2013 research outputs found
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Mind the gap: effects of the national minimum wage on the gender wage gap in Germany
Get PDFWith its introduction in 2015, the statutory minimum wage in Germany intends to benefit primarily low-wage workers. Thus, this paper aims at estimating the effectiveness of the implemented wage floor on gender wage gaps in the lower half of the wage distribution. Using administrative data, distinct regional differences regarding magnitudes of wage differentials and responses to the minimum wage are identified. Overall, wage gaps between men and women at the 10th percentile decrease by 2.46 and 6.34 percentage points respectively in the West and East of Germany after 2015. Applying counterfactual wage distributions, the study provides new evidence that around 60% and even 95% of the decline result from the introduction of the minimum wage in each region. Further, group-specific analyses identify concrete responses on the basis of age, educational level and occupational activity. Having yearly data, the study additionally reveals new results on the impact of the successive minimum wage raises in 2017 and 2019. Counterfactual aggregate decompositions of gender wage gaps finally indicate a decrease in discriminatory remuneration structures in the West of Germany due to the introduced wage floor
Classification and characterization of Ethiopian honey bees (Apis mellifera) based on morphometric, genetic and socio-economic analyses
Get PDFEthiopia is a major beekeeping country located in northeast Africa where several evolutionary lineages of Apis mellifera contact. A unique practice of honey bee colony marketing which involves broad agro-ecological zones (AEZs) is a developing trend in the northern part of the country such as Tigray region in association with apicultural development. Several studies based on classical morphometry on the Ethiopian honey bee subspecies classification debated from the unique Apis mellifera simensis to five others. Moreover, the genetic diversity, adaptation, gene flow and inter-relationships of the honey bees between AEZs were not disentangled a challenge for planning sustainable apicultural development and conservation. Therefore, this study was conducted to elucidate the honey bees of Ethiopia in a context of apicultural transformation using integrated methods: morphometrics, genetics, colony market survey and metadata analyses on beekeeping development.
The results of geometric morphometric analyses confirmed that Ethiopian honey bees represented by Apis mellifera simensis references belong to a separate lineage (Y) compared to A, O, M and C, and the present sample belonged to Y. This supported the hypothesis of five major honey bee lineages of the honey bee Apis mellifera. Similarly, a maximum likelihood phylogenetic tree analysis based on the mitochondrial COI-COII showed that most of the Ethiopian honey bees belong to lineage Y. However, a substantial proportion of the samples from the northern part of the country clustered with lineage O, which support the hypothesis that there is close contact between Y and O. Both geometric morphometry and classical morphometry differentiated the Ethiopian honey bees from all references including A. m. monticola, A. m. scutellata, A. m. jementica, A. m. adansonii but grouped with A. m. simensis. Genetically, five DraI haplotypes (COI-COII) were found to be randomly distributed across AEZs, indicating a substantial gene flow. Consequently, the level of genetic differentiation among the Ethiopian honey bee subpopulations defined by local areas and AEZs was generally low based on r7-frag nuclear marker, which is identified to be associated with adaptation to habitat elevation in East African honey bees. Similarly, nucleotide diversity consistently decreased with increasing elevation indicating a reduced effective population size in the highlands.
Results obtained from colony market survey showed that the honey bee swarms are reproduced in a few highlands and re-distributed throughout the region. Colony buyers have preferences of color and AEZ of origin of the honey bees, which led to a one-way flow and eroded the overall level of genetic differentiation. However, a marked differentiation was detected between the highland and lowland honey bees in relic communities where an allelic length polymorphism was observed as a signature of local adaptation.
Altogether, Ethiopian honey bees belong to the lineage Y and subspecies A. m. simensis, and are characterized by a high level of gene flow enhanced by colony marketing; but a conserved signature of local adaptation to higher elevations was identified in less disturbed communities. Further studies based on genome-wide analyses and field experiments, focusing on undisturbed communities, can provide more insights into adaptation, admixture and management implications. Sustainable bee breeding and extension services that enable local beekeeping without colony trade and transportation will help to promote apiculture and genetic conservation.Äthiopien ist ein Land mit vielfältigen Ökosystemen im Nordosten Afrikas, in denen viele evolutionäre Linien von Apis mellifera zusammenkommen. In der Region Tigray (im Norden von Äthiopien) werden Honigbienenvölker auf zentralen Märkten gehandelt. Mehrere Studien zur Klassifikation der Unterarten von äthiopischen Honigbienen auf der Grundlage der klassischen Morphometrie stellten unterschiedliche Hypothesen über die Anzahl dieser Unterarten auf. Darüber hinaus war der Mangel an Informationen über genetische Vielfalt, Anpassung und Genfluss eine Herausforderung für die Planung einer nachhaltigen Entwicklung der Imkerei. Ziel dieser Doktorarbeit war es, diese Honigbienen und den Handel mit ihnen auf der Grundlage von Morphometrie, Genetik und Marktuntersuchungsanalysen in einen Zusammenhang zu stellen.
Die Ergebnisse bestätigten, dass äthiopische Honigbienen, die durch Apis mellifera simensis-Referenzen repräsentiert werden, von den Linien A, O, M und C morphologisch unterschieden werden können und zu der Linie Y gehören, was die Hypothese von fünf großen Honigbienen-Linien unterstützt. In ähnlicher Weise zeigte die mitochondriale COI-COII-Analyse, dass die meisten äthiopischen Honigbienen der Linie Y angehören. Ein erheblicher Anteil der Proben aus dem nördlichen Teil des Landes gruppierte sich jedoch mit der Linie O, was die Hypothese eines engen Kontaktes zwischen den Linien Y und O stützte. Hinsichtlich der Unterarten unterschieden die geometrische Morphometrie und die klassische Morphometrie die äthiopischen Honigbienen von allen Referenzen einschließlich A. m. monticola, A. m. scutellata, A. m. jementica, A. m. adansonii, aber gruppierten mit A. m. simensis. Genetisch wurden fünf DraI-Haplotypen identifiziert, die zufällig über die agro-ecological zones (AEZs) verteilt waren, was auf einen erheblichen Genfluss hinweist.
Folglich war die genetische Differenzierung der äthiopischen Proben insgesamt gering. Die Abnahme der Nukleotiddiversität in den Subpopulationen von A. mellifera in höher gelegenen Habitaten deutet auf eine reduzierte effektive Populationsgröße im Hochland hin.
