2013 research outputs found
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Genetic architecture of quality traits in wheat
Get PDFQuality traits in wheat are of great importance, as they are required for the production of a wide range of food products. In Europe, bread wheat (Triticum aestivum ssp. aestivum) for human consumption is primarily used in pastries. For durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum) that is used almost exclusively for pasta production, quality traits are at least as important as in bread wheat. In Central Europe, the bread wheat subspecies spelt (Triticum aestivum ssp. spelta) is characterized by a different quality compared to bread wheat. In addition, it is produced for a niche market with a particular focus on the final product quality. The high number of demanded quality traits of a wheat variety represents a great challenge for wheat breeders. Thus, knowledge about the genetic architecture and interrelation of quality traits is of high value for wheat breeding. Due to the long list of quality traits in wheat, we focused on currently important quality traits in each of the three wheat species.
In durum wheat, I was interested in traits with a high importance for durum millers and pasta producers. The protein content and the sedimentation volume are of high importance for pasta producers as they influence the firmness of cooked pasta, better known as al dente. A low falling number may lead to brown instead of light yellow pasta, which goes back to an increased maillard reaction during pasta production and drying. The vitreousity, representing the glassy appearance of durum grains, and the thousand kernel mass influence the semolina yield and are therefore of great interest for durum millers. In the genome-wide association mapping, I identified several putative QTL for these quality traits. For the sedimentation volume, a genomic region on chromosome 1B appeared to be important. A BLAST search against the reference genomes of emmer and bread wheat revealed the Glu-B3 gene as a likely candidate. For vitreousity, genomic regions on chromosome 7A explained a larger proportion of the genotypic variance. One of these QTL, possibly related to the Pinb-2 locus, also slightly influenced the protein content. Thus, this genomic region might be a genomic reason for the positive correlation between vitreousity and protein content. For TKM we detected a putative QTL, which explained a large proportion of the genetic variance, but could not be attributed to a known gene. Besides a good performance for quality traits, a modern durum wheat variety should be complemented by a good agronomic performance, in particular a high grain yield. This poses a great challenge for plant breeders, since grain yield and protein content are negatively correlated. With regard to simultaneously improving grain yield and protein content, the protein yield or the grain protein deviation (GPD) were proposed. We evaluated those and further selection indices for their potential to be utilized for the simultaneous improvement of grain yield and protein content. Our results indicated that a simultaneous improvement of the two traits grain yield and protein content by means of an index seems possible. However, its efficiency largely depends on the weighting of the single traits. The selection for a high GPD would mainly increase the protein content whereas a selection based on protein yield would mainly improve the grain yield. Nevertheless, a combination of different indices allows balancing this selection. Compared to the primary traits grain yield and protein content, the selection indices did not essentially differ in the complexity of their genetic architecture.
In bread wheat, we focused on the acrylamide precursor asparagine. Acrylamide is formed in potentially harmful concentrations when cereals are treated with high temperatures over a long period during the processing to food products. A promising strategy to reduce the acrylamide formation would be to decrease the precursors in the raw material. The wide range of variation for asparagine content showed that variety selection might have a large influence on the occurrence of acrylamide in the final product. In addition, the moderately high heritability suggested that successful breeding for lower asparagine content is possible. This conclusion is supported by the observation of no strong negative correlations between asparagine content and a number of other important traits. The genome-wide association mapping resulted in the detection of eight putative QTL, which jointly explained 78.5% of the genetic variance. A putative QTL on chromosome 7B explained with, 18.4%, the highest proportion of the genetic variance for a single marker.
For spelt wheat, we assessed a high number of quality traits but placed a special emphasis on the flavor and odor of bread produced from 30 different varieties. Interestingly, we observed a significant genetic variation for bread flavor and a heritability estimate of moderate magnitude. This suggests that even for bread flavor a successful selection appears possible.
Taken together, for most traits the genome-wide association mapping resulted in the detection of a high number of putative QTL. This indicates a complex genetic architecture, typical for predominantly quantitatively inherited traits. However, few of the putative QTL explained a large proportion of the genetic variance, so that they might have the potential to be used in marker-assisted selection. In order to examine the potential of genomic selection, I performed a five-fold cross validation for the different quality traits. I could confirm previous findings that the integration of QTL information as fixed effects in the genomic prediction model increased the prediction abilities considerably. The average prediction abilities for most traits suggested a high potential for genomic selection in breeding programs.
In conclusion or results form a good basis for further research but more importantly already deliver valuable knowledge that can be used as guideline to advance wheat breeding programs for improved quality.Da Weizen zur Herstellung einer Reihe von unterschiedlichsten Lebensmittel dient, sind Qualitätsmerkmale von großer Wichtigkeit. Brotweizen (Triticum aestivum ssp. aestivum) wird in Europa in der menschlichen Ernährung vornehmlich zur Herstellung von Gebäck verwendet. Bei Durumweizen (Triticum turgidum ssp. durum), der fast ausschließlich zur Herstellung von Lebensmitteln, insbesondere Nudelprodukten, verwendet wird, ist die Bedeutung von Qualitätsmerkmalen mindestens genauso groß wie bei Brotweizen. In Mitteleuropa zeichnet sich die Weizenunterart Dinkel (Triticum aestivum ssp. spelta) im Vergleich zu Brotweizen durch eine besondere Qualität aus. Die Herstellung von Dinkelprodukten beschränkt sich auf einen Nischenmarkt, welcher sich durch ein besonderes Augenmerk auf die Qualität des Endprodukts auszeichnet. Für Weizenzüchter stellt die große Anzahl an Qualitätsmerkmalen, die eine Weizensorte erfüllen sollte, eine große Herausforderung dar. Aus diesem Grund erweist sich Wissen über die genetische Architektur und die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Qualitätsmerkmalen als sehr wertvoll für die Weizenzüchtung. Aufgrund der großen Anzahl an Qualitätsmerkmalen bei Weizen, konzentrierte ich mich je nach Weizenart auf eine Auswahl von aktuell wichtigen Qualitätsmerkmalen.
Beim Durumweizen lag mein Interesse bei Merkmalen mit einer großen Relevanz für Durum-Müller und Nudelhersteller. Der Proteingehalt und das Sedimentationsvolumen sind von großer Bedeutung für Nudelhersteller, da diese die Formstabilität, besser bekannt als al dente, der gekochten Nudeln beeinflussen. Eine niedrige Fallzahl kann zu braunen statt hellgelben Nudeln führen. Bedingt wird dies durch eine verstärkt ablaufende Maillard-Reaktion während der Nudelherstellung und Trocknung bei niedrigen Kornfallzahlen. Die Glasigkeit der Körner und die Tausendkornmasse gelten als Einflussfaktoren auf die Griesausbeute und sind damit besonders wichtig für Durum-Müller. In der Genom-weiten Assoziationskartierung identifizierte ich eine große Zahl potenzieller QTL. Für das Sedimentationsvolumen stellte sich eine genetische Region auf Chromosom 1B als bedeutend heraus. Eine BLAST (engl. für Basic Local Alignment Search Tool) Recherche gegenüber den Referenz Genomen von Wild Emmer und Brotweizen deutete auf das Glu-B3 als wahrscheinliches Kandidaten-Gen hin. Bei der Glasigkeit erklärten genetische Regionen auf Chromosom 7A einen größeren Anteil der genetischen Variation. Für einen dieser QTL, der auch einen leichten Einfluss auf den Proteingehalt hatte, deutete die BLAST Recherche auf einen möglichen Zusammenhang mit dem Pinb-2 Gen hin. Folglich könnte diese genetische Region einen Grund für den positiven Zusammenhang zwischen Glasigkeit und Proteingehalt liefern, den man bisher aus rein phänotypischen Studien kannte. Für die TKM identifizierte ich einen weiteren QTL, der einen großen Anteil der genetischen Variation erklärte, aber keinem bisher bekannten Gen zugeordnet werden konnte. Neben einer guten Leistung in den Qualitätsmerkmalen sollte eine moderne Durumweizensorte auch eine gute agronomische Leistung aufweisen, insbesondere einen hohen Kornertrag. Das stellt eine große Herausforderung für Züchter dar, da der Kornertrag und der Proteingehalt negativ korreliert sind. Zur gleichzeitigen Verbesserung von Kornertrag und Proteingehalt wurden der Proteinertrag oder die Korn Protein Abweichung (GPD) vorgeschlagen. Wir werteten diese und weitere Selektion-Indices bezüglich ihres Potenzial zur gleichzeitigen züchterischen Verbesserung von Kornertrag und Proteingehalt aus. Unsere Ergebnisse deuteten darauf hin, dass eine erfolgreiche Selektion anhand der Selektions-Indices möglich ist. Jedoch hängt ihre Wirkung stark von der Gewichtung der beiden Ausgangsmerkmale ab. Eine Selektion auf eine hohe GPD würde hauptsächlich zu einem Anstieg im Proteingehalt führen, während eine Selektion auf den Proteinertrag besonders zu einer Verbesserung des Kornertrags führen würde. Nichtsdestotrotz erlaubt eine Kombination der unterschiedlichen Indices eine ausgeglichene Selektion. Im Vergleich zu den Ausgangsmerkmalen unterschieden sich die Selektions-Indices jedoch nicht maßgeblich in der Komplexität der genetischen Architektur.
