2013 research outputs found
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Interactions of farming and plant biodiversity in weed control related ecosystem service provision and weed conservation
Get PDFThere is evidence that diverse plant communities in terrestrial ecosystems are either more stable or more productive in terms of food web support and ecosystem service provision. In agro-ecosystems, characterized by high disturbance and external inputs, plant diversity and their services can only be provided by weeds.
In the first study, vegetation recordings and farmer surveys were conducted in on-farm experiments in two regions of Southwestern Germany. The aim was to examine the effects of agricultural management on weed community composition, weed biodiversity and occurrence of rare arable weed species in cereal fields. Weed biodiversity was influenced mainly by crop species, herbicide use and farming system as well as nitrogen and light availability. Weed communities were quite similar in both study regions and dominated by Alopecurus myosuroides, Galium aparine, Viola arvensis, Polygonum convolvulus and Veronica persica. A redundancy analysis revealed that the weed community was mainly shaped by crop species, tillage, location in the field and timing of herbicide application. The results highlight the erosion of weed communities due to intensive agricultural practices and emphasize the conservation of weed biodiversity per se and rare arable weed species in particular.
The next aim was to examine if this biodiversity is able to support weed control related ecosystem services, like the predation of weed seeds. The objectives of this study were to investigate the connection between weed biodiversity, Carabid beetle diversity and weed seed predation as well to evaluate the role of farming intensity in this sequence. For this purpose, on-farm experiments were performed on the Eastern Swabian Alb. A positive correlation between weed biodiversity and Carabid beetle diversity was identified as well as a pattern of medium Carabid beetle diversity providing the highest weed seed predation. There was no consistent influence of farming intensity on weed seed predation. The revealed connection between weed diversity, Carabid beetle diversity and weed seed predation highlights the role of plants in food web support and subsequent ecosystem service provision. The utilization of these services depends on the promotion of biodiversity by designing appropriate management strategies.
In the next step, the general principles underlying ecosystem service provision by biodiversity, were conveyed to a cover cropping system. The aim was to test single sown cover crops and species mixtures in terms of weed suppression efficacy and reliability. For this purpose, cover crop species were sown singly and as mixtures in a field experiment. Lower weed dry matter and weed densities were found predominantly in treatments with favorable establishment and above-average biomass production. Mixtures performed much more homogeneous in regard to the measured parameters compared to single sown cover crops. The results suggest that, although particular single sown cover crops are more effective to control weeds than mixtures, mixtures are more reliable under changing conditions. Altering the species composition of cover crop mixtures according to more complementary traits might further improve their weed control efficacy.
The results of this dissertation demonstrate the importance of plant biodiversity in the provision and reliability of weed control related ecosystem services, either by weeds themselves or by specifically designed cover crop mixtures. Furthermore, management factors influencing weed biodiversity were determined, which can aid in the creation of more sustainable management strategies for a diverse agroecosystem and the conservation of rare arable weed species.Man nimmt an, dass artenreichere Pflanzengesellschaften eine stabilere Unterstützung des Nahrungsnetzes gewährleisten und produktiver in der Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen sind. In Agrarökosystemen, die sich durch hohe Störungsfrequenzen und externe Inputs auszeichnen, können Pflanzenvielfalt und deren Leistungen nur durch Unkräuter bereitgestellt werden.
In der ersten Studie wurden Vegetationsaufnahmen in On-Farm-Experimenten und Umfragen unter Landwirten in zwei Regionen Südwestdeutschlands durchgeführt. Ziel war es, die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung auf die Zusammensetzung der Unkrautgesellschaften, die Unkraut-Biodiversität und das Vorkommen seltener Ackerunkräuter in Getreidefeldern zu untersuchen. Die Biodiversität von Unkräutern wurde hauptsächlich durch die Kulturpflanzenart, den Einsatz von Herbiziden und das Anbausystem sowie Stickstoff- und Lichtverfügbarkeit beeinflusst. Die Unkrautgesellschaften waren in beiden Studienregionen sehr ähnlich zusammengesetzt und wurden von Alopecurus myosuroides, Galium aparine, Viola arvensis, Polygonum convolvulus und Veronica persica dominiert. Eine Redundanzanalyse ergab, dass die Unkrautgesellschaft hauptsächlich durch Kulturpflanzenart, Bodenbearbeitung, Lage der Aufnahmefläche im Feld und Zeitpunkt der Herbizidanwendung geprägt wurde. Die erzielten Ergebnisse weisen auf einen Rückgang der Diversität von Unkrautgesellschaften durch intensive landwirtschaftliche Praktiken hin. Weiterhin verdeutlichen sie die Notwendigkeit der Erhaltung der Unkrautbiodiversität an sich und den Schutz seltener Unkrautarten im Besonderen.