Die Markterhebung ergab, dass sich die Honigbienenvölker in einigen Hochländern vermehren und durch die Vermarktung in der gesamten Region von Tigray verteilt werden. Eine Ursache hierfür ist, dass die Käufer die Farbe und die AEZ der Herkunft bevorzugen. Dies führte zu einem unidirektionalen Fluss von genetischem Material und verringert die genetische Differenzierung. In lokalen, ungestörten Gebieten konnte jedoch eine deutliche Differenzierung zwischen der Hochland- und der Tieflandhonigbiene festgestellt werden. Dabei wurde ein Allellängenpolymorphismus als Zeichen der lokalen Anpassung beobachtet.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass äthiopische Honigbienen der Linie Y und der Unterart A. m. simensis zugehörig sind. Ein hoher Genfluss zwischen Subpopulationen wird durch Koloniemarketing verstärkt; aber eine konservierte Signatur der lokalen Anpassung an höhere Lagen wurde in ungestörten Gebieten identifiziert. Weitere Forschungen auf der Grundlage genomweiter Analysen und Feldexperimente, die sich auf die ungestörten lokalen, Gebiete konzentrieren, können weitere Einblicke in Anpassung, Durchmischung und Management liefern. Nachhaltige Bienenzucht und Beratungsdienste, die eine lokale Imkerei ohne Völkerhandel ermöglichen, werden zur Förderung der Imkerei und der genetischen Erhaltung beitragen
Collective action in crop-livestock farming systems : a case study from Burkina Faso
Get PDFTo end hunger and increase food security, substantial investments will be required. In sub-Saharan Africa, smallholder agricultural households have a major role to play. However, finding the right instruments to stimulate agricultural growth at the household level requires an accurate understanding of agrarian households behaviour. This thesis aimed to contribute to a better understanding of agrarian households, focusing on the institutional conditions shaping cooperation within polygynous households. Indeed, polygynous households are widespread in African societies, but their specific features are relatively neglected in the agricultural development literature. Moreover, the theory of collective action has, so far, been applied at the community-level, but rarely at the intra-household level. To address this knowledge gap, case studies of two ethnic communities, the Fulani and the Mossi, were conducted. The research explored the institutional arrangements shaping the allocation of resources within polygynous households and examined the structural conditions under which cooperation occurs.
The second chapter of this thesis reviews the discourse on agricultural households behaviour. Reviewing the empirical evidence, the chapter examines the adequacy of existing economic conceptualisations of agricultural households and their generalisability to West-African settings. Drawing on insights from anthropology and feminist perspectives, the chapter highlights the shortcomings of conventional household models, and the failure to consider gender and intergenerational relations of production.
The third chapter analyses the challenges underlying cooperation in agricultural households. The chapter uncovers the contractual arrangements shaping the allocation of resources for food production. Drawing on the natural resource management literature, the chapter examines how households members characteristics, including their socially accepted roles and responsibilities, shape their incentive structures and determine resource pooling.
Chapter 4 examines an essential determinant of collective action: trust. The chapter investigates the correlation between trust and productive and reproductive activities. The chapter makes an innovative methodological contribution to the study of cooperation, applying an experimental trust game to co-wives in polygynous households.
The critical review of the economic literature challenges the existing representations of agrarian households in sub-Saharan Africa. The review calls for a redefinition of the units of production and for cautious assessment of conventional economic theories. The review recommends a framework that encompasses the complexities and diversity of behaviour in agrarian households. Integrating theories from feminist and anthropological literature can support this endeavour.
Chapter 3 reveals that the contractual arrangements embedded in the rules and norms defining socially-accepted behaviour, influence the patterns of intrahousehold resource mobilisation and the likelihood of
cooperation among household members. Agricultural household members were found to pool, exchange or split resources based on their roles and positions within the household arena. Implicit monitoring and sanction systems were identified, which shape the incentive structures of agrarian household member and determine whether cooperation will occur.
The final chapter revealed that trust can mediate cooperation between co-wives, depending on the nature of the activity. No correlation was found between trust and co-wives likelihood to pool labour on individual plots. However, a strong correlation was identified between trust among co-wives and income pooling for food purchase, highlighting the importance of uncertainty and of existing norms on the outcomes of cooperation in agricultural households.
The thesis concludes that collective action in polygynous agrarian households does not occur in a vacuum. Rather, collective action is the outcome of several processes and mechanisms. Policymakers should be aware of these internal arrangements, and their implications for intra-household resource allocation. The success of agricultural policies depends on these considerations.Um den Hunger zu beenden und die Ernährungssicherheit zu erhöhen, sind erhebliche Investitionen erforderlich. In Subsahara-Afrika spielen landwirtschaftliche Kleinbauernhaushalte eine wichtige Rolle. Die Suche nach den richtigen Instrumenten zur Stimulierung des landwirtschaftlichen Wachstums auf Haushaltsebene erfordert jedoch ein genaues Verständnis des Verhaltens der Agrarhaushalte. Ziel dieser Arbeit war es, zu einem besseren Verständnis agrarischer Haushalte beizutragen, wobei der Schwerpunkt auf den institutionellen Bedingungen liegt, die die Zusammenarbeit in polygynen Haushalten prägen. Tatsächlich sind polygyne Haushalte in afrikanischen Gesellschaften weit verbreitet, aber ihre Besonderheiten werden in der Literatur zur landwirtschaftlichen Entwicklung relativ vernachlässigt. Darüber hinaus wurde die Theorie des kollektiven Handelns bisher auf Gemeindeebene, aber selten auf haushaltsinterner Ebene angewandt. Um diese Wissenslücke zu schließen, wurden Fallstudien zu zwei ethnischen Gemeinschaften, den Fulani und den Mossi, durchgeführt. Die Forschung untersuchte die Regeln und Normen, Ressourcenverteilung innerhalb polygyner
Agrarhaushalte prägen, und untersuchte die strukturellen Bedingungen, unter denen Kooperation stattfindet.
Das zweite Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit dem Diskurs über das Verhalten landwirtschaftlicher Haushalte. Das Kapitel überprüft die empirische Evidenz und untersucht die Angemessenheit bestehender ökonomischer Konzeptualisierungen landwirtschaftlicher Haushalte und ihre Verallgemeinerbarkeit auf westafrikanische Rahmenbedingungen. Das Kapitel stützt sich auf Erkenntnisse aus anthropologischer und feministischer Perspektive und beleuchtet die
Mängel herkömmlicher Haushaltsmodelle und die fehlende Berücksichtigung von Geschlechter- und generationsübergreifenden Produktionsverhältnissen.
Das dritte Kapitel analysiert die Herausforderungen, die der Zusammenarbeit in landwirtschaftlichen Haushalten zugrunde liegen. Das Kapitel deckt die vertraglichen Vereinbarungen auf, die die Zuweisung von Ressourcen für die Nahrungsmittelproduktion formen. Unter Bezugnahme auf die Literatur zum Management natürlicher Ressourcen untersucht das Kapitel, wie die Merkmale der Haushaltsmitglieder, einschließlich ihrer sozial akzeptierten Rollen und Verantwortlichkeiten, ihre Anreizstrukturen formen und die Ressourcenbündelung bestimmen.