Beim Brotweizen haben wir ein völlig neues Qualitätsmerkmal betrachtet, den Acrylamid-Vorläufer Asparagin. Acrylamid entsteht in potenziell krebserregenden Mengen, wenn Getreide während der Nahrungsmittelherstellung über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Ein vielversprechender Ansatz, um die Acrylamid-Bildung zu reduzieren, ist die Absenkung des Asparagingehalts bereits im Rohmaterial. Die große Variation des Asparagingehalts verdeutlichte, dass bereits die Auswahl geeigneter Sorten zu einer deutlichen Reduzierung von Acrylamid in Endprodukten beitragen könnte. Darüber hinaus lässt eine moderate Heritabilität auf einen möglichen Zuchterfolg für niedrige Asparagingehalte schließen. Auch korrelierte der Asparagingehalt nicht negativ mit anderen wichtigen Merkmalen bei Weizen, was eine erfolgreiche Züchtung erschweren würde. In der Genom-weiten Assoziationskartierung registrierten wir acht potenzielle QTL, die zusammen 78.5% der genetischen Variation erklärten. Ein QTL auf Chromosom 7B erklärte als einzelner Marker mit 18.4% den größten Anteil an der genetischen Variation.
Für Dinkel untersuchte ich eine große Anzahl an Qualitätsmerkmalen, legte aber einen Schwerpunkt auf zwei bisher in der Qualitätsbewertung und -züchtung nicht beachteter Merkmale, nämlich den Geschmack und den Geruch von Broten. Interessanterweise beobachtete ich für den Brotgeschmack von 30 verschiedenen Dinkelsorten eine signifikante genetische Variation und eine Heritabilität mittleren Ausmaßes. Dies könnte sogar für den Brotgeschmack eine erfolgreiche Selektion bzw. Sortenwahl beim Bäcker ermöglichen.
Generell identifizierte ich bei der Genom-weiten Assoziationskartierung für die meisten der untersuchten Merkmale bei Durum- und Brotweizen eine größere Anzahl an QTL. Dies deutet auf eine komplexe genetische Architektur hin, die typisch für vorwiegend quantitativ vererbte Merkmale ist. Jedoch erklärten wenige der QTL einen großen Anteil der genetischen Variation, sodass diese möglicherweise in der Marker-gestützten Selektion eingesetzt werden könnten. Um das Potential von Genomischer Selektion zu untersuchen, führte ich für unterschiedliche Merkmale eine fünffache Kreuzvalidierung durch. Ich konnte vorhergehende Erkenntnisse bestätigen, dass eine Integration von QTL-Informationen als fixe Effekte in das genomische Vorhersagemodell zu einer deutlichen Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit beiträgt. Die durchschnittliche Vorhersagegenauigkeit deutete auf ein hohes Potential von Genomischer Selektion in Zuchtprogrammen hin
Individual information systems : design, use, and a negative outcome in the business and private domain
Get PDFDigitalization increasingly changes individuals business and private lives. Today, individuals build and use ever more complex individual information systems (IIS) composed of privately-owned and business-owned components. The COVID-19 pandemic has accelerated this development since individuals were forced to work from home due to the social distancing measures associated with the pandemic. The ongoing digitalization comes with great opportunities for individuals, such as higher mobility and flexibility, as well as for organizations, such as lower costs and increased productivity. However, the increased use of IIS at the workplace also bears risks for individuals. Such risks include technostress, which refers to stress that is caused by digital technologies. Technostress, in turn, can lead to health-related issues, reduced productivity, and higher turnover intentions. Thus, to leverage the positive opportunities of digitalization while reducing its associated risk of technostress, a better understanding of IIS, their use, and its effect on technostress, and of individual resources that may affect this relationship is needed.
The aim of this dissertation is threefold: First, to contribute to a better understanding of layers of IIS and their different components. Second, since a negative outcome of IIS use can be technostress, this dissertation seeks to advance knowledge on technostress creators and how they can be influenced by IIS use and by various IIS characteristics. Third, this dissertation aims to reveal which resources of individuals may help mitigate technostress. This dissertation uses quantitative methods, such as online surveys and structural equation modeling, and qualitative methods, such as literature analyses and semi-structured interviews. Thereby, the methodological focus lies on quantitative data collection and analysis, while some papers use a mixed-methods approach as a combination of quantitative and qualitative methods.
Chapter 2 of this dissertation aims at providing a better understanding of IIS by investigating its various components. Therefore, Chapter 2.1 conceptualizes four layers of IIS: devices, digital identities, relationships, and information. It also considers that IIS have two more or less integrated subsystems: the business information systems with business-owned components and the private information systems with privately-owned components. An empirical validation supports this conceptualization as well as the definition of integration between the two sub-systems on each of the four layers. Chapter 2.2 studies IT consumerization, which refers to the use of private IIS components in the business domain and applies a risk-benefit consideration. The results imply that benefits of consumerization of IT services, such as better functionalities of a private IT service outweigh risks, such as the threat of sanctions for the use of private IT services.
Chapter 3 focuses on technostress as a negative outcome of the increased IIS use. Chapter 3.1 analyzes how IT consumerization is related to the technostress creator unreliability of digital technologies. The results reveal a positive relationship between IT consumerization and unreliability and show that unreliability is perceived higher when the IT portfolio integration and the individuals computer self-efficacy are low. Chapter 3.2 proceeds with studying characteristics of digital technologies and how these are related to technostress. It presents ten characteristics that are associated with at least one technostress creator. Chapter 3.3 extends the concept of technostress and introduces a framework of twelve different technostress creators, reveals four second-order factors underlying the twelve technostress creators, and brings them into relation with work- and health-related effects.
Chapter 4 also deals with technostress and investigates resources to mitigate technostress. Chapter 4.1 focuses on organizational measures and finds different relationships of the investigated measures with different technostress creators. While some of the technostress creators can be inhibited by the implementation of organizational measures, others are found to be even intensified by the organizational measures. Chapter 4.2 focuses on social mechanisms that function as technostress inhibitors. Findings differ between technostress creators and the investigated social support dimensions. Furthermore, the results highlight the fact that some of the social support dimensions gain even greater importance in light of increasing telework.
In summary, this dissertation provides new insights into IIS and their use, the emergence of technostress in digitalized workplaces, and organizational as well as social mechanisms that help mitigate technostress. Hence, this dissertation supports current efforts in both research and practice to reduce technostress while leveraging the positive opportunities of workplace digitalization.Die Digitalisierung verändert unser berufliches und privates Leben zunehmend und hat dazu geführt, dass Individuen heute immer komplexere individuelle Informationssysteme (IIS) nutzen. Die COVID-19-Pandemie hat diese Entwicklung noch beschleunigt, da Beschäftigte durch Social-Distancing-Maßnahmen gezwungen waren, von zu Hause aus zu arbeiten. Die fortschreitende Digitalisierung der Arbeitswelt bringt sowohl für Individuen als auch für Organisationen große Chancen mit sich, wie höhere Mobilität und Flexibilität sowie geringere Kosten und eine gesteigerte Produktivität. Allerdings birgt die verstärkte Nutzung von IIS am Arbeitsplatz auch Risiken. Dazu gehört Technostress, also Stress, der durch digitale Technologien verursacht wird. Technostress wiederum kann zu gesundheitlichen Problemen, verringerter Produktivität sowie einer höheren Fluktuationsrate führen. Um die Chancen der Digitalisierung nutzen und gleichzeitig die Risiken des Technostresses reduzieren zu können, ist ein besseres Verständnis über IIS, deren Nutzung und deren Auswirkung auf Technostress erforderlich sowie darüber, welche individuellen Ressourcen diesen Zusammenhang beeinflussen.
Die vorliegende Dissertation verfolgt drei Ziele: Erstens soll zu einem besseren Verständnis über IIS und deren Komponenten beigetragen werden. Zweitens soll das Wissen über Auslöser von Technostress erweitert werden sowie darüber, wie Technostress durch die Nutzung von IIS und durch verschiedene IIS-Charakteristika beeinflusst werden kann. Drittens strebt die Dissertation an, aufzuzeigen, welche Ressourcen helfen, Technostress zu verringern. Zu diesem Zweck werden quantitative Methoden (z.B. Online-Befragungen und Strukturgleichungsmodellierung) und qualitative Methoden (Literaturanalysen und semi-strukturierte Interviews) eingesetzt. Der methodische Schwerpunkt liegt dabei auf der quantitativen Datenerhebung und -analyse, wobei teilweise ein Mixed-Methods-Ansatz als Kombination quantitativer und qualitativer Methoden verwendet wird.
