction, which consists of an intermolecular O-allylation followed by an intramolecular O-vinylation, is highly diastereospecific: the use of (Z)-1,2-dibromo-3-phenyl-2-propene [(Z)-82a] exclusively delivers (Z)-2-benzylidene-2,3-dihydrobenzodioxines [(Z)-80a]. This high diastereospecifity was also observed in the reactions of all other substrates (Z)-82. The 2-arylidene-2,3-dihydrobenzodioxins (Z)-80 were obtained in yields up to 89%. This method tolerates different substituents on the aromatic moiety of (Z)-82 as well as different disubstituted catechols 83. DFT calculations conducted in collaboration with Prof. Bharatham, NIPER Nagar (Mohali), suggest that the intramolecular O-vinylation proceeds via an alkene intermediate rather than an alkyne intermediate. The diastereoselective conversion of the E-configured substrate (E)-82a (R1 = Ph) to the corresponding (E)-2-benzylidene-2,3-dihydrobenzodioxine [(E)-80a] supports this assumption. The second part of this work is devoted to the intramolecular Cu(I)-catalyzed cyclization of o-haloarylideneguanylhydrazone salts (E)-86 for the direct construction of N-1 unsubstituted 1H-indazoles 84 (Scheme 51). The synthesis of indazoles of this type is of particular interest to medicinal chemistry because they form the backbone of some important anticancer drugs. Substrates (E)-86 were prepared by condensation of o-halobenzaldehydes with aminoguanidine hydrochloride in yields up to 90%. Subsequent cyclization using 10 mol% CuI, 30 mol% DMEDA and 0.5 equivalents of Cs2CO3 afforded the 1H-indazoles 84 in yields up to 75%. The reactions were carried out at 120 °C in DMF for 5 h in a sealed glass tube. The method tolerated a full range of substituents on the aromatic moiety of the substrates. Based on DFT calculations done in collaboration with Prof. Bharatham, NIPER Nagar (Mohali), it is reasonable to assume that E/Z isomerization of substrate 86 occurs first, followed by metal complexation with subsequent C,N bond formation. The final hydrolysis of the 1H-indazole-1-carboximidamide yields the N-1 unsubstituted 1H-indazole 84
Investigating the spatio-temporal distribution of brucellosis outbreak strains in Egypt using cgSNP analysis and multi locus VNTR analysis
No full textDie Brucellose ist eine weltweit verbreitete Zoonose, die durch die Gattung Brucella, die 12 Spezies beinhaltet, ausgelöst wird und für den öffentlichen Gesundheitssektor von großer Bedeutung ist. Bei Tieren kann die Krankheit zu Aborten führen, was einen hohen wirtschaftlichen Schaden nach sich zieht. Vom Tier auf den Menschen kann die Krankheit durch direkten Kontakt, durch das Eindringen über Schleimhäute und Wunden in der Haut oder indirekt durch den Verzehr von nicht pasteurisierter Milch, die daraus hergestellten Milchprodukte oder nicht ausreichend erhitztem Fleisch übertragen werden. Auch über Aerosole können sich die Bakterien übertragen lassen, was unter anderem diese Erreger in die Risikoklasse drei einstuft. Der Kontakt mit infizierten Tieren, besonders deren reproduktiven Organe, abortierte Föten und Ausflüsse stellen somit einen Risikofaktor dar. Die Krankheit beim Menschen ist schwerwiegend, weshalb eine mehrwöchige Antibiose als Therapie erforderlich ist. Obwohl viele Länder als frei von Brucellose gelten, sind beispielsweise afrikanische Länder noch stark betroffen.
Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf Brucellen aus dem afrikanischen Land Ägypten. Obwohl die Brucellose in Ägypten endemisch ist, gibt es bisher nur eine Publikation mit sehr wenigen Daten, die Näheres zur Ausbruchsanalytik der Spezies Brucella (B.) melitensis
und B. abortus basierend auf der Gesamtgenomsequenzierung beschreibt. Einige andere bisherigen Veröffentlichungen basieren auf der sogenannten Multi Lokus VNTR Analyse (MLVA), die sich aber für epidemiologische Fragestellungen, bzw. für die Ausbruchsanalytik in dieser vorliegenden Arbeit als ungeeignet herausgestellt hat. VNTR steht dabei für die variable Anzahl an Sequenzwiederholungen in der DNS. Um konkrete Aussagen zur Ausbruchsanalytik zu tätigen, wurde deshalb eine sogenannte Einzelnukleotidpolymorphismusanalyse des Kerngenoms (cgSNP-Analyse) auf Basis der Gesamtgenomsequenzierung durchgeführt. Während die MLVA hochmutable DNS-Regionen inkludiert, sind diese in der cgSNP-Analyse von vorn herein ausgeschlossen. Deshalb ermöglicht die cgSNP-Analyse eine genauere Einteilung der Genotypen und somit auch die Einteilung der Ausbruchsstämme, während im Gegenzug die MLVA aufgrund der Verwendung von hochmutablen Regionen ausschließlich für die reine Differenzierung von Isolaten herangezogen werden kann. Dies wurde durch den direkten Methodenvergleich und der Einbeziehung der Metadaten deutlich, sodass bisher veröffentlichte Daten, die mittels der MLVA die Ausbruchsanalytik für Brucella beschrieben haben, nicht verwendbar sind. Darüber hinaus ist eine laborbasierte MLVA im Gegensatz zu einer in silico MLVA, die auf der Genomsequenzierung beruht, fehleranfällig. Bei einem direkten Vergleich zeigte die in silico MLVA in 100% der Fälle zuverlässige Ergebnisse und sollte demnach die laborbasierte MLVA ersetzen. Für die cgSNP-Analyse lagen insgesamt 185 Isolate vor, die aus Tieren, sowie aus dem Menschen stammen. Von diesen insgesamt 185 Proben sind 137 als B. melitensis und 49 als B. abortus klassifiziert worden, was darauf schließen lässt, dass in Ägypten B. melitensis Infektionen häufiger als B. abortus Infektionen vorkommen. Weiterhin wurden durch die cgSNP-Analyse konservierte Ausbruchsstämme detektiert, die sich genetisch nur minimal unterscheiden, seit einigen Jahren in Ägypten persistieren und sich verbreitet haben oder immer noch verbreitet werden, sowie ständig neu eingeführte Ausbruchsstämme, bzw. Infektionen. Unter den B. abortus Isolaten konnten B. abortus RB51 Vakzinstämme aus abortierten Tieren detektiert werden, was bestätigt, dass der RB51-Vakzinstamm auch zu Aborten führt. Während die meisten B. melitensis Stämme dem westmediterranen Ursprung zugeordnet wurden, ist jeweils ein Isolat dem amerikanischen, bzw. dem ostmediterranen Ursprung, zugeteilt. Solch eine Einteilung durch einen sogenannten kanonischen SNP-Assay (canSNP-Assay), wie es für die B. melitensis Isolate durchgeführt wurde, ist für B. abortus aus methodischen Gründen nicht möglich. Durch eine weitere cgSNP-Analyse wurden vorhandene öffentliche Datenbankeinträge aus anderen Ländern auf mögliche Quellen der Einschleppung der detektierten ägyptischen Ausbruchsstämme geprüft. Für die meisten
B. melitensis Isolate ist eine Herkunft aus Italien wahrscheinlich, für eine bestimmte Gruppe von B. abortus Isolaten hingegen eine Herkunft aus Großbritannien. Die übrigen B. abortus Isolate konnten nicht eindeutig zugeteilt werden, würden aber möglicherweise den Isolaten aus USA am nächsten stehen. Um hier mögliche Verwandtschaften zu bestätigen oder zu widerlegen, müssten sehr viel mehr Isolate aus verschiedenen Regionen zum Vergleich zur Verfügung stehen. Aufgrund der Vielzahl an diversen Ausbruchsstämmen in Ägypten, sollte der Ursprung dieser Ausbruchsstämme außerhalb des Landes liegen, sodass von Einschleppungen ausgegangen werden kann.Brucellosis is a worldwide zoonosis caused by the genus Brucella, which includes 12 species, and it is of great importance for the public health sector. In animals, the disease can lead to abortions, which entails high economic losses. The disease can be transmitted from animals to humans directly by penetrating through mucous membranes and wounds in the skin, or indirectly by consuming unpasteurized milk, milk products made from it, or meat that has not been sufficiently heated. The bacteria can also be transmitted via aerosols, which among other things categorizes these pathogens in risk class three. Contact with infected animals, especially their reproductive organs, aborted fetuses and discharges therefore represent a risk factor. The disease in humans is serious, an antibiotic treatment lasting several weeks is necessary. Although many countries are considered brucellosis-free, African countries, for example, are still badly affected.