Kapitel 4 untersucht eine wesentliche Determinante kollektiven Handelns: Vertrauen. Das Kapitel untersucht den Zusammenhang zwischen Vertrauen und produktiven und reproduktiven Aktivitäten. Das Kapitel leistet einen innovativen methodologischen Beitrag zur Erforschung von Kooperation, indem es ein experimentelles Vertrauensspiel auf Co-Ehefrauen in polygynen Haushalten anwendet.
Die kritische Überprüfung der wirtschaftswissenschaftlichen Literatur hinterfragt die bestehenden Darstellungen von Agrarhaushalten in Subsahara-Afrika. Die Überprüfung fordert eine Neudefinition der Produktionseinheiten und eine vorsichtige Bewertung herkömmlicher Wirtschaftstheorien. Die Überprüfung empfiehlt einen Rahmen, der die Komplexität und Vielfalt des Verhaltens in landwirtschaftlichen Haushalten umfasst. Die Integration von Theorien aus feministischer und anthropologischer Literatur kann dieses Bestreben unterstützen.
Kapitel 3 zeigt, dass die vertraglichen Vereinbarungen, die in die Regeln und Normen eingebettet sind, die sozial akzeptiertes Verhalten definieren, die Muster der haushaltsinternen Ressourcenmobilisierung und die Wahrscheinlichkeit beeinflussen
Zusammenarbeit unter den Haushaltsmitgliedern. Es wurde festgestellt, dass landwirtschaftliche Haushaltsmitglieder Ressourcen basierend auf ihren Rollen und Positionen innerhalb des Haushaltsbereichs zusammenlegen, austauschen oder aufteilen. Es wurden implizite Kontroll- und Sanktionssysteme identifiziert, die die Anreizstrukturen der agrarischen Haushaltsmitglieder prägen und über Kooperation entscheiden.
Das letzte Kapitel zeigte, dass Vertrauen je nach Art der Aktivität die Zusammenarbeit zwischen Co-Ehefrauen vermitteln kann. Es wurde keine Korrelation zwischen dem Vertrauen und der Wahrscheinlichkeit der Mitfrauen gefunden, die Arbeitskräfte auf einzelnen Parzellen zusammenzulegen. Es wurde jedoch eine starke Korrelation zwischen dem Vertrauen unter Co-Ehefrauen und dem Einkommenspooling für den Lebensmittelkauf festgestellt, was die Bedeutung von Unsicherheit und bestehenden Normen auf der
Ergebnisse der Zusammenarbeit in landwirtschaftlichen Haushalten.
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass kollektives Handeln in polygynen Agrarhaushalten nicht Vakuum stattfindet. Kollektives Handeln ist vielmehr das Ergebnis mehrerer Prozesse und Mechanismen. Politische Entscheidungsträger sollten sich dieser internen Vereinbarungen und ihrer Auswirkungen auf die haushaltsinterne Ressourcenallokation bewusst sein. Von diesen Überlegungen hängt der Erfolg der Agrarpolitik ab
Characterization of phosphate fertilizers recycled from biogas digestates and their influenceon plant-soil fertility indicators
Get PDFPhosphor (P) supply to plants is a key production factor for quantity and quality of food in agriculture. P consumption in modern agriculture has increased with raising world population. Mineral P fertilizer derived from Phosphate Rock (PR) mines is a limited resource on earth and large amounts of P used in agriculture are diluted by distribution into the environment, causing unwanted environmental side effects. Future oriented use of P therefore has to be based on technologies for P-recycling from the main anthropogenic product streams.
In this thesis, P recycling products from a pilot plant were investigated for their biological efficien-cy as fertilizer in comparison to a conventional mineral fertilizer triple superphosphate (TSP). Investigations were part of two research projects (BioEcosim & GOBi) that had the goal to develop scalable technology for a sustainable P recycling in agriculture. Inputs into the pilot plant were unprocessed pig manure, and on the other hand a biogas co-digestate from cow manure and maize. Outputs were salt precipitates (P-Salt) from the separated liquid fractions with high P content, and solid fractions dried by pyrolysis, air-drying or steam-drying with moderate P content and high organic carbon.
The objective of the work described here was the biological and agronomical investigation of the recycled fertilizer fractions for their potential to substitute a mineral fertilizer.
In a first step, the obtained fractions were chemically characterized for basic characteristics. Based on the P content of the recycled fertilizers, greenhouse pot experiments were set up to compare equivalent P concentrations of single doses and combinations, in different crops and soils, with TSP and an unfertilized control as reference. Fertilizers were applied once before the beginning of the vegetation phase at recommended field rates. Variables investigated were above ground plant biomass production, concentration, and content of P in shoots, and plant-available P in soil.
The characterization of the precipitated P rich fractions revealed that the composition of the P bound minerals was a mixture of magnesium ammonium phosphate (struvite) and calcium phosphates. Their total P content (circa 110 g/kg DM) was slightly lower than TSP (190 g/kg). The organic solids contained lower (circa 20 g/kg) but still significant amounts of P. All fractions dis-played a slightly alkaline pH in CaCl2, between 7 and 8.5.
In all experiments, single dosing with the recycled P-Salt fractions resulted in fertilizer effects on biomass growth similar or higher than the reference TSP. This result was found in all soils and crops investigated, indicating that the recycled P-Salt was an effective substitute for TSP. Under the conditions tested, three of the investigated crops, namely marigold, Chinese cabbage and ryegrass, did not develop P induced biomass increase at all, probably because the relevant growth phases were not covered or because the initial P concentrations in soil were already equal or above the optimum P concentration in soil. Highest effects were found in maize, a typical input crop for biogas plants.
The single dosing of the isolated solid fractions in two acidic soils, using maize and sunflower, resulted in an even higher biomass increase compared to TSP and P-Salt, whereas effects were generally lower in neutral soils. Steam-dried solids showed a tendency to be superior to air-dried and pyrolyzed solids.
When some combinations of solids with P-Salt were applied, biomass increased to an extent equal or higher than P-Salt or TSP alone. Effects were partly synergistic or additive, but never antagonistic. Different mixing techniques investigated resulted in only small differences in biomass increase.
A fertilizer induced increase of P concentration or content in the above ground plant biomass, dependent on the plant growth rate, was found in almost every tested crop. The results indicate that uptake of P from soil treated with recycled fertilizers occurred to the same extent than with TSP, independent from the individual growth rate.
Plant available P in soil, detected as CAL-P, was increased by all fertilizer fractions compared to untreated controls. This suggests that the chemical composition of the recycled P fertilizers was favorable for a high release of plant available P in soil and underlines the high technical quality of the established manufacturing processes.
Overall, the results indicate that P fertilizers recycled from unprocessed manure or biogas plant digestates can be used as an adequate substitute for mineral P fertilizer in a range of different crops and soils.