Kapitel 2 zielt auf ein besseres Verständnis über IIS und deren verschiedene Komponenten ab. Dafür werden in Kapitel 2.1 vier Ebenen eines IIS konzeptualisiert: Devices, Digital Identities, Beziehungen und Informationen. Zudem berücksichtigt die Konzeptualisierung, dass ein IIS aus zwei mehr oder weniger integrierten Subsystemen besteht: dem beruflichen und dem privaten Informationssystem. Eine empirische Validierung unterstützt die Konzeptualisierung sowie die Definition der Integration zwischen den Subsystemen auf jeder der vier Ebenen. Kapitel 2.2 analysiert IT-Consumerization also die Nutzung privater IIS-Komponenten im beruflichen Kontext. Die Ergebnisse zeigen, dass der relative Nutzen, wie z.B. bessere Funktionalitäten des privaten IT-Services, die wahrgenommenen Risiken, wie z.B. die Androhung von Sanktionen für die Nutzung privater IT-Services, überwiegt.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit Technostress als negativer Folge der verstärkten IIS-Nutzung. In Kapitel 3.1 wird analysiert, wie IT-Consumerization mit dem Belastungsfaktor Unzuverlässigkeit digitaler Technologien zusammenhängt. Die Ergebnisse zeigen einen positiven Zusammenhang, der noch stärker wahrgenommen wird, wenn die IT-Portfolio-Integration und die Computer-Selbstwirksamkeit des Individuums niedrig sind. Kapitel 3.2 untersucht Charakteristika digitaler Technologien und deren Zusammenhang mit Technostress. Es werden zehn Charakteristika gesammelt, die mit mindestens einem digitalen Belastungsfaktor zusammenhängen. Kapitel 3.3 erweitert das Technostress-Konzept und präsentiert zwölf digitale Belastungsfaktoren. Zudem werden vier Faktoren aufgedeckt, die den zwölf Belastungsfaktoren zugrunde liegen, und mit arbeits- und gesundheitsbezogenen Folgen in Zusammenhang gebracht.
Kapitel 4 untersucht Ressourcen, die helfen können, Technostress zu mindern. Kapitel 4.1 untersucht organisatorische Maßnahmen und findet unterschiedliche Zusammenhänge der untersuchten Maßnahmen mit verschiedenen digitalen Belastungsfaktoren. Während einige der Belastungsfaktoren durch die organisatorischen Maßnahmen gehemmt werden, werden andere sogar verstärkt. Kapitel 4.2 untersucht soziale Mechanismen, die Technostress verringern können. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Auswirkungen der untersuchten Dimensionen sozialer Unterstützung auf die digitalen Belastungsfaktoren. Darüber hinaus wird deutlich, dass einige der Dimensionen sozialer Unterstützung angesichts der zunehmenden Arbeit von zuhause eine noch größere Bedeutung erlangen.
Zusammenfassend liefert die vorliegende Dissertation neue Erkenntnisse über IIS und deren Nutzung, die Entstehung von Technostress und über organisatorische sowie soziale Mechanismen, die helfen, Technostress zu mindern. Damit leistet die Dissertation einen Beitrag zu den aktuellen Initiativen in Forschung und Praxis, Technostress zu reduzieren und gleichzeitig die Chancen der Digitalisierung der Arbeit zu realisieren
Gerbers biographisches Lexikon der Agrarwissenschaften : Persönlichkeiten aus Land- und Forstwirtschaft, Gartenbau und Veterinärmedizin ; Festausgabe zum 90. Geburtstag von Th. Gerber
No full textModels and solution methods for the long-term electricity production planning of a flexible biogas plant considering wear and tear
No full textEine der wichtigsten Maßnahmen im Kampf gegen den Klimawandel stellt der Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energien dar. Viele Länder haben es sich daher zum Ziel gemacht, den Anteil der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung zu erhöhen. In Deutschland betrug der Anteil im Jahr 2019 40,2 %, wobei Biomasse 20,6 % davon ausmachte. Zu dieser Kategorie gehören Biogasanlagen, die im Gegensatz zu anderen Quellen erneuerbarer Energie den Vorteil haben, nicht von bestimmten Wetterbedingungen abhängig zu sein. Sie gelten als flexible Option zur Stromerzeugung, weil sie auch Strom produzieren können, wenn weder die Sonne scheint noch Wind weht. Als die ersten Biogasanlagen in Betrieb genommen wurden, konnten die Erlöse aus der Stromproduktion maximiert werden, indem das der Biogasanlage zugehörige Blockheizkraftwerk (BHKW) durchgängig Strom erzeugte. Um die Vorteile der Flexibilität von Biogasanlagen auszunutzen, führte der Gesetzgeber in Deutschland Prämien ein, die Anreize zur Stromproduktion in Zeiten eines geringen Angebots aus anderen erneuerbaren Energiequellen beinhalten. Seitdem können Biogasanlagenbetreiber ihre Erlöse maximieren, wenn das BHKW bedarfsorientiert Strom produziert, d. h. im Start- Stopp-Betrieb. Eine Vielzahl an Starts und Stopps des BHKW verursacht jedoch einen erhöhten Verschleiß und muss bei der langfristigen Planung der Stromproduktion einer Biogasanlage berücksichtigt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, mithilfe von Methoden des Operations Researchs zyklische Pläne zur Stromproduktion von Biogasanlagen zu entwickeln, die den Verschleiß des BHKW und die Zeitpunkte und Kosten für Instandhaltungsmaßnahmen berücksichtigen, um Betreiber von Biogasanlagen bei der Erlösmaximierung zu unterstützen. Dazu erfolgt zunächst eine Einordnung der Stromproduktionsplanung von Biogasanlagen in die Planungsaufgaben entlang der biomassebasierten Supply Chain. Anschließend werden die Grundlagen zu Biogasanlagen erläutert, zu denen die Bedeutung dieser in Deutschland, die Funktionsweise, die Wartung und Instandhaltung sowie die rechtlichen Rahmenbedingungen zum Betrieb gehören. Die Forschungslücke, die von dieser Arbeit geschlossen wird, ergibt sich aus dem Literaturüberblick zu quantitativen Ansätzen für den Betrieb von Biogasanlagen. Dieser zeigt, dass es noch keine wissenschaftliche Arbeit gibt, die den Verschleiß von BHKW im flexiblen Betrieb und die Planung der Instandhaltungsmaßnahmen in Verbindung mit der Stromproduktion ausreichend thematisiert. Daher wird im Anschluss ein konzeptionelles Optimierungsmodell entwickelt, das den in der Realität nicht-linearen Verschleiß präzise abbildet und so eine simultane Planung der Stromproduktion und der Instandhaltungsmaßnahmen ermöglicht. Zur besseren Lösbarkeit mit Standardsolvern wird das Modell zusätzlich linearisiert. Eine an Praxisdaten angelehnte Case Study offenbart, dass eine flexible Biogasanlage unter den in Deutschland herrschenden Rahmenbedingungen auch unter Berücksichtigung der Instandhaltungskosten höhere Gesamterlöse erzielt als eine kontinuierlich betriebene Biogasanlage. Das konzeptionelle Optimierungsmodell wird daraufhin so erweitert, dass als Ergebnis ein zyklischer Plan entsteht, den Betreiber von Biogasanlagen wöchentlich anwenden können. Im darauffolgenden Kapitel werden eine Greedy-Heuristik zur Ermittlung einer Startlösung sowie ein Genetischer Algorithmus und eine Tabu-Suche entwickelt mit dem Ziel der Verkürzung der Rechenzeit bei der Lösung des erweiterten Modells. Dafür erfolgt zunächst die Erklärung der Grundlagen zu den einzelnen Lösungsverfahren und die Anpassung der Eingangsdaten an die Problemstellung mithilfe eines Parametertunings. Eine umfangreiche numerische Studie, in der zur Generierung unterschiedlicher Szenarien die Inputparameter Strompreise, Kosten für Instandhaltungsmaßnahmen, Abnutzung des BHKW und Biogasspeicherkapazität variiert werden, vergleicht die Leistungsfähigkeit der Verfahren mit der des erweiterten Optimierungsmodells. In allen Szenarien ermittelt die Tabu-Suche in geringer Laufzeit das beste Ergebnis. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten beschließen die Arbeit.One of the most important measures against climate change is the shift from fossil to renewable energies. Many countries have therefore made it their goal to increase the share of renewable energies for electricity generation. In Germany, the share in 2019 was 40.2%, of which biomass accounted for 20.6%. This category includes biogas plants, which, unlike other sources of renewable energy, have the advantage of not being dependent on certain weather conditions. They are considered a flexible option for electricity generation because they can produce electricity when neither the sun is shining nor the wind is blowing. When the first biogas plants were put into operation, revenues from electricity production could be maximized by having the combined heat and power unit (CHP) associated with the biogas plant generate electricity continuously. To take advantage of the flexibility of biogas plants, German legislators introduced premiums that contained incentives to produce electricity during periods of low supply from other renewable energy sources. Since then, biogas plant operators have been able to maximize their revenues when the CHP produces electricity on demand, i.e., in start-stop mode. However, a large number of starts and stops of the CHP causes altered wear and tear and must be taken into account in the long-term planning of the electricity production of a biogas plant. The aim of this dissertation is therefore to use operations research methods to develop cyclical electricity production plans for biogas plants that take into account the wear and tear of the CHP and the timing and costs of maintenance activities in order to support biogas plant operators in maximizing their revenues. For this