This work focuses on Brucella from Egypt. Although brucellosis is endemic in Egypt, there is just one publication with very little data about outbreak analysis of the species Brucella (B.) melitensis and B. abortus based on whole genome sequencing. Some other earlier publications are based on the so-called Multiple Locus VNTR analysis (MLVA), which in this present work turned out to be unsuitable for epidemiological analysis or outbreak analysis. VNTR means variable number of sequence repetitions in the DNA. In order to make concrete statements on outbreak analysis, a so-called single nucleotide polymorphism analysis of the core genome (cgSNP analysis) was carried out based on whole genome sequencing. While the MLVA includes highly mutable DNA regions, in the cgSNP analysis they are excluded. Therefore, the cgSNP analysis enables a more precise classification of the genotypes and thus also the classification of the outbreak strains, while the MLVA can just be used for the differentiation of isolates due to the use of highly mutable sequence regions. This became clear through the direct comparison of both methods including the metadata, so that previously published data that described the outbreak analysis for Brucella using the MLVA cannot be used. Over and above that in contrast to an in silico MLVA based on genome sequencing, a laboratory-based MLVA is prone to errors. In a direct comparison, the in silico MLVA showed reliable results in 100% of the cases and should therefore replace the laboratory-based MLVA. For the cgSNP analysis a total of 185 isolates from animals and humans were available. Out of a total of 185 samples, 137 were classified as B. melitensis and 49 as B. abortus, suggesting that B. melitensis infections are more common than B. abortus infections in Egypt. Furthermore, conserved outbreak strains in Egypt, detected by the cgSNP analysis and genetically differing only minimally, have persisted for several years and have spread or are still spreading, as well as constantly newly introduced outbreak strains or infections. Among the B. abortus isolates,
B. abortus RB51 vaccine strains from aborted animals could be detected, confirming that the RB51 vaccine strain also causes abortions. While most B. melitensis strains are assigned to West Mediterranean origin, one isolate each is assigned to American and East Mediterranean origin. Such a classification by a so-called canonical SNP assay (canSNP assay), as was carried out for the B. melitensis isolates, is not possible for B. abortus for methodological reasons. A further cgSNP analysis was used to check existing public database entries from other countries for possible sources of introduction of the detected Egyptian outbreak strains. Italian origin is likely for most B. melitensis isolates, while UK origin is likely for a certain group of B. abortus isolates. The remaining B. abortus isolates could not be assigned unequivocally, but would possibly be close to the isolates from the USA. In order to confirm or refute possible relatives, much more isolates from different regions are necessary for a comparison. Due to the large number of different outbreak strains in Egypt, the origin of these outbreak strains should be outside the country, so that importations can be assumed
Effect of the Mediterranean diet on the fatty acid pattern of erythrocyte membranes and on gut microbiota- and gut barrier-associated biomarkers : mechanisms and clinical applications
No full textDissertation von Benjamin Seethaler zum Thema "Einfluss der mediterranen Ernährung auf das Fettsäuremuster von Erythrozytenmembranen sowie auf Darmmikrobiota- und Darmbarriere-assoziierte Biomarker - Mechanismen und klinische Anwendungen".
Zusammengefasst bieten die Ergebnisse des Promotionsprojekts neue Erkenntnisse zu den Wirkmechanismen und gesundheitlichen Effekten der mediterranen Ernährung. Von besonderer Bedeutung ist der von uns gezeigte Zusammenhang zwischen Ballaststoffen aus der mediterranen Ernährung, deren Verstoffwechselung zu kurzkettigen Fettsäuren und deren günstiger Einfluss auf eine gestörte Darmbarriere-Funktion. Unsere Untersuchungen können zukünftig die Grundlage für eine personalisierte Ernährungstherapie zur Verbesserung der gestörten Darmbarriere-Funktion bei Brustkrebs-Hochrisikopatientinnen darstellen. Weiterhin konnten wir LBP und Zonulin als Biomarker zur Erfassung der Darmbarriere-Funktion sowie zur Bestimmung und Beurteilung von Darmbarriere-Störungen etablieren. Diese Methodenvalidierung vereinfacht bzw. ermöglicht die Beurteilung der Darmbarriere-Funktion im klinischen Alltag bzw. in klinischen Studien.Dissertation from Benjamin Seethaler: "Effect of the Mediterranean diet on the fatty acid pattern of erythrocyte membranes and on gut microbiota- and gut barrier-associated biomarkers - mechanisms and clinical applications".
In summary, the results of the PhD project offer new insights into the biomedical mechanisms of action and health effects of the Mediterranean diet. Of particular importance is the relationship we have shown between dietary fiber from the Mediterranean diet, its fermentation to short-chain fatty acids, and its beneficial influence on impaired intestinal barrier function. In the future, our studies may provide the basis for personalized nutritional therapy to improve impaired gut barrier function in high-risk breast cancer patients. Furthermore, we were able to establish LBP and zonulin as biomarkers to detect gut barrier function and to determine and assess gut barrier disorders. This method validation simplifies or enables the assessment of intestinal barrier function in clinical practice or clinical trials