Confirmation of the results in the field and adoption to actual crop-soil-climate situations will be needed for practical use in agriculture. A detailed sustainability evaluation, taking into account all input and output parameters, will help to assess the practical use, applicability and value of the described recycling process.Die Versorgung von Pflanzen mit Phosphor (P) ist ein wesentlicher Produktionsfaktor für die Quantität und Qualität von Nahrungsmitteln in der Landwirtschaft. Der P-Verbrauch in der modernen Landwirtschaft hat mit steigender Weltbevölkerung zugenommen. Mineralischer P-Dünger aus natürlich vorkommenden Phosphat-Erzen (engl. Phosphate Rock, PR) ist eine global be-grenzte Ressource und große Mengen des in der Landwirtschaft verwendeten P werden in die Umwelt ausverdünnt, was zu unerwünschten Nebenwirkungen in der Umwelt führt. Eine zu-kunftsorientierte Verwendung von P muss daher auf Technologien zum P-Recycling aus den wichtigsten anthropogenen Produktströmen basieren.
In dieser Arbeit wurden P-Recyclingprodukte aus einer Pilotanlage auf ihre biologische Effizienz als Dünger im Vergleich zu einem konventionellen Mineraldünger Triple superphosphat (TSP) untersucht. Die Untersuchungen waren Teil zweier Forschungsprojekte (BioEcosim & GOBi), die zum Ziel hatten, skalierbare Technologien für ein nachhaltiges P-Recycling in der Landwirtschaft zu entwickeln. Inputs in die Pilotanlage waren einerseits unverarbeiteter Schweinedung, und zum anderen ein Biogas-Gärrest aus Kuhdung und Mais. Outputs waren Salz-Präzipitate (P-Salz) aus den abgetrennten flüssigen Fraktionen mit hohem P-Gehalt, sowie mittels Pyrolyse, Lufttrocknung oder Dampftrocknung getrocknete, feste Fraktionen mit mäßigem P-Gehalt und hohem organischem Kohlenstoff.
Ziel der hier beschriebenen Arbeiten war die biologische und agronomische Untersuchung der recycelten Düngemittelfraktionen auf deren Potential, als Ersatz eines Mineraldüngers dienen zu können.
In einem ersten Schritt wurden die erhaltenen Fraktionen chemisch auf grundlegende Kenngrößen charakterisiert. Basierend auf den Ergebnissen des P-Gehalts der recycelten Düngemittel wurden Topfexperimente im Gewächshaus durchgeführt, um äquivalente P-Konzentrationen von Einzeldosen und Kombinationen in verschiedenen Kulturen und Böden mit TSP und einer ungedüngten Kontrolle als Referenz zu vergleichen. Düngemittel wurden einmalig vor Beginn der Ve-getationsphase in empfohlenen Feldmengen ausgebracht. Untersuchte Variablen waren die Pro-duktion von Pflanzenbiomasse, Konzentration und Gehalt von P im Spross und pflanzenverfügbares P im Boden.
Die Charakterisierung der ausgefällten, P-reichen Fraktionen ergab, dass die Zusammensetzung der P-gebundenen Mineralien eine Mischung aus Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit) und Calcium-Phosphaten war. Ihr Gesamt-P-Gehalt (ca. 110 g/kg Trockenmasse (TM)) war etwas niedriger als der von TSP (190 g/kg). Die organischen Feststoffe enthielten geringere (ca. 20 g/kg TM), aber immer noch signifikante Mengen an P. Alle Fraktionen zeigten einen leicht alkalischen pH-Wert in CaCl2 zwischen 7 und 8,5.
In allen Experimenten führte die Einzeldosierung mit den recycelten P-Salz-Fraktionen zu Düngemitteleffekten auf das Biomassewachstum, die ähnlich oder höher waren als die der Referenz TSP. Dieses Ergebnis wurde in allen untersuchten Böden und Kulturen gefunden, was darauf hindeutet, dass das recycelte P-Salz ein wirksamer Ersatz für TSP war. Unter den getesteten Bedingungen entwickelten drei der untersuchten Kulturpflanzen, nämlich Ringelblume, Chinakohl und Weidelgras, überhaupt keinen P-induzierten Biomasseanstieg, wahrscheinlich weil die relevanten Wachstumsphasen nicht abgedeckt wurden oder die im Boden vorhandene Initialkonzentration schon im oder über dem Optimum lag. Die stärksten Effekte wurden bei Mais, einer typischen Input-Kultur für Biogasanlagen, festgestellt.
Die einmalige Dosierung der isolierten Feststoff-Fraktionen in zwei sauren Böden unter Mais und Sonnenblumen führte zu einer noch höheren Biomassezunahme im Vergleich zu TSP und P-Salz, während die Effekte in neutralen Böden im Allgemeinen geringer waren. Dampfgetrocknete Fest-stoffe zeigten tendenziell höhere Effekte im Vergleich zu luftgetrockneten und pyrolysierten Feststoff-Fraktionen.
Bei der Applikation von einigen Kombinationen von Feststoffen mit P-Salz nahm die Biomasse in einem Ausmaß zu, das vergleichbar oder höher war als das von P-Salz oder TSP allein. Die Effekte waren teilweise synergistisch oder additiv, aber nie antagonistisch. Unterschiedliche unter-suchte Mischtechniken ergaben nur geringe Unterschiede in der Biomassezunahme.
Ein durch Dünger induzierter Anstieg der P-Konzentration bzw. des P-Gehalts in der oberirdischen Pflanzen-Biomasse, abhängig von der Pflanzenwachstumsrate, wurde bei fast allen unter-suchten Kulturpflanzen festgestellt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aufnahme von P aus mit Recyclingdünger behandelten Böden unabhängig von der individuellen Wachstumsrate im gleichen Ausmaß erfolgte wie bei TSP.
Pflanzenverfügbares P im Boden, nachgewiesen als CAL-P, war durch alle Düngemittelfraktionen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen erhöht. Dies legt nahe, dass die chemische Zusam-mensetzung der recycelten P-Düngemittel eine hohe Freisetzung von pflanzenverfügbarem P im Boden begünstigt und unterstreicht die hohe technische Qualität der etablierten Herstellungsverfahren.
Die Ergebnisse zeigen, dass P-Düngemittel, die aus unverarbeitetem Dung oder Biogasanlagen-Gärresten recycelt werden, als adäquater Ersatz für mineralischen P-Dünger in einer Reihe ver-schiedener Kulturen und Böden verwendet werden können.