purpose, first a classification of electricity production planning of biogas plants into the planning tasks along the biomass-based supply chain is given. Subsequently, the basics of biogas plants are explained, which include their relevance in Germany, their way of operation, service and maintenance as well as the legal framework for their operation. The research gap, which is filled by this dissertation, results from the literature review on quantitative approaches for the operation of biogas plants. It shows that there is still no research work that sufficiently addresses the wear and tear of CHP in flexible operation and the planning of maintenance activities in connection with electricity production. Therefore, a conceptual optimization model is developed that accurately replicates the non-linear wear that occurs in reality and thus enables simultaneous planning of electricity production and maintenance activities. For better applicability with standard solvers, the model is additionally linearized. A case study based on real-world data reveals that a flexible biogas plant achieves higher total revenues than a continuously operated biogas plant under the conditions prevailing in Germany, even when maintenance costs are taken into account. The conceptual optimization model is then extended to produce a cyclical plan that biogas plant operators can apply on a weekly basis. In the following chapter, a greedy heuristic for generating a starting solution as well as a genetic algorithm and a tabu search are developed with the goal of reducing the computation time when solving the extended model. For this purpose, the basics of the individual solution methods are first explained and the input data are adapted to the problem with the help of parameter tuning. An extensive numerical study, in which the input parameters electricity prices, costs for maintenance activities, wear and tear of the CHP and biogas storage capacity are varied, compares the performance of the methods with that of the extended optimization model. In all scenarios, the tabu search determines the best result in low runtime. A summary and an outlook on further research opportunities conclude the dissertation
Baking improver with fermentative enriched hydrocolloids
No full textBei der Fermentation von Sauerteigen sind Milchsäurebakterien (MSB) beteiligt und in der Lage Exopolysaccharide (EPS) zu bilden. Das Screening von 190 MSB unterschiedlicher Spezies und Gattungen ergab, dass 82% der Stämme EPS bildeten. Dabei war bei 28% eine starke oder sehr starke EPS-Bildung vorhanden. Als gute EPS-Produzenten erwiesen sich Stämme der Spezies L. reuteri, L. sanfranciscensis, L. frumenti und L. pontis. Das Molekulargewicht der synthetisierten EPS war größer 5*106 Dalton. Glukan wurde fast ausschließlich von L. reuteri-Stämmen gebildet. Um den Einfluss von fermentativ gebildetem EPS im Vergleich zu kommerziellen Hydrokolloiden auf das Altbackenwerden von Backwaren zu untersuchen, wurden Weizenbrote gebacken und die Parameter Krumenfestigkeit (Textur-Profil-Analyse) und Retrogradation der Stärke ("Differential Scanning Calorimetry) zur Erfassung des Altbackenwerdens ausgewählt. Das Altbackenwerden war grundsätzlich von der Mehlqualität abhängig, wobei bei direkter Teigführung mit schwachen Mehlen ein schnelleres Altbackenwerden stattgefunden hat. Der Zusatz von isoliertem EPS aus L. sanfranciscensis LTH 1729 (Glu/Fru Verhältnis: 1:6) und LTH 2590 (Glu/Fru Verhältnis: 1:45) war wirkungsvoller hinsichtlich der Verzögerung des Altbackenwerdens als der Zusatz der vergleichsweise eingesetzten Hydrokolloide Guarkernmehl und Xanthan. Backversuche mit chemisch gesäuerten Vorteigen zeigten, dass Quellungsvorgänge und endogene Enzymaktivitäten keinen positiven Einfluss auf das Altbackenwerden von Weizenbroten haben. Währenddessen war bei Broten mit fermentativ angereichertem EPS im Vorteig eine etwas langsamere Brotalterung zu verzeichnen. Dieser Effekt konnte auch in Mischbroten (Roggen : Weizen, 50:50) nachgewiesen werden. Eine Tiefkühllagerung der Teige hatte keinen Einfluss auf das Altbackenwerden der Brote. Letztlich wurde mit dem Stamm LTH 1729 unter optimierten Fermentationsbedingungen ein getrocknetes Sauerteigpräparat (Backmittel) mit EPS hergestellt. Die Zugabe von 3% dieses Backmittels bewirkte ein ebenso schnelles Altbackenwerden wie die bei der Kontrolle, jedoch bei um 2% erhöhter Wasserabsorption. Dementsprechend bewirkte der Zusatz von Hydrokolloiden bzw. EPS eine Erhöhung der Wasseraufnahme (Farinograph) um 1-1,5%. Das Breite-Höhe-Verhältnis war bei allen Teigen vergleichbar bis auf dem mittels Xanthan hergestellten Teig. Bei den Messungen mit dem Bohlin-Rheometer verhielten sich alle Teige ähnlich, nachdem diese auf 500 FE eingestellt wurden. Generell waren Teige mit Hydrokolloiden und EPS weniger klebrig. Vorteige mit angereichertem EPS waren klebriger als Teige ohne EPS. Dies ist auf den Restgehalte an Saccharose, welche für die EPS-Bildung zugesetzt wurde, zurückzuführen. Im Extensogramm beeinflusste zugesetztes EPS das Dehnverhalten der Teige weniger als Guarkernmehl und Xanthan. Bei Verwendung von Vorteigen mit angereichertem EPS wurde der negative Einfluss der Vorteigführung auf die Teigstruktur kompensiert. Im Rapid-Visco-Analyzer bewirkten der Einsatz von Guarkernmehl und Xanthan eine Viskositätserhöhung bei dem Teigen, EPS und EPS-haltige Vorteige hatten hingegen keinen Effekt auf die Viskosität. Nach 10-tägiger Tiefkühlung war bei den Teigen generell eine schlechtere Teigstabilität und Gashaltung gegeben. Die Teige waren weicher und weniger elastisch (Bohlin-Rheometer), die Klebrigkeit nahm generell zu, der Dehnwiderstand ab und die Dehnbarkeit zu. Beim Zusatz von EPS wurden diese Tendenzen kompensiert und das Gesamtgasvolumen (Rheofermentometer) war zudem nahezu vergleichbar wie bei nicht gefrorenen Teigen. Bei Zugabe von 3% Backmittel mit EPS stieg die Wasseraufnahme bei mittlerer Mehlqualität um 2% an, während sich im Bohlin-Rheometer jedoch kaum Änderungen der Teigrheologie ergaben. Die Teigstabilität und das Gashaltevermögen wurden deutlich verbessert. Ebenso wurde die Teigklebrigkeit verringert und der Dehnwiderstand war geringer als beim Kontrollteig. Im RVA verursachte der Einsatz des Backmittels keine Viskositätsunterschiede. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die Herstellung und Anwendung eines durch optimierte Fermentation hergestellten EPS reichen clean label Backmittels zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften und Frischhaltung von Backwaren.Lactic acid bacteria (LAB) are involved in fermentation of sourdoughs and able to produce exopolysaccharides (EPS). Screening of 190 LAB of different species and genera showed that 82% are able to produce EPS. Whereby, 28% a strong or very strong production exhibited. It becomes evident that strains of species L. reuteri, L. sanfranciscensis, L. frumenti and L. pontis, could be identified as effective EPS producer. The molecular weight of the synthetized EPS was larger than 5*106 Dalton. Glucan was formed almost of L. reuteri strains. To identify the effect of commercial hydrocolloids on bread staling, baking trials were performed. The parameter crumb hardness using Texture-Profile-Analysis and retrogradation of starch using Differential Scanning Calorimetry were chosen. Staling of wheat breads was dependent on the flour quality. Breads produced using weak flours and straight dough method showed faster staling. Addition of isolated EPS produced by L. sanfranciscensis LTH 1729 (Glu/Fru ratio: 1:6) and LTH 2590 (Glu/Fru ratio: 1:45) was more effective in retarding the rate of staling compared to hydrocolloids guar gum and xanthan. Baking trials with chemical acidified sponges showed that swelling and endogenous enzyme activities exerts no positive effect on the rate of staling. In contrast to sponges with fermentative enriched EPS, which exhibits a delayed rate of staling. This effect could be verified in mixed wheat breads (rye : wheat, 50:50). Frozen storage of doughs revealed no influence on the rate of staling. Production of an EPS enriched dried sourdough (baking improver) using optimized fermentation conditions was performed using L. sanfranciscensis LTH 1729. 3% dosage of the baking improver showed similar staling rate compared to control, however with 2% higher water absorption. Thus, addition of hydrocolloids and EPS, respectively, leads to an increase in dough yield of 1 1.5%. The width-height ratio was comparable in all doughs, except the xanthan supplemented. After adjusting the doughs to 500 FE, all doughs showed similar results in measurements with Bohlin-Rheometer. Doughs with added hydrocolloids as well as EPS were less sticky. Fermented sponge doughs with enriched EPS showed higher stickiness compared to not enriched. This could be traced back to residual not metabolized amounts of sucrose. EPS addition affects extensibility of doughs less compared to gum guar and xanthan. Negative influence on dough structure using acidic sponges was compensated with EPS enriched ones. Addition of guar gum and xanthan effect in a viscosity increase during gelatinization. Whereas, EPS and EPS containing sponges showed no effect on viscosity.