Nachdem die wichtigsten Faktoren für das Zustandekommen von Unkrautbiodiversität identifiziert wurden, sollte untersucht werden, ob diese biologische Vielfalt in der Lage ist, Ökosystemdienstleistungen, die zur Unkrautbekämpfung beitragen, zu unterstützen. Eine wichtige regulierende Ökosystemdienstleistung, die durch die Nahrungskette bereitgestellt wird, ist der Verzehr von Unkrautsamen durch wirbellose Tiere und Wirbeltiere. Die Studie hatte zum Ziel, den Zusammenhang zwischen Unkrautbiodiversität, Laufkäferdiversität und Unkraut-Samenprädation zu untersuchen sowie die Rolle der landwirtschaftlichen Intensität in dieser Abfolge zu bewerten. Zu diesem Zweck wurden im Ostalbkreis On-Farm-Experimente angelegt und, unter Verwendung von Vegetationsaufnahmen, Bodenfallen und Samenkarten, die Unkrautbiodiversität, Laufkäferdiversität und Unkraut-Samenprädation gemessen. Es wurde ein positiver Zusammenhang zwischen der Unkrautbiodiversität und der Laufkäferdiversität festgestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine mittlere Laufkäferdiversität (2-8 Arten) das höchste Level an Unkraut-Samenprädation aufwies. Die Bewirtschaftungsintensität hatte keinen einheitlichen Einfluss auf die Unkraut-Samenprädation. Der festgestellte Zusammenhang zwischen Unkrautvielfalt, Laufkäferdiversität und Unkraut-Samenprädation verdeutlicht die Rolle von Pflanzen in Nahrungsnetzen und deren Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen. Um diese Dienstleistungen zu nutzen, muss Biodiversität durch die Gestaltung geeigneter Bewirtschaftungssysteme gefördert werden.
In der dritten Studie wurden die grundlegenden Prinzipien der Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen durch Biodiversität auf den Anbau von Zwischenfrüchten übertragen. Das Ziel dabei war, Artenmischungen und Zwischenfrüchte in Reinsaat auf die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der Unkrautunterdrückung zu testen. Zu diesem Zweck wurden sechs Zwischenfruchtarten einzeln und als Mischungen in einem Feldversuch ausgesät und in der Herbstsaison untersucht. Behandlungen mit guter Etablierung der Zwischenfrüchte und überdurchschnittlicher Biomasseproduktion wiesen überwiegend die geringsten Unkrauttrockenmassen und -dichten auf. Die Mischungen verhielten sich, in Bezug auf die gemessenen Parameter, wesentlich einheitlicher als die Zwischenfrüchte in Reinsaat. Obwohl bestimmte Zwischenfrüchte in Reinsaat effektiver bei der Unkrautbekämpfung waren, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Mischungen unter wechselnden Bedingungen zuverlässiger sind. Eine Änderung der Artenzusammensetzung der Zwischenfruchtmischungen durch Auswahl von sich ergänzenden Pflanzeneigenschaften könnte deren Wirksamkeit in der Unkrautbekämpfung weiter verbessern.
Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation veranschaulichen die Bedeutung der pflanzlichen Biodiversität für die Bereitstellung und Zuverlässigkeit von Ökosystemdienstleistungen mit Unkrautbekämpfungscharakter. Diese werden dabei entweder durch Unkräuter selbst oder durch speziell entwickelte Zwischenfruchtmischungen bereitgestellt. Diese Arbeit hatte zum Ziel, die Wechselwirkungen zwischen landwirtschaftlicher Praxis, Artenvielfalt der Pflanzen und Ökosystemdienstleistungen zu untersuchen und das gewonnene Wissen zur Optimierung von Naturschutzbemühungen und zur Entwicklung biologischer Unkrautbekämpfungsstrategien zu nutzen
Interactions of nitrogen-related, growth promoting bacteria with Miscanthus × giganteus : impact and mechanism
Get PDFThe highly nitrogen-use efficient biomass grass Miscanthus is a host of the bacterial endophyte Herbaspirillum frisingense. While Herbaspirillum frisingense has the genetic competence to fix nitrogen, the plant-associated microbiome may also contribute to this nitrogen efficiency. Furthermore, the costly field establishment of the sterile perennial Miscanthus × giganteus from rhizomes is a severe constraint for expanding the production area of this commercial biomass crop.
In this study, the effect of Herbaspirillum frisingense inoculation on stem-cutting sprouting, shoot biomass and other yield parameters was investigated. I studied how the inoculation impacts on the M. × giganteus associated microbiome and how the long term differences in nitrogen fertilizer amount modulated the M. × giganteus associated microbiome. This was studied in a 14 year-old field trial of M. ×giganteus fertilized with various amounts of nitrogen.
Stem cutting inoculation improved the shoot sprouting and establishment success of Miscanthus × giganteus in the greenhouse. In a small field trial, plant height and biomass from inoculated sites were significantly larger in the second year after establishment, but already after one year after inoculation, the bulk soil, rhizosphere, root and rhizome microbiomes were almost devoid of Herbaspirillum. This beta-proteobacterium may colonize the shoot of Miscanthus × giganteus more efficiently. Major differences between bacterial communities were determined by plant-soil compartments and less by the plant organs, while both inoculation and nitrogen had little effects on these communities. Compared to the little effect on the soil, rhizosphere and root microbiomes, the rhizome microbiome was massively modulated by both inoculation and nitrogen level. In the rhizome, several proteobacteria, which are associated with plant growth promoting functions, were enriched by inoculation, while N2-fixing-related bacterial families were favored by long-term nitrogen-deficiency plots, but denitrifier-related families were depleted. The studies suggest that H. frisingense inoculation may improve establishment of Miscanthus stem cuttings and has long-lasting effects on the rhizome microbiome diversity, despite low rhizocompetence and low root abundance. Meanwhile, the rhizome could be a potential nitrogen fixation factory. The organ-specific, nitrogen-related bacterial communities are modulated by long-term different nitrogen supply and are mainly shaped by the plant, which provides guidance for optimizing Miscanthus sustainable cultivation.Das stickstoffeffiziente Biomassegras Miscanthus wird unter anderem vom bakteriellen Endophyten Herbaspirillum frisingense besiedelt, welches die genetischen Grundlagen für Stickstoff-fixierung besitzt. Das mit Miscanthus assoziierte Mikrobiom, welches ebenso zu seiner Stickstoffeffizienz beitragen könnte, war zu Beginn der Arbeit noch nicht bekannt. Darüber hinaus ist das Etablieren des sterilen, mehrjährigen Miscanthus × giganteus aus Rhizomen ein hoher Kostenfaktor und damit ein schwerwiegendes Hindernis für die Erweiterung der Produktionsfläche dieser kommerziellen Biomassepflanze.
In dieser Arbeit wurde die Wirkung der Inokulation mit Herbaspirillum frisingense auf das Keimen von Knospen an Stängeln, die Wirkung auf die Sprossbiomasse und auf andere Ertragsparameter untersucht. Darüber hinaus wurde untersucht, wie sich die Inokulation auf das mit M. × giganteus assoziierte Mikrobiom im Feld auswirkt. Das mit Miscanthus assoziierte Mikrobiom wurde ausserdem von einem 14-jährigen Dauerfeldversuch bestimmt, bei dem die Pflanzen ohne Stickstoff (N), oder jährlich mit 80 kg N gedüngt wurden.