Für den praktischen Einsatz in der Landwirtschaft ist eine Bestätigung der Ergebnisse im Feld und eine Anpassung an die tatsächlichen Pflanzen-Boden-Klima-Situationen erforderlich. Eine detaillierte Nachhaltigkeitsbewertung unter Berücksichtigung aller Input- und Output Parameter wird dabei hilfreich sein, den praktischen Nutzen, die Anwendbarkeit und den Wert des beschrie-benen Recyclingverfahrens zu beurteilen
The impact of agrivoltaics on crop production
Get PDFFacing the consequences of global warming and climate change, the reduction of greenhouse gas emissions is one of the most prior tasks of todays society and policymakers. To achieve this, energy generation is currently transformed towards a reduced utilization of fossil fuels and its replacement through an increased expansion of renewable energy sources. In this context, one challenge will be to spare land resources and diminish potential land use conflicts, in particular between food and energy production. An approach to accomplish this, can be the utilization of production-integrated technologies such as agrivoltaic systems (AV). Agrivoltaic systems are photovoltaic systems specifically adapted for its application in combination with agricultural production. For this, AV systems are installed above or on agricultural fields with certain technical adaptions, enabling agricultural production to be continued. First described in 1981, this approach was taken up in the early 2000s with first AV pilot systems being developed. In first experiments in South-France it has been shown, that through the combined utilization of agricultural land for food and energy production, AV can contribute to an increment of total land productivity. While electrical yields can be increased with an increasing density of the photovoltaic modules mounted above, the proportion of light available for the plants grown underneath and consequently also agricultural yields are reduced.
The aim of the present work was to examine, whether the results from these first experiments on crop production under AV can also be transferred to conditions in more moderate climates and also account for crops other than the so far investigated ones. The following four research objectives were defined: 1.) To what extent is plant-available radiation reduced by the solar panels of the AV system? 2.) How does this effect parameters of aerial and soil climate? 3.) How do the cultivated crops respond to the altered cropping conditions with regard to plant growth and development? 4.) Which consequences does this have regarding the yields and the chemical composition of the investigated crop-species?
In order to examine these research objectives, a field experiment has been established underneath an experimental AV pilot facility in Southwest-Germany, near Lake Constance. Four different types of crops (grass clover, potatoes, celery and winter wheat) have been selected and cultivated underneath the AV system and on an adjacent reference area for comparison within a two-year experiment. Various microclimatic parameters were recorded in a high-resolution monitoring including all investigated crops on both sites. Crop growth and development was monitored in regular intervals during vegetation period. The harvestable yields of both experimental sites, including crop-specific yield components, were recorded and partially supplemented with an analysis of chemical compounds.
The results show, that crop production under an APV system is affected in several ways. Under the given climatic conditions, losses in harvestable yields as a consequence of a reduction of crop-available radiation are most likely. Exceptional years such as 2018 suggest however, that cultivation under AV can have advantages for crop production, in particular under dry and hot climatic conditions. In order to fully exploit this potential, the application of the APV thus seems to be most suitable for more dry climatic regions, whereby innovations and developments in AV technology as well as an improved water management can facilitate a further optimization. Regardless of this, potential conflicts of interest with regard to land use cannot be ruled out and require the integration of agrivoltaics in the existing legislation.Um der Erderwärmung und dem damit einhergehenden Klimawandel entgegen zu wirken, ist die Reduktion der Treibhausgasemissionen eines der vordringlichsten Ziele der aktuellen politischen Zielsetzung und zugleich gesamtgesellschaftliche Aufgabe. Als ein Baustein zum Erreichen dieses Ziels wird die Energieerzeugung sukzessive durch eine reduzierte Nutzung fossiler Energieträger und einen zugleich verstärkten Ausbau erneuerbarer Energiequellen umgestellt, um langfristig zu einer Reduktion der Treibhausgasemissionen beizutragen. Eine Herausforderung hierbei ist, die mit diesem Ausbau einhergehenden Flächenverluste auf ein Mindestmaß zu reduzieren und mögliche Flächenkonflikte, insbesondere zwischen Energieund Nahrungsmittelproduktion, zu vermindern. Eine mögliche Maßnahme, um dies auch auf landwirtschaftlichen Flächen zu erreichen, kann die Nutzung produktionsintegrierter Technologien wie der Agri-Photovoltaik (APV) sein. Die Agri-Photovoltaik beschreibt speziell entwickelte Photovoltaikanlagen, welche über oder auf landwirtschaftlichen Nutzflächen installiert werden und durch spezifische technische Modifikationen eine Weiterführung der landwirtschaftlichen bzw. ackerbaulichen Produktion unter der Anlage ermöglichen. Erstmals im Jahr 1981 beschrieben, wurde dieser Ansatz Anfang der 2000er Jahre aufgegriffen und erste APV-Pilotanlagen entwickelt. In ersten Versuchen in Südfrankreich konnte dabei gezeigt werden, dass durch die kombinierte Nutzung der landwirtschaftlichen Flächen für die Energieund Nahrungsmittelproduktion, die APV zu einer Steigerung der Flächenproduktivität beitragen kann. Während die Stromerträge mit steigender Dichte der Photovoltaikmodule zunahmen, sanken zugleich der Anteil des für die Pflanzen verfügbaren Lichts und damit auch die landwirtschaftlichen Erträge.
Ziel der vorliegenden Arbeit war zu untersuchen, wie sich diese Ergebnisse aus ersten Anbauversuchen unter APV-Anlagen auch auf die Anbaubedingungen in gemäßigteren Klimaten sowie auf weitere landwirtschaftliche Kulturen übertragen lassen. Die folgenden vier Versuchsfragen wurden definiert: 1.) In welchem Umfang wird die pflanzenverfügbare Sonneneinstrahlung durch die Solarpanele der APV-Anlage reduziert? 2.) Inwiefern werden dabei auch luft- und bodenklimatische Parameter beeinflusst? 3.) Wie reagieren die angebauten Kulturarten auf die veränderten Anbaubedingungen im Hinblick auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung? 4.) Welche Folgen hat dies auf die landwirtschaftlichen Erträge sowie die ausgewählten Qualitätsparameter? Zur Untersuchung dieser Versuchsfragen wurde im Jahr 2016 auf einer Praxisfläche ein landwirtschaftlicher Feldversuch unter einer APV-Pilotanlage im Südwesten Deutschlands, Nahe des Bodensees, angelegt. Um die Auswirkungen auf verschiedene Kulturarten zu untersuchen, wurden für den Versuch vier verschiedene Kulturarten (Kleegras, Kartoffeln, Sellerie und Winterweizen) ausgewählt und in zwei Versuchsjahren unter der Anlage sowie aufeiner nahegelegenen Vergleichsfläche ohne APV-Anlage angebaut. In einem engmaschigen, alle Kulturen auf beiden Flächen umfassenden Monitoring wurden verschiedene mikroklimatische Parameter erfasst. Die Pflanzenentwicklung wurde während der Vegetationsperiode in regelmäßigen Abständen bonitiert. Auf beiden Versuchsflächen wurden die Ernteerträge und kulturspezifische Ertragsparameter erfasst und in Teilen durch eine Analyse der Inhaltsstoffe ergänzt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die APV-Anlage einen deutlichen Einfluss auf die Bewirtschaftung unter der Anlage hat. Unter den gegebenen klimatischen Bedingungen sind dabei Ertragseinbußen infolge der verminderten Sonneneinstrahlung am wahrscheinlichsten. Ausnahmejahre wie das Jahr 2018 zeigen jedoch, dass der Anbau unter einer Anlage insbesondere unter trockenen und heißen Bedingungen Vorteile für die pflanzenbauliche Nutzung haben kann. Um dieses Potential voll auszuschöpfen bietet sich die Anwendung der APV insbesondere für trockenere Klimaregionen an, wobei eine Weiterentwicklung der APVTechnik sowie ein verbessertes Wassermanagement dazu beitragen können, dieses weiter zu optimieren. Ungeachtet dessen sind etwaige Zielkonflikte im Hinblick auf die Flächennutzung nicht auszuschließen und bedürfen der expliziten Regelungen zur Agri-Photovoltaik in der vorhandenen Gesetzgebung