Frozen storage of 10 days reveals lower dough stability and gas retention. Doughs were less elastic and stickier. Dough resistance decreased and elasticity increased. By addition of EPS these effects could be compensated. The gas retention capability of EPS supplemented frozen doughs was identical not frozen ones. Addition of 3% baking improver produced by spray dried EPS enriched sourdough to doughs increased the water absorption by 2%, whereas almost no change on dough rheological parameters resulted. Dough stability and gas retention was considerably improved. Dough stickiness and resistance decreased. No effect in viscosity during gelatinization. Summarized, the results of the present work show the optimization and manufacturing of a clean label baking improver, produced thru EPS enriched fermentation of sourdoughs. As well as the application of the improver and the impact of on dough processing and fresh keeping of frozen dough and baked goods
Mapping agricultural trade within the ECOWAS : structure and flow of agricultural products, barriers to trade, financing gaps and policy options. A research project in cooperation with GIZ on behalf of BMZ
Get PDFThis study reviews the structure and flow of formal and informal agri-food trade within ECOWAS and evaluate the trade barriers, financial and quality infrastructure gaps. A mixed-method approach qualitative and quantitative methods is adopted which comprises an extensive literature review, analysis of available statistical data on formal and informal trade and trade barriers, a field survey, expert interviews and workshops. The intra-ECOWAS agri-food trade is still at the low level with most of the traded agri-food commodities largely without value addition and characterised by inadequate diversification of the export base. A preponderance of informal agri-food trade along both the formal and informal trade corridors are detected. Livestock, oilseeds, cottonseed, nuts, cocoa beans, cereal, cassava, fisheries, fruits and vegetables were the most traded agri-food commodities, which were not given any concession of passage or facilitated across the borders despite the perishability of the commodities. Agri-food trade flows in the ECOWAS are largely hampered by the heterogeneous trade policy measures across the Member states. This is often a barrier to trade and tend to increase trade costs and commodities prices, thereby constraining the regional trade benefits to the people while also making the trading countries uncompetitive. Women agri-food traders were often exploited and harassed by the different borders officials. More so, the low intra-ECOWAS trade in agricultural and food products is due to the low production capacities, which among others are due to the inadequate finance, poor quality infrastructure soft (trained inspectors, customs procedures digitalisation, certification, etc) and hard (metrology facilities, roads, ports facilities, testing and inspection laboratories, etc.). Agricultural trade finance has been identified as one of the key challenges inhibiting trade in agricultural commodities in this subregion. Strategic policy options to promote agri-food trade within ECOWAS are provided
The human side of digital transformation : understanding the changing role of employees and leaders
Get PDFIn the last few years, digital transformation forced organizations to integrate digital technology into different business areas. While many companies undergoing a digital transformation focus on the technology-side, the more successful approach to tackle digital transformation is focusing on the people who make things work (Berlin, 2018; Kane, 2019). Digital transformation has tremendously changed the way people live and work (Larson & DeChurch, 2020). Employees are augmented or substituted by technology (Breidbach & Maglio, 2016; Breidbach et al., 2018; Huang & Rust, 2018) and hence, employee roles are changing, and new skills are required (Bowen, 2016). Moreover, leader roles are changing in the light of digital transformation (Larson & DeChurch, 2020; Schallmo et al., 2017). They find themselves confronted with challenging and complex situations, such as introducing a new agile mindset (Kane, 2019). In addition to the outlined challenges for employees and leaders, digital transformation was accelerated in 2020 by the COVID-19 pandemic. Employees and leaders were required to work from home to follow social distancing restrictions (Brynjolfsson et al., 2020). Suddenly, new daily routines such as the intense use of digital tools while working from home were established (Criscuolo et al., 2020). In their roles as pioneers, motivators, and mentors, leaders have a particularly decisive function during the pandemic (Bartsch et al., 2020). In sum, the challenges of digital transformation and the COVID-19 pandemic can be described as a volatile, uncertain, complex, and ambiguous environment, also referred to as VUCA world (Bennett & Lemoine, 2014). It is important to understand the required roles and skill set for employees and leaders acting in a VUCA world, to be able to improve skills by training or learning on the job (Peterson et al., 2001).
However, existing research regarding the human side of digital transformation accelerated by a global pandemic and the changing roles of employees and leaders is stretched to their limits. Thus, this dissertation focusses on employees and leaders as key factors for a successful digital transformation (Kane, 2019), by answering the following research questions:
(1) How do digital transformation and new technologies transform service employee and leadership roles?
(2) What specific skills are required for service employees in technology-based service encounters?
(3) What are appropriate leadership behaviors in the context of digital transformation?
(4) Which leadership practices do leaders perform from home during the COVID-19 pandemic?
(5) How can leaders be effective working remotely with the aid of digital tools during the COVID-19 pandemic?
By answering the research questions, this thesis advances research on the human side of digital transformation in four important points. First, this research extends our understanding on the human side of digital transformation by focusing on the changing roles, skills and practices of employees and leaders in the light of a (crisis-induced) digital transformation. Second, this thesis contributes to our understanding of how technology is changing employees roles in the service encounter. Specifically, this thesis explores which particular skills service employees need to perform in the technology-based service encounter. Hence, a skill-based framework for frontline service employees is presented. Third, this thesis contributes to leadership research by providing a deeper understanding of leadership challenges resulting from digital transformation. Moreover, this thesis presents insights into digital leadership roles appropriate to the leadership challenges associated with digital transformation, including a measurement scale for the identified leadership roles. Fourth, this thesis contributes to existing virtual and crisis leadership literature. Existing findings are supplemented by demonstrating the suitability of video conferences to make up for face-to-face communication when leading from home. In addition, this thesis reveals several drivers and barriers with positive and negative impacts on leadership effectiveness when coping with crisis-specific challenges.
Following an introduction (chapter 1), this thesis is divided into three main chapters with a concluding overarching discussion (chapter 5). Chapter 2 examines employee roles and skills in technology-based service encounters, Chapter 3 includes the conceptualization of a Digital Transformation Leadership Framework, and Chapter 4 explores the daily experience of leaders aiming to lead effectively while using digital tools and working remotely during the COVID-19 pandemic. Since the global pandemic has pushed organizations to change current practices and embrace digital solutions while creating hybrid collaboration models, this research might encourage further research on the human side of digital transformation.Die Digitale Transformation hat Unternehmen dazu bewegt, neue Technologien in verschiedene Geschäftsbereiche zu integrieren. Dabei konzentrieren sich viele Unternehmen auf die technologische Seite. Es erweist sich jedoch als erfolgreicher, sich zunächst auf die Menschen zu fokussieren, die am Ende die Umsetzung verantworten (Berlin, 2018; Kane, 2019), denn die digitale Transformation hat die Art und Weise, wie Menschen arbeiten, enorm verändert (Larson & DeChurch, 2020). Mitarbeiter kollaborieren mit neuen Technologien oder werden ganz durch sie ersetzt (Breidbach & Maglio, 2016; Breidbach et al., 2018; Huang & Rust, 2018) somit werden neue Mitarbeiterfähigkeiten benötigt (Bowen, 2016). Darüber hinaus verändert sich die Rolle der Führungskräfte (Larson & DeChurch, 2020; Schallmo et al., 2017), deren Umfeld immer komplexer, dynamischer und digitaler wird. Zusätzlich wurde die digitale Transformation im Jahr 2020 durch die COVID-19-Pandemie beschleunigt. Mitarbeiter*innen und Führungskräfte müssen von zu Hause aus arbeiten, um Kontakte zu vermeiden (Brynjolfsson et al., 2020). Neue Alltagsroutinen wie die intensive Nutzung digitaler Tools im Homeoffice etablieren sich (Criscuolo et al., 2020). Als digitale Vordenker, Motivatoren und Mentoren haben Führungskräfte während der Pandemie eine besonders entscheidende Funktion (Bartsch et al., 2020). Zusammenfassend lassen sich die genannten Herausforderungen als volatiles, unsicheres, komplexes und mehrdeutiges Umfeld beschreiben (Bennett & Lemoine, 2014). In einer sogenannten VUCA-Welt ist es wichtig, (neue) Rollen und erforderliche Fähigkeiten der Mitarbeiter*innen und Führungskräfte zu verstehen, um diese beispielsweise durch Training verbessern zu können (Peterson et al., 2001).