Die Beimpfung von Stängelabschnitten mit Herbaspirillum frisingense regte das Keimen von Knospen an und erhöhte den Etablierungserfolg von Miscanthus × giganteus im Gewächshaus. In einem kleinen Feldversuch waren Pflanzenhöhe und Biomasse von beimpften Rhizomen im zweiten Jahr nach der Etablierung signifikant größer, aber bereits nach einem Jahr nach der Inokulation waren die Mikrobiome des Bodens, der Rhizosphäre, der Wurzel und des Rhizoms nahezu frei vom beimften Herbaspirillum. Dieses betaProteobakterium kann offenbar den Spross von Miscanthus × giganteus effizienter besiedeln. Die Hauptunterschiede zwischen den Bakteriengemeinschaften wurden durch die unterschidlichen Umweltbedingungen der Kompartimente, also zwischen Pflanzen und Boden und weniger durch die Pflanzenorgane bestimmt. Sowohl die Inokulation, als auch die N-Düngung hatten nur geringe Auswirkungen auf diese Gemeinschaften. Im Vergleich zu den geringen Auswirkungen auf Boden, Rhizosphäre und Wurzelmikrobiome wurde das Rhizom-Mikrobiom sowohl durch Inokulation, als auch durch den N-Dünger, am meisten verändert. Im Rhizom wurden mehrere Proteobakterien, die bekanntermassen zur Förderung des Pflanzenwachstums beitragen, durch Inokulation angereichert, während N2- fixierende Bakterienfamilien im Rhizom durch Langzeit-N-Mangel begünstigt wurden. Familien, in denen Stickstoff-Denitrifizierer gefunden werden, waren weniger im Rhizom repräsentiert. Die Arbeit legt nahe, dass durch die Inokulation mit H. frisingense die Etablierung von Miscanthus-Stängelabschnitten verbessert werden kann. Trotz geringer Rhizokompetenz und geringer Abundanz hat das Inokulat lang-anhaltende Auswirkungen auf die Rhizom-Mikrobiom-Diversität. Das Rhizom könnte als eine potenzielle Stickstofffixierungsfabrik dienen, und somit langfristig zur Stickstoffeffizient beitragen. Die organspezifischen und wenig durch das N-Düngeniveau regulierten Bakteriengemeinschaften werden hauptsächlich von der Pflanze geprägt und könnten eine Rolle bei der Optimierung der nachhaltigen Kultivierung von Miscanthus spielen
Automation, robots and wage inequality in Germany : a decomposition analysis
Get PDFWe analyze how and through which channels wage inequality is affected by the rise in automation and robotization in the manufacturing sector in Germany from 1996 to 2017. Combining rich linked employer-employee data accounting for a variety of different individual, firm and industry characteristics with data on industrial robots and automation probabilities of occupations, we are able to disentangle different potential causes behind changes in wage inequality in Germany. We apply the recentered influence function (RIF) regression based Oaxaca-Blinder (OB) decomposition on several inequality indices and find evidence that besides personal characteristics like age and education the rise in automation and robotization contributes significantly to wage inequality in Germany. Structural shifts in the workforce composition towards occupations with lower or medium automation threat lead to higher wage inequality, which is observable over the whole considered time period. The effect of automation on the wage structure results in higher inequality in the 1990s and 2000s, while it has a significant decreasing inequality effect for the upper part of the wage distribution in the more recent time period
A sustainability comparison of grassland-based feeding systems for milk production in disadvantaged regions of south-west Germany
Get PDFGlobal und regional steht die Landwirtschaft vor großen Herausforderungen. Die Reduktion von Treibhausgas- und Ammoniakemissionen, die Senkung von Nährstoffausträgen, gravierende Biodiversitätsverluste und die Ernährungssicherung erfordern dringenden Handlungs-bedarf, um nachhaltige Strukturen für die Produktion landwirtschaftlicher Produkte im All-gemeinen und tierischer Produkte im Speziellen aufzudecken und Lösungsstrategien für eine effiziente Ressourcennutzung zu entwickeln. Zentrales Element einer nachhaltigen Entwicklung ist dabei die gleichgerichtete Berücksichtigung der drei Säulen der Nachhaltigkeit Ökologie, Ökonomie und Soziales. Vor diesem Hintergrund wurde das Forschungsvorhaben Ge-samtbetriebliche Nachhaltigkeitsanalyse von Grünlandsystemen in der Milchviehhaltung in benachteiligten Regionen Südwestdeutschlands konzipiert.