Tradition und Erneuerung durch Nachfolge : wie Familienunternehmen ihr langfristiges Bestehen sicherstellen können
Get PDFFamilienunternehmen besitzen ein unternehmerisches Erbe. Das sind die gemeinsamen Ansichten in Bezug auf das Unternehmertum. Diese Ansichten entstehen durch Prägungen, die Familien im Laufe der Firmengeschichte gesammelt haben. Das unternehmerische Erbe von Familienunternehmen beeinflusst deren Fähigkeit, gleichzeitig Bestehendes zu verbessern und Neues zu erkunden (Ambidextrie). Unsere empirische Studie zeigt: Erstens fördert die intergenerationale Übertragung des unternehmerischen Erbes die Ambidextrie von Familienunternehmen. Zweitens begünstigen Nachfolgeprozesse, die für ein unternehmerfreundliches Umfeld sorgen, die organisationale Ambidextrie stärker, wenn eine Übertragung des unternehmerischen Erbes stattfindet. Drittens werden negative Auswirkungen des familiären Zusammenhalts auf die organisationale Ambidextrie abgeschwächt, wenn Nachfolger und Nachfolgerinnen ein ausgeprägtes unternehmerisches Erbe besitzen
Exploiting novel strategies for the production of surfactin in Bacillus subtilis cultures
Get PDFBiosurfactants are synthesized by various microorganisms. These surface-active molecules are a promising alternative to petrochemically and oleochemically produced surfactants. Advantageously, biosurfactants are reported to be better biodegradable and less toxic. The cyclic lipopeptide surfactin synthesized by Bacillus subtilis displays one interesting biosurfactant. Many studies report on the outstanding physico-chemical characteristics and add on benefits such as antimicrobial properties. Hence, surfactin has the potential to be used in a variety of industrial sectors. Nevertheless, processes ensuring both robustness and high titers are rare, especially as conventional aerobic bioreactor cultivations share one major disadvantage, namely excessive foaming. To approach industrial processes, different methods are applied, which can be categorized in three practices. These are (1) media and process parameter optimization, (2) strain engineering, and (3) investigating novel process strategies. For the latter category, the anaerobic growth by nitrate respiration poses an interesting foam-free alternative. In this sense, the anaerobic cultivation of B. subtilis to produce surfactin coupled with the three afore mentioned practices was addressed in this thesis targeting at a foam-free surfactin production process.
In the 1st publication, the genome reduced strain B. subtilis IIG-Bs20-5-1, a derivative of the laboratory strain 168 able to synthesize surfactin, was evaluated with respect to its suitability as surfactin producer at various temperatures under both aerobic and anaerobic conditions. It was hypothesized that a deletion of 10% of the genome, e.g., non-essential genes synthesizing prophages or the antibiotic bacilysin, saves metabolic resources and hence results in increased surfactin titers. Strains B. subtilis JABs24, a 168 derivative able to synthesize surfactin but without genome reduction, and the surfactin producer B. subtilis DSM 10T served for comparison. Although strain IIG-Bs20-5-1 was superior regarding specific growth rate µ and biomass yield YX/S, the strain was inferior with respect to surfactin titers, product related yields YP/S and YP/X, and specific productivity q. Indeed, compared to others in literature described strains, B. subtilis JABs24 was emphasized as promising target strain for further process development, reaching high surfactin titers of 1147 mg/L aerobically and 296 mg/L anaerobically as well as exceptionally high product yields YP/X under anaerobic conditions.
Accordingly, iterative process optimization was hypothesized to improve anaerobically achieved surfactin titers. However, several aspects to consider of anaerobic growth of B. subtilis by nitrate respiration were described in the 2nd publication. Amongst others, increasing ammonium concentrations, resulting from nitrate reduction to ammonium via nitrite, were shown to have no impact on growth of strain JABs24, but surfactin titers and expression of nitrate reductase promoter PnarG were reduced. Nitrite was shown to peak within the first hours of cultivation and concentrations up to 10 mmol/L resulted in prolonged lag-phases. Moreover, acetate accumulated drastically during the time course of cultivation independent of glucose availability, thus decreasing the glucose flux into biomass. Acetate additionally influenced both specific growth rate µ and PnarG expression negatively. Concluding, the general feasibility of anaerobic fed-batch cultivations to synthesize surfactin was shown, but several aspects must be addressed in future works to make this strategy an equated process with aerobic cultivations.
In the 3rd publication, a self-inducible surfactin synthesis process was presented where expression of the surfactin operon in B. subtilis JABs24 was induced under oxygen limited conditions. The native promoter of the srfA operon PsrfA was replaced by anaerobically inducible nitrate reductase promoter PnarG and nitrite reductase promoter PnasD. Shake flask cultivations with varying oxygen availabilities demonstrated that both PnarG and PnasD can serve as auto-inducible promoters. At high oxygen availability, surfactin was not produced in the promoter exchange strains. At lowest oxygen availability, the strain carrying PnarG reached lower surfactin titers than the native JABs24 strain, although expression levels of PnarG and PsrfA were similar. However, strain B. subtilis MG14 with PsrfA::PnasD reached 1.4-fold higher surfactin titers with 696 mg/L and an exceptionally high YP/X of 1.007 g/g with overall lower foam levels. Though, bioreactor cultivations have illustrated that the anaerobic induction must be performed slowly as to avoid cell lysis, resulting in so-defined aerobic-anaerobic switch processes. With further appropriate process optimization, a simple and robust surfactin production process with highly reduced or even no foam formation can be achieved employing strain B. subtilis MG14.Biotenside, werden von verschiedenen Mikroorganismen synthetisiert und stellen eine Alternative zu petrochemisch und oleochemisch hergestellten oberflächenaktiven Molekülen dar. Biotenside weisen eine bessere biologische Abbaubarkeit auf und besitzen eine geringere Toxizität. Ein interessantes Biotensid ist das von Bacillus subtilis gebildete zyklische Lipopeptid Surfactin. Dieses besitzt vielversprechende physikalisch-chemische Eigenschaften und wirkt zudem antimikrobiell. Daraus resultieren zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten im Lebensmittel-, Kosmetik-, Pharma-, Agrar- und Umweltbereich. Dennoch gibt es wenige in der Literatur beschriebene stabile Prozesse, in welchen hohe Surfactinkonzentrationen erreicht werden. Zudem sind konventionelle aerobe Kultivierungen von einer starken Schaumbildung geprägt. Optimierung von Medien- und Prozessparametern, Stammentwicklung und Untersuchung neuartiger Prozessstrategien stellen drei Ansätze dar, um industriell umsetzbare und lukrative Prozesse zu entwickeln. Die anaerobe Kultivierung von B. subtilis mittels Nitratatmung ist hierbei eine interessante schaumfreie Strategie, welche im Rahmen dieser Thesis die Grundlage bildete und weiter untersucht wurde.