Die bisherige Forschung zur menschlichen Seite der durch eine globale Pandemie beschleunigten digitalen Transformation und die sich wandelnden Rollen von Mitarbeitern und Führungskräften ist jedoch recht limitiert. Daher konzentriert sich diese Dissertation auf Mitarbeiter*innen und Führungskräfte, die als Schlüsselfaktoren für eine erfolgreiche digitale Transformation gelten (Kane, 2019). Folgende Forschungsfragen werden beantwortet:
(1) Wie verändern die digitale Transformation und neue Technologien die Rollen von Servicemitarbeitern und Führungskräften?
(2) Welche spezifischen Fähigkeiten werden von Servicemitarbeitern in technology-based service encounters benötigt?
(3) Welches Führungsverhalten ist im Kontext der dig. Transformation angemessen?
(4) Welche Führungspraktiken zeigen Führungskräfte während der COVID-19-Pandemie, wenn sie von zu Hause aus arbeiten?
(5) Wie können Führungskräfte während der COVID-19-Pandemie mithilfe digitaler Tools effektiv auf Distanz führen?
Diese Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur Erforschung der menschlichen Seite der digitalen Transformation. Erstens wird das Verständnis der menschlichen Seite der digitalen Transformation erweitert, indem sich diese Thesis auf die sich ändernden Rollen, Fähigkeiten und Praktiken von Mitarbeiter*innen und Führungskräften im Kontext einer (krisenbedingten) digitalen Transformation konzentriert. Zweitens erweitert diese Dissertation das Verständnis, wie Technologie die Rolle der Mitarbeiter*innen im Service-Kontext verändert. Konkret wird untersucht, welche besonderen Fähigkeiten Servicemitarbeiter*innen in technology-based service encounters mitbringen müssen. Es wird ein kompetenzbasiertes Framework für Servicemitarbeiter*innen entwickelt. Drittens trägt diese Arbeit zur Führungsforschung bei, indem sie ein tieferes Verständnis der Führungsherausforderungen liefert, die sich aus der digitalen Transformation ergeben. Darüber hinaus bietet diese Thesis Einblicke in Führungsrollen im Kontext der digitalen Transformation und entwickelt eine Messskala. Viertens trägt diese Dissertation zur bestehenden Literatur zu virtueller Führung und Führung während Krisen bei. Vorhandene Erkenntnisse werden ergänzt, indem insbesondere die Eignung von Videokonferenzen als Ausgleich für die Face-to-Face-Kommunikation bei der Führung von zu Hause nachgewiesen wird. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit Treiber und Barrieren der Führungseffektivität bei der Führung auf Distanz auf.
Nach einer Einführung (Kapitel 1) gliedert sich diese Arbeit in drei Hauptkapitel mit einer abschließenden übergreifenden Diskussion (Kapitel 5). Kapitel 2 untersucht die Rollen und Fähigkeiten der Mitarbeiter*innen in technology-based service encounters, Kapitel 3 beinhaltet die Konzeption eines Digital Transformation Leadership Frameworks und Kapitel 4 untersucht die tägliche Erfahrung von Führungskräften im Homeoffice unter Einsatz von digitalen Tools. Diese Dissertation bietet Ansatzpunkte für weitere Forschung in diesem zunehmend bedeutsamer werdenden Forschungsfeld
Characterization of function and regulation of the subtilase cytotoxin and Shiga toxin of pathogenic Escherichia coli
Get PDFFood-borne diseases caused by enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) constitute a great threat to human health worldwide. Pathogenicity of EHEC strongly depends on the ability to produce virulence factors such as amongst others bacterial toxins. One of these toxins are the so-called Shiga toxins (Stx), which is why EHEC are assigned to the group of Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC). Stx belong to the family of AB5 protein toxins consisting of two subunits. One of them, the StxA-subunit causes depurination of the 28S rRNA in eukaryotic ribosomes by exhibiting N-glycosidase activity subsequently leading to inhibition of the protein biosynthesis followed by apoptosis of the host cell. The second one is the homopentameric B-subunit, which mediates binding to the host cell surface via the receptor glycolipid globotriaosylceramide (Gb3). Besides Stx, the subtilase cytotoxin (SubAB) has been described in STEC in recent years. SubAB, also assigned to the family of AB5 toxins, generates its cytotoxic activity via cleavage of the endoplasmic chaperone binding immunoglobulin protein (BiP) by its A-subunit. This cleavage leads to an unfolded protein response, resulting in apoptosis of the host cell. The B-subunit forms a ring-like homopentameric structure which is responsible for the binding to the receptor N-glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) and other O-glycans. Although the mode of cytotoxicity of AB5 toxins have been studied extensively, some mechanisms remain unsolved. The scope of this thesis was to analyze further the mode of action of AB5 toxins and the gene regulation of stx and subAB. Both publications included in this thesis combine the characterization of the cytotoxic activity of AB5 toxins, the regulation of their genes, their subunits, and the combination of subunits of Stx and SubAB. In the first publication the regulation of gene expression of AB5 toxins was investigated in more detail. In this study, the gene expression of subAB1 was analyzed with a luciferase reporter gene assay and by quantitative real-time polymerase chain reaction. To unravel the regulatory mechanisms, both the laboratory E. coli strain DH5α and the STEC O113:H21 strain TS18/08 were used. Expression of subAB1 and promoter activity was studied using standard cultivation methods. Moreover, this work shed light on the impact of the global regulatory proteins host factor of bacteriophage Qβ (Hfq) and histone-like nucleoid structuring protein (H-NS) on subAB1 gene expression. Therefore, isogenic deletion mutants of hfq and hns gene were generated in the respective strains. Afterwards, plasmid-based complementation was conducted to verify that the observed effects were due to the deletion. Analysis of subAB1 promoter activity revealed impact of both Hfq and H-NS during different growth phases in both strains. In addition, the influence of both regulatory proteins on the expression toxin genes in STEC strain TS18/08 was investigated. This study did not only focus on the expression of stx2a and subAB1, but also the gene expression of the gene of the cytolethal distending toxin V (cdtV) was analyzed. Interestingly, all three toxin genes studied were upregulated in the deletion mutants of Δhfq and Δhns. Those results demonstrate the impact of global regulatory proteins on AB5 toxin gene expression and show that all three toxin genes investigated are integrated into the same regulatory network. In the second publication, the mode of action of AB5 toxins on the example of Stx2a was analyzed in more detail. The paradigm of AB5 toxin was known as the receptor binding B-subunit which mediates uptake of the enzymatic A-subunit and the subsequent cytotoxic activity. Previous studies have questioned this paradigm by showing cytotoxic effects of the SubA-subunit in absence of its corresponding B-subunit. This work analyzed whether this cytotoxic effect of the A-subunit is not only true for SubAB, but also for Stx. Thus, seperate recombinant expression of StxA2a subunits and subsequent His tag-based purification was performed. Both StxA2a-His and StxB2a-His were analyzed on cytotoxicity separately or in combination with the other subunit. Strikingly, cytotoxic effects of the StxA2a-His was observed in the absence of its corresponding B-subunit cell-type independently on HeLa, Vero B4, and HCT-116 cells. Studies on the B-subunit revealed no cytotoxicity on all cell lines. Additionally, combinations of different A- and B-subunits of Stx2a and SubAB1 proteins were analyzed. The hybrid combination showed that the cytotoxic effect of StxA2a-His on HeLa and HCT-116 cells could be reduced in the presence of the SubB1-His. Contrary, the cytotoxic effects of SubA1- His were unaltered in combination with