Ziel des Forschungsvorhabens war ein Systemvergleich auf Betriebsebene, der neben den öko-logischen Potentialen auch die ökonomischen und sozialen Faktoren abbildet, um das Verständnis über die Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Betriebssysteme zu verbessern und damit zu einer optimierten Nutzung regionaler Ressourcen beizutragen. Dazu wurden grünlandbasierte, kraftfutterreduzierte Systeme der Milcherzeugung in benachteiligten Regionen und erfolgreiche Milchsysteme der ganzjährigen Stallhaltung mit hohen Einzeltierleistungen in Gunstlagen Südwestdeutschlands verglichen. Zudem wurde auch das Potential der Nutzung der regionalen Doppelnutzungsrasse Vorderwälder für grünlandbasierte, kraftfutterreduzierte Milchsysteme überprüft.
In der vorliegenden Arbeit stellten die wirtschaftlich erfolgreichsten Betriebe der grünlandbasierten Stichprobe im kalkulatorischen Betriebszweigergebnis, im Vergleich zu den konventionellen Stallhaltungsbetrieben, eine hohe Wirtschaftlichkeit unter Beweis. Dennoch wurde deutlich, dass eine ökonomisch nachhaltige Milchproduktion nicht an allen Standorten gegeben ist. Grundsätzlich können biologisch wirtschaftende Milchviehbetriebe in Grünlandregionen von hohen Ökomilchpreisen und Förderungen aus Agrarumweltmaßnahmen, verbunden mit einem hohen Einsatz von Weidegras und geringen Fremdkosten (Kraftfutter, Fremdarbeitskräfte), ökonomisch profitieren. Dies zeigte sich auch im Hinblick auf die sozialen Parameter, insbesondere in den Bereichen Stress, Freizeit und Wertschätzung der Bevölkerung und durch Berufskollegen konnte eine hohe soziale Nachhaltigkeit aufgezeigt werden.
Im Hinblick auf die Effizienzparameter schnitten die Betriebe der grünlandbasierten Stichpro-be vor allem hinsichtlich der netto Lebensmittelproduktionseffizienz, mit durchschnittlich 295 % bezogen auf die Bruttoenergie, und der Nährstoffeffizienz, mit einer um 10 % höheren Nutzungseffizienz von Stickstoff und einer um 55 % höheren Nutzungseffizienz von Phosphor, deutlich besser ab als die intensiven Stallhaltungsbetriebe. Letztere waren durch einen Stickstoffüberschuss von durchschnittlich 150 kg pro ha gekennzeichnet.
Durch die Berücksichtigung der CO2-Speicherung in Verbindung mit der Integration von Ökosystemdienstleistungen in die Allokation der Emissionen konnte für die grünlandbasierte Milchproduktion in benachteiligten Regionen Südwestdeutschlands außerdem ein geringerer CO2-Fußabdruck aufgezeigt werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass ein gleiches Fütterungssystem nicht gleichermaßen vorteilhaft für alle Rassen angewendet werden kann und das Vorderwälder-Rind im Vergleich zum Holstein-Rind besser an ein System mit Vollweide, geringem Kraftfuttereinsatz und saisonaler Abkalbung angepasst ist.