In der 1. Publikation wurde B. subtilis IIG-Bs20-5-1, ein Stamm mit einer Genomreduzierung von 10 %, hinsichtlich seiner Eignung als Surfactinproduzent untersucht. Der nicht genomreduzierte Stamm B. subtilis JABs24 sowie B. subtilis DSM 10T dienten als Referenzen. Es wurden aerobe und anaerobe Kultivierungen bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Es wurde vermutet, dass eine Deletion von nicht-essenziellen Genen metabolische Ressourcen einspart und zu höheren Surfactinkonzentrationen führt. Der Stamm IIG-Bs20-5-1 war sowohl bei der Wachstumsrate µ als auch in der Biomasse-Ausbeute YX/S überlegen, wies aber geringere Surfactinkonzentrationen, produktbezogene Ausbeuten YP/S und YP/X, und spezifische Produktivitäten q auf. B. subtilis JABs24 wurde allerdings aufgrund seiner hohen Surfactinkonzentrationen, 1147 mg/L aerob und 296 mg/L anaerob, und der unter anaeroben Bedingungen vergleichsweise hohen Produktausbeuten YP/X als vielversprechender Produktionsstamm für weitere Entwicklungen identifiziert. Entsprechend sollten weitere Optimierungen auf Basis des anaeroben Wachstums mit B. subtilis JABs24 folgen, um diese Strategie zu aeroben Prozessen konkurrenzfähig zu machen.
Das anaerobe Wachstum mittels Nitratatmung hat allerdings einige Nachteile gegenüber aeroben Prozessen, welche in der 2. Publikation beschrieben wurden. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Nitratatmung steigende Ammoniumkonzentrationen keinen Einfluss auf das Wachstum von B. subtilis JABs24 haben, allerdings zu verringerten Expressionen des Promotors PnarG, welcher für die Nitratatmung essenziell ist, und Surfactinkonzentrationen führten. Nitrit reicherte sich kurzzeitig an und bis zu 10 mmol/L führten zu verlängerten Lag-Phasen. Unabhängig von den Glucoseverfügbarkeiten akkumulierte Acetat kontinuierlich. Es zeigte sich, dass steigende Acetatkonzentrationen sowohl die Wachstumsrate µ als auch die Promotorexpression von PnarG reduzierten. Die anaerobe Kultivierung ist somit eine interessante Prozessführung, jedoch müssen verschiedene Aspekte in zukünftigen Arbeiten untersucht werden, um diesen Prozess zu aeroben Kultivierungen konkurrenzfähig zu machen.
In der 3. Publikation wurde ein Prozess beschrieben, bei welchem die Surfactinsynthese in B. subtilis JABs24 durch sauerstofflimitierte Bedingungen induziert wird. Der native Promotor des srfA-Operons PsrfA wurde durch PnarG und PnasD ersetzt, welche unter anaeroben Bedingungen induziert werden. Kultivierungen mit variierendem Sauerstoffgehalt zeigten, dass PnarG und PnasD als autoinduzierbare Promotoren verwendet werden können. Bei hoher Sauerstoffverfügbarkeit wurde in den Promotoraustauschstämmen kein Surfactin detektiert. Bei niedrigsten Sauerstoffgehalten erreichte der Stamm mit PsrfA::PnarG Promotoraustausch geringere Surfactintiter als der native JABs24 Stamm, obwohl die Expressionslevel von PnarG und PsrfA ähnlich waren. B. subtilis MG14 mit PsrfA::PnasD erreichte dagegen 1,4-fach höhere Surfactinkonzentrationen von 696 mg/L und einen vergleichsweise hohen YP/X-Wert von 1,007 g/g. Bioreaktorkultivierungen zeigten zudem, dass die Induktion durch Sauerstoffreduktion über einen größeren Zeitraum durchgeführt werden muss, um eine Zelllyse zu vermeiden, was zu sogenannten aerob-anaeroben Switch-Prozessen führte. Mit weiteren Prozessoptimierungen kann unter Verwendung von B. subtilis MG14 ein einfacher und robuster Prozess mit stark reduzierter oder gar ohne Schaumbildung ermöglicht werden
The production of melezitose in honeydew and its impact on honey bees (Apis mellifera L.)
Get PDFHoneydew honey is a honey type which is of high economic importance in Europe. Phloem sap feeding insects of the order Hemiptera (true bugs) excrete honeydew, the key component of honeydew honey. Beekeepers move their hives between forest regions so that their bees can process the honeydew into honey. In case of high osmolality in the phloem sap of the hemipterans host trees, they counteract osmotic pressure by osmoregulation and produce oligosaccharides such as melezitose. Melezitose-rich honeydew honey is a major issue for beekeepers; it crystallises and obstructs the combs, leading to an economical loss. Nevertheless, precise analyses of the conditions of the occurrence of melezitose have not been realised. Furthermore, it is not known which impacts the trisaccharide has on honey bee health and the honeydew flow disease documented in beekeepers journals can have one explanation in the nutrition on melezitose.
In order to determine influence factors for the emergence of melezitose, more than 600 honeydew droplets from defined honeydew producer species were collected under different environmental conditions (hemipteran species (host tree specific), natural area, air temperature, relative humidity, altitude, time of the year and of the day) between 2016 and 2019. The sugar spectra were analysed by high performance anion exchange chromatography with pulsed amperometric detection. To obtain the impact of melezitose on honey bee health, additional feeding experiments with daily evaluation of food uptake, gut-body weight ratio and mortality have been realised between 2017 and 2019. Additionally, comprehensive 16S rRNA Illumina sequencing of the gut microbial community has been performed.