StxB2a-His. Those results give the assumption that the Stx2aA-subunit binds to a target cell receptor blocked by SubB1-His. Additional experiments on the binding capacity of the Stx2a-subunits to Gb3 revealed that while StxB2a-His was able to bind to the receptor, no binding of the recombinant A-subunit was observed. The results indicate a cytotoxic effect of StxA2a on different cell types in absence of its corresponding B-subunit, which is designated as single-A effect in this work. The role of this effect in STEC pathogenicity, the uptake mechanism and subsequent transport inside the host cells of StxA-subunit need to be further analyzed in the future.Durch enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) verursachten Lebensmittel-assoziierte Krankheiten stellen weltweit ein ernstes Problem dar. Dabei wird die Pathogenität der EHEC vor allem durch die Fähigkeit der Produktion von Virulenzfaktoren, wie z.B. Toxinen, definiert. Eines dieser Toxine ist das sogenannte Shiga Toxin (Stx), weshalb die EHEC zur Gruppe der Shiga Toxin-produzierenden E. coli (STEC) zugeordnet sind. Stx gehören zur Familie der AB5 Toxine und bestehen aus zwei Untereinheiten. Davon hemmt die StxA-Untereinheit die Proteinbiosynthese durch die Depurinierung der 28S rRNA der eukaryotischen Ribosomen, indem sie eine N-Glycosidase Aktivität aufweist und anschließend zur Apoptose der Zielzelle führt. Die zweite Untereinheit ist die homopentamere B-Untereinheit, welche an den Glykolipid-Rezeptor Globotriaosylceramid Gb3 auf der Membran der Zielzelle. In den letzten Jahren wurde in STEC neben dem Stx das Subtilase Zytotoxin (SubAB) beschrieben. Auch SubAB gehört zu der Familie der AB5 Toxine, wobei die A-Untereinheit die zytotoxische Aktivität durch die Spaltung des endoplasmatischen Chaperons Immunoglobulin-Bindeprotein (BiP) aufweist. Diese Spaltung führt zur unfolded protein response (dt. ungefaltete Protein-Antwort) und infolgedessen zum Zelltod. Die B-Untereinheit besteht aus fünf identischen Molekülen, welche ringartig angeordnet sind, und bindet an den Rezeptor N-glykolyneuraminsäure (Neu5Gc) und andere O-Glykane. Obwohl die Mechanismen der Zytotoxizität der AB5 Toxine bereits untersucht wurden, bleiben einige Mechanismen ungeklärt. Dabei stellt das Ziel dieser Dissertation die Charakterisierung der zytotoxischen Aktivität und Regulation der Genexpression von stx und subAB dar. Beide Publikationen im Rahmen dieser Dissertation kombinieren dabei die Charakterisierung der Zytotoxizität dieser AB5 Toxine, der Regulation ihrer Gene, ihrer Untereinheiten und der Kombination der Untereinheiten von SubAB und Stx. In der ersten Publikation wurde die Fragestellung der Regulation der Genexpression von AB5 Toxinen untersucht. Die Genexpression des subAB1 Gens wurde in dieser Studie mit Hilfe der Methoden des Luciferase-Reportergenassays und quantitativer Echtzeit-Polymerase-kettenreaktion (quantitative real time polymerase chain reaction) analysiert. Um die Fragestellung der regulatorischen Mechanismen zu untersuchen, wurden sowohl der Laborstamm E. coli DH5α als auch der STEC O113:H21 Stamm TS18/08 verwendet. Die Expression und Promoteraktivität des subAB1 wurden unter Standard-Kulturbedingungen gemessen. Des Weiteren wurden vor allem der Einfluss der globalen Regulatorproteinen host factor of bacteriophage Qβ (Hfq) und des Histone-ähnlichen Nukleoid bindenden Proteins (H-NS) auf die subAB1 Genexpression untersucht. Dafür wurden isogene Deletionsmutanten der Gene hfq und hns in den beiden genannten Stämmen erstellt. Um zu beweisen, dass die gemessenen Effekte auf diesen Deletionen basieren, wurde anschließend eine Plasmid-basierte Komplementation durchgeführt. Die Analyse der Promoteraktivität zeigte, dass beide Regulatorproteine Hfq und H-NS Einfluss auf diese während unterschiedlichen Wachstumsphasen in beiden untersuchten Stämmen haben. Zusätzlich wurde der Einfluss der beiden Regulatorproteine auf die Genexpression der Toxingene im STEC TS18/08 untersucht. Dabei wurden in dieser Arbeit nicht nur die Gene stx2a, subAB1 untersucht, sondern auch das Gen des Cytolethalen Distending Toxins V (cdtV) betrachtet. Interessanterweise wurden alle drei untersuchten Gene in den Deletionsmutanten Δhfq und Δhns hochreguliert. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen den Einfluss von globalen Regulatorproteinen auf die Genexpression von AB5 Toxinen und weisen auf eine Regulation der untersuchten Gene in einem gemeinsamen Netzwerk hin. In der zweiten Publikation wurde das Wirkprinzip der AB5 Toxine am Beispiel von Stx2a näher untersucht. Das bisher geltende Paradigma der AB5 Toxine umfasst den Wirkmechanismus der Rezeptorbindenden B-Untereinheit, welche die Aufnahme der enzymatischen A-Untereinheit und die damit verbundene Zytotoxizität vermittelt. Dieses Paradigma wurde erstmals durch vorangegangene Studien in Frage gestellt, welche die zytotoxische Aktivität der SubA-Untereinheit in Abwesenheit ihrer zugehörigen B-Untereinheit aufgezeigt hatten. In dieser Arbeit wurde geprüft, ob diese zytotoxische Aktivität der A-Untereinheit nicht nur für SubAB, sondern auch für Stx gilt. Daher wurden die Stx-Untereinheiten rekombinant exprimiert und anschließend separate His-Tag basierte Reinigungen durchgeführt. Sowohl StxA2a-His als auch StxB2a-His wurden auf ihre Zytotoxizität einzeln oder in Kombination mit der jeweils anderen Untereinheit analysiert. Auffallend war dabei die Zelltyp-unabhängige zytotoxische Aktivität der StxA2a-His Untereinheit in Abwesenheit der B-Untereinheit auf HeLa, Vero B4 und HCT-116 Zellen. Versuche mit StxB2a-His resultierten in keinerlei Zytotoxizität auf allen Zelllinien. Zusätzlich wurde die hybride Kombination aus verschiedenen Untereinheiten von SubAB1 und Stx2a untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass die durch StxA2a-His ausgelösten Effekte auf HeLa und HCT-116 Zellen durch SubB1-His reduziert wurden. Im Gegensatz dazu blieb die durch SubA1-His induzierte Zytotoxizität bei Kombination mit StxB2a-His unverändert. Diese Versuche lassen auf eine StxA2a-His Zielstruktur auf der Zelloberfläche schließen, welche durch SubB1-His blockiert wird. Zusätzliche Versuche zur Bindungskapazität der Stx2a-Untereinheiten an Gb3 zeigten, dass obwohl eine Bindung von StxB2a-His zum Rezeptor nachgewiesen wurden, keine Bindung der rekombinanten A-Untereinheit an diesen festgestellt werden konnte. Die Ergebnisse dieser Studie weisen auf einen zytotoxischen Effekt der StxA2a-Untereinheit in Abwesenheit ihrer B-Untereinheit auf, welcher hier als Single-A Effekt bezeichnet wird. Zukünftig soll die Rolle dieses Effektes auf die Pathogenität der STEC, der Aufnahmemechanismus und der nachfolgende Transport der StxA-Untereinheit analysiert werden
Environmental and farm management effects on food nutrient concentrations and yields of East African staple food crops
Get PDFHidden hunger affects two billion people worldwide, particularly children and pregnant women. Human health and well-being are dependent on the quality and quantity of food consumed, particularly of plant-based foods. Plants source their nutrients from the soil. Essential nutrients for both, plants and humans, therefore, predominantly originate from the soil. Very little is known about the influence of environmental factors (e.g. soil types and abiotic factors, such as weather), or farm management choices (e.g. fertilisation or agrobiodiversity), on nutrient concentrations of edible crop parts. The main aim of this thesis was, therefore, to analyse the effects of soil fertility, farm management, and abiotic factors such as drought, on the quantity (yields) and quality (nutrient concentrations) of essential macro- (Mg, P, S, K, Ca) and micronutrients (Fe, Zn, Mn and Cu), of the edible parts of three East African staple food crops, i.e. maize (Zea mays L.), cassava (Manihot esculenta} Crantz), and matooke (East African Highland Banana (Musa acuminata Colla)), and discuss the resulting implications for food and nutrition security.