Remarkable differences could be found in the amount of melezitose between honeydew samples collected from different honeydew producer species and according to different environmental conditions. Air temperature increases and decreases in relative humidity increased the melezitose production in honeydew by the observed seven hemipteran species. Both, scale insect species on Picea abies and aphid species on Abies alba produced significantly less honeydew containing melezitose than aphid species on Picea abies. Additionally, honeydew with increased melezitose content was significantly more frequent collected in natural areas with limited water reservoir capacities, at higher altitudes and years with low precipitation. All results lead to the conclusion that hemipteran species produce more melezitose when the host trees have less access to water, increasing the osmolality of the phloem sap and indirectly enhancing the osmoregulation with producing melezitose by hemipteran species. Bees fed with melezitose showed increased food uptake and higher gut-body weight ratio than the control groups. Furthermore, melezitose feeding caused disease symptoms such as swollen abdomen, abdomen tipping and impaired movement and a significantly higher mortality than in control groups. Gut microbiota analyses indicated a shift of the bacterial species Lactobacillus Firm-4 and Lactobacillus kunkeei in favour of Lactobacillus Firm-5 in melezitose fed bees.
This PhD project provides the important knowledge about the indicators that point out an enhanced melezitose production. This is a valuable contribution to design a warning system for beekeepers that will help to prevent harmful nutrition for honey bees or crystallised honey in the future by timely removal of bee colonies from local regions at risk. Additionally, feeding experiments point out the high effort that is required for the degradation process of the large-molecule melezitose. This effort might lead to a higher uptake of food, heavier guts, shorter lifespan and a higher susceptibility to intestinal diseases. Finally, an evidence was presented that the lactic acid bacteria of the gut microbiota are significantly involved in the digestion of melezitose.Honigtauhonig ist eine Honigsorte die in Europa eine hohe ökonomische Rolle spielt. Insekten der Ordnung Hemiptera (Schnabelkerfe) ernähren sich von Phloemsaft und scheiden den daraus entstehenden Honigtau wieder aus, welcher wiederum einen wesentlichen Bestandteil des Honigtauhonigs ausmacht. Imker versetzen ihre Bienenvölker zwischen den Waldregionen, sodass ihre Bienen den Honigtau in Honig weiterverarbeiten können. Bei einer hohen Osmolalität des Phloemsaftes der Wirtsbäume der Hemipteren, wirken diese dem osmotischen Druck durch Osmoregulation entgegen und produzieren Oligosaccharide wie Melezitose. Honigtauhonig mit einem hohen Anteil an Melezitose stellt eine große Problematik für Imker dar, da dieser schnell auskristallisiert und die Waben blockiert, welches zu ökonomischen Verlusten führt. Trotzdem ist bisher nicht präzise analysiert worden, unter welchen Bedingungen Melezitose bevorzugt produziert wird. Außerdem ist nicht bekannt was für Auswirkungen das Trisaccharid auf die Gesundheit von Honigbienen hat. Die Waldtrachtkrankheit, welche oft in Imkerzeitschriften dokumentiert wird, könnte unter anderem durch die Ernährung mit Melezitose erklärt werden.
Um den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf das Vorkommen von Melezitose zu ermitteln, wurden zwischen 2016 und 2019 mehr als 600 Honigtautropfen von bestimmten Honigtauerzeuger-Arten unter verschiedenen Umweltkonditionen gesammelt (Hemiptera Art (Wirtsbaum-spezifisch), Naturraum, Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Höhenmeter, Jahr, Monat und Tageszeit). Das Zuckerspektrum wurde mittels einer Ionenaustauschchromatographie mit pulsierter amperometrischer Detektion analysiert. Um die Auswirkungen von Melezitose auf die Gesundheit der Honigbiene zu testen, wurden zusätzlich zwischen 2017 und 2019 Fütterungsversuche durchgeführt, bei denen täglich die Futteraufnahme, das Darm-Körper-Gewichtsverhältnis und die Mortalität dokumentiert wurden. Zusätzlich wurden umfassende 16S rRNA Illumina Sequenzierungen der Darmbakteriengemeinschaft durchgeführt.
Zwischen den gesammelten Honigtauproben der verschiedenen Honigtauerzeugerarten gemäß den verschiedenen Umweltbedingungen konnten bemerkenswerte Unterschiede festgestellt werden. Lufttemperaturzunahmen und Abnahmen in der relativen Luftfeuchte erhöhten die Melezitoseproduktion im Honigtau durch die beobachteten sieben Hemiptera Arten. Abhängig von den verschiedenen Umweltfaktoren konnten beachtliche Unterschiede des Melezitosegehaltes im Honigtau verschiedener Honigtauerzeuger festgestellt werden. Höhere Lufttemperaturen und niedrige relative Luftfeuchte führten zu höherer Melezitoseproduktion innerhalb der Hemiptera Arten. Sowohl die Schildlausarten auf Picea abies als auch die Rindenlausarten auf Abies alba produzierten signifikant weniger Honigtau welcher Melezitose enthielt, als die Rindenlausarten auf Picea abies. Außerdem wurde Honigtau mit erhöhtem Melezitosegehalt signifikant häufiger in Naturräumen mit limitierenden Wasserspeicherkapazitäten, in größeren Höhen und in Jahren mit geringerem Niederschlag gesammelt. Alle Ergebnisse führen zu der Annahme, dass Hemiptera Arten mehr Melezitose produzieren, wenn die Wirtsbäume weniger Zugang zu Wasser haben, welches die Osmolalität ihres Phloemsaftes erhöht und damit indirekt die Osmoregulation mit der Produktion von Melezitose durch die Hemiptera Arten begünstigt. Bienen, die mit Melezitose gefüttert wurden, zeigten eine höhere Futteraufnahme und ein höheres Darm-Körper Gewichtsverhältnis als die Kontrollgruppen. Des Weiteren führte das Füttern mit Melezitose zu Krankheitssymptomen wie geschwollenen Abdomen, Abdomen tippen, einer erschwerten Fortbewegung und einer signifikant höheren Mortalität als in den Kotrollgruppen. Die Darmbakterienanalysen ergaben eine Verschiebung der Bakterienart Lactobacillus Firm-4 und Lactobacillus kunkeei zugunsten von Lactobacillus Firm-5 in Bienen, die mit Melezitose gefüttert wurden.
Diese Dissertation liefert wichtige Information über die Indikatoren für eine begünstigte Melezitoseproduktion. Dies ist ein wertvoller Beitrag für den Aufbau eines Warnsystems für Imker, welches helfen wird, schädliche Ernährung für Honigbienen oder kristallisierten Honig zu vermeiden, indem die Bienenkolonien rechtzeitig von den lokalen Risikoregionen entfernt werden. Des Weiteren zeigen die Fütterungsversuche den hohen Aufwand, der von den Bienen benötigt wird, um das große Molekül Melezitose abzubauen. Dies kann zu einer höheren Futteraufnahme, schwereren Därmen, kürzeren Lebensdauer und einer höheren Anfälligkeit für Darmkrankheiten führen. Schlussendlich wurde der Nachweis erbracht, dass die Milchsäurebakterien der Darmmikrobiota signifikant an der Verdauung von Melezitose beteiligt sind