Two research areas were selected in East Africa, one with a high fertility soil (Kapchorwa, Uganda - Nitisol) and one with a low fertility soil (Teso South, Kenya Ferralsol). In each region, 72 households were randomly selected, and leaf and edible crop parts, and soil samples collected on three fields per household, organised by distance (closest, mid-distance, and farthest field). Maize and cassava were collected in Teso South, maize and matooke were collected in Kapchorwa. Yields, fertilizer usage and species richness (SR) and diversity (SD) were recorded per field. The total nutrient concentrations were measured in all samples collected (soils and plant parts). A drought occurring in the second rain season of 2016 provided the opportunity to analyse water stress effects on crop quantity and quality (Chapter 2). Edible part samples and yields collected in both seasons were compared. Soil chemical and physical properties, together with farm management variables, were compared to edible part nutrient concentrations and yields using a Canonical Correspondence Analysis (CCA) (Chapter 3). To understand the strength of association between the measurements routinely done by agronomists (leaf measurement) and nutritionists (edible part measurement), samples of each crop were collected, and were compared to each other and to yields, using a bivariate linear mixed model (Chapter 4).
During the severe drought, nutrient concentrations in Kapchorwa decreased significantly from normal to drought season in both crops. In contrast, during the moderate drought in Teso South, nutrient concentrations increased significantly in both crops. Lacking nutrient phloem mobility is suggested to play a vital role in mobilisation of micronutrients (Fe, Mn, and Cu), as shown by their decreased concentration under severe drought in the yields of both crops in Kapchorwa (Chapter 2). Soil type had a very strong effect on food nutrient concentrations. Maize grain nutrient concentrations and yields, for example, were significantly higher for all nutrients measured on higher fertility soils. Maize grain had the highest correlations with soil factors. In contrast, corresponding correlations to management factors were much weaker (Chapter 3). Concerning the comparison of nutrient concentrations in different plant parts, low phloem mobile nutrients Ca, Mn, Fe, Zn, and Cu showed the largest differences in correlations between leaves and edible parts. In the same comparison, perennial crops (matooke and cassava) showed lower correlations between leaves and edible parts, than annual crops (maize) (Chapter 4).
Environmental factors, such as drought impacted food nutrient concentrations. Severe drought caused a potential double-burden for consumers, decreasing both yields and nutrient concentrations, particularly of micronutrients. Considering food nutrient concentrations, apart from yield, as response variables in agronomic trials (e.g. fertilisation or soil improvement strategies) would contribute towards discounting the notion that crops growing on fertile soils always produce healthy and high-quality foods. Leaves may provide information on plant health, however, do not provide enough information to gauge both yields and food quality, particularly regarding micronutrients. The results also showed that measuring the edible part is vital to assessing food quality, particularly due to the observed effects of nutrient mobility, affecting particularly micronutrients and Ca. Ending hunger and improving food and nutrition security for all, particularly when confronted with global change issues such as degrading soils and a changing climate, requires a collaborative effort by all disciplines concerned.Weltweit leiden zwei Milliarden Menschen an verborgenem Hunger. Die Qualität und die Quantität der konsumierten Nahrung, besonders die der pflanzlichen Nahrung, beeinflusst die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen. Pflanzen nehmen ihre Nährstoffe aus dem Boden auf. Folglich stammen die essentiellen Makro- und Mikronährstoffe für Pflanzen und damit auch für den Menschen überwiegend aus dem Boden. Es bestehen große Wissenslücken, inwieweit Umweltfaktoren (z.B. abiotische Faktoren wie Bodentyp und Wetter) und das betriebliche Management, die Nährstoffkonzentration im essbaren Pflanzenteil beeinflussen. Das Forschungsziel dieser Arbeit war, den Einfluss der Bodenfruchtbarkeit, des Betriebsmanagements sowie abiotischer Faktoren auf die Erträge (Quantität) und die Nährstoffkonzentrationen (Qualität, essentielle Makro- (Mg, P, S, K, Ca), und Mikronährstoffen (Fe, Zn, Mn, Cu)) dreier ostafrikanischer Grundnahrungsmittel, und zwar Mais (Zea mays L.), Maniok (Manihot esculenta Crantz) und Matooke (ostafrikanische Hochlandbanane (Musa acuminata Colla)), zu analysieren und daraus resultierende Implikationen für die Nahrungs- und Ernährungssicherung zu diskutieren.
Zwei Forschungsgebiete mit unterschiedlicher Bodenfruchtbarkeit wurden in Ostafrika ausgewählt (hohe Bodenfruchtbarkeit: Kapchorwa, Uganda Nitisole; niedrige Bodenfruchtbarkeit: Teso South, Kenia Ferralsole). Auf landwirtschaftliche Betrieben wurden Proben der Blätter, der essbaren Pflanzenteile und Bodenproben gesammelt, und deren Nährstoffkonzentrationen gemessen. Mais- und Maniokproben wurden in Teso South gesammelt. Mais- und Matookeproben wurden in Kapchorwa gesammelt. Erträge, Düngeaufwand, Artenreichtum und -diversität wurden je Feld gemessen. Eine eingetretene Dürre in der zweiten Regenperiode 2016 ermöglichte es, die Ertragsquantität und -qualität unter Trockenstress zu analysieren (Kapitel 2). Einflüsse der Bodenchemie und Bodenphysik sowie des betrieblichen Managements wurden mit den Nährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil und den Erträgen unter Anwendung der Kanonischen Korrespondenz-Analyse (CCA) ermittelt (Kapitel 3). Die Nährstoffgehalte der Blätter und der essbaren Pflanzenteile wurden mit den Erträgen durch ein bivariates lineares gemischtes Modell verglichen, um damit die Ergebnisse der gängigen Messmethoden der Agrar- (Blätter) und Ernährungswissenschaften (essbare Pflanzenteile) zu vergleichen, Unterschiede zu identifizieren, und Implikationen für die Nahrungs- und Ernährungssicherung abzuleiten (Kapitel 4).
Die Nährstoffgehalte in der intensiven Dürreperiode in Kapchorwa hatten, verglichen mit der normalen Regenzeit, in beiden Pflanzen signifikant abgenommen. Konträr dazu hatten die Nährstoffgehalte in Teso South während der moderaten Dürre in beiden Pflanzen signifikant zugenommen. Die niedrigen Mikronährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil während der intensiven Dürreperiode (Fe, Mn und Cu) lassen darauf schließen, dass die niedrige Nährstoffmobilität im Phloem hierfür verantwortlich war (Kapitel 2). Auch der Bodentyp hatte einen starken Effekt auf die Nährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil. Die Konzentrationen aller gemessenen Nährstoffe im Maiskorn sind auf den fruchtbareren Böden signifikant höher als auf nährstoffärmeren Böden. Die Nährstoffkonzentrationen im Maiskorn korrelierten am stärksten mit den Bodeneigenschaften und am wenigsten mit Managementfaktoren. Der Vergleich der Nährstoffkonzentrationen zwischen Blättern und essbaren Pflanzenteilen zeigten, dass die wenig phloemmobilen Nährstoffe (Ca, Mn, Fe, und Cu) die größten Korrelationsunterschiede aufweisen. Die mehrjährigen Pflanzen (Matooke und Maniok) zeigten dabei eine niedrigere Korrelation zwischen den Pflanzenteilen als die einjährige Pflanze (Mais) (Kapitel 4).
Umweltfaktoren, wie zum Beispiel die starke Dürre führte zu Nährstoff- (besonders die der Mikronährstoffe) und Ertragseinbußen, welches damit eine doppelte Belastung der Bevölkerung bedeutete. Würden in agrarwissenschaftlichen Versuchen neben den Erträgen die Nährstoffkonzentrationen des essbaren Teils der Pflanze erhoben werden, könnte man der gängigen Annahme, dass nur auf fruchtbaren Böden gesunde und qualitativ hochwertige Nahrung produziert wird, relativieren. Die Analyse der Blätter gibt Auskunft über die Pflanzengesundheit und den Ertrag, erlaubt aber keine Rückschlüsse über die Ertragsqualität, vor allem nicht in Bezug auf Mikronährstoffe und Ca. Umwelt- und Managementfaktoren haben einen bedeutenden Einfluss auf die Nährstoffkonzentrationen und könnten damit die Nahrungs- und Ernährungssicherheit erheblich beeinflussen. Eine Steigerung der Nahrungs- und Ernährungssicherheit und damit ein Ende des weltweiten Hungerns, gerade auch im Kontext wachsender Herausforderungen einhergehend mit der Klimakrise und einer zunehmenden Bodendegradierung, verlangen einen kollaborativen Einsatz aller beteiligten Disziplinen
The scientific revolution and its role in the transition to sustained economic growth
Get PDFWe propose a Unified Growth model that analyzes the role of the Scientific Revolution in the takeoff to sustained modern economic growth. Basic scientific knowledge is a necessary input in the production of applied knowledge, which, in turn, fuels productivity growth and leads to rising incomes. Eventually, rising incomes instigate a fertility transition and a takeoff of educational investments and human capital accumulation. In regions where scientific inquiry is severely constrained (for religious reasons or because of oppressive rulers), the takeoff to modern growth is delayed or might not occur at all. The novel mechanism that we propose for the latent transition towards the takeoff could contribute to our understanding of why sustained growth emerged first in Europe