Komplexe landwirtschaftliche Prozesse führen letztendlich dazu, dass in Abhängigkeit der Produktionsverfahren und des Konsums nahezu identische Produkte stark unterschiedliche Effekte auf Umwelt, Klima, Einkommen, soziale Aspekte und Gesundheit haben. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass eine Milcherzeugung mit hohen Anteilen Dauergrünland, einer angepassten Genetik und einer sehr geringen Abhängigkeit von externen Produktionsfaktoren wie energie- und eiweißreichen Futtermitteln sowie chemisch-synthetischen Dünge und Pflanzenschutzmitteln, wesentliche Vorteile gegenüber der Milcherzeugung in intensiven Systemen hat und als ökonomisch, ökologisch und sozial nachhaltig angesehen werden kann. Eine konsequente Umsetzung dieser Strategie hin zu Systemen, in denen kleinere, robustere Tiere einer Doppelnutzungsrasse nahezu ausschließlich auf Basis ihrer natürlichen Futtergrundlage mit einer hohen Effizienz pro Hektar Milch und Fleisch erzeugen, könnte daher ein Weg zu einer gesamtgesellschaftlich nachhaltigeren Milcherzeugung, Nutztierhaltung und Landwirtschaft im Allgemeinen darstellen.
Vor allem der ökologische Landbau wird in diesem Zusammenhang als besonders ressourcen-schonend und umweltverträglich angesehen und als ein Konzept diskutiert, das die Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft verbessern soll. Für eine nachhaltige Entwicklung und Entschärfung von Zielkonflikten muss man allerdings eine Gesamtperspektive einnehmen, einzelne Aspekte der Produktion zu betrachten, reicht nicht aus.
Neben Veränderungen in der Landwirtschaft sind daher auch tiefgreifende Veränderungen im Konsumverhalten und der Verschwendung von Lebensmitteln notwendig. Dies erfordert große Anstrengungen seitens der Politik, Landwirtschaft und Gesellschaft.Agriculture is facing major global and regional challenges. The reduction of greenhouse gas and ammonia emissions, the lowering of nutrient discharges, serious losses of biodiversity and food security require urgent action, to determine sustainable structures for the production of agricultural products in general and animal products in particular and to develop solution strategies for the efficient use of resources. A central element of sustainable development is the equal consideration of the three pillars of sustainability - ecology, economy and social aspects. Against this background, the research project A sustainability comparison of grassland-based feeding systems for milk production in disadvantaged regions of south-west Germany was conceived.
The aim of the research study was a system comparison at farm level, which not only shows the ecological potential but also the economic and social factors involved in order to improve the understanding of the sustainability of agricultural farm systems and thus contribute to an optimised use of regional resources. For this purpose, grassland-based, concentrate feed-reduced systems of milk production in disadvantaged regions and successful milk systems of year-round barn management with high individual animal performance in favoured areas of southwest Germany were compared. In addition, the potential of using the regional dual-purpose breed Vorderwald for grassland-based, concentrate feed-reduced milk systems was examined.
In the present study, the economically most successful farms of the grassland-based sample displayed a high economic efficiency in the calculated management income compared to conventional dairy farms. Nevertheless, it became clear, that economically sustainable milk production is not given at all locations. In principle, organic dairy farms in grassland regions can profit economically from high prices for organic milk together with subsidies from agri-environmental measures combined with a high use of pasture grass and low external costs (concentrated feed, external labour). This was also evident with regard to the social parameters, especially in the areas of stress, leisure time and appreciation by the population and by colleagues, a high degree of social sustainability was demonstrated.
With regard to the efficiency parameters, the farms of the grassland-based sample performed significantly better than the intensive dairy farms, especially with regard to the net food conversion efficiency, with an average of 295 % related to gross energy, and the nutrient efficiency, with a 10 % higher use efficiency of nitrogen and a 55 % higher use efficiency of phosphorus. The latter were characterised by an average nitrogen surplus of 150 kg per ha.
By taking into account the CO2-storage in conjunction with the integration of ecosystem services in the allocation of emissions, it was also possible to demonstrate a lower carbon footprint for grassland-based milk production in disadvantaged regions of southwest Germany. Furthermore, it could be shown that the same feeding system cannot be applied equally beneficially for all breeds and that Vorderwald cattle are better adapted to a system with full pasture, low concentrated feed input and seasonal calving compared to Holstein cattle.
Complex agricultural processes ultimately mean that, depending on production methods and consumption, almost identical products have very different effects on the environment, climate, income, social aspects and health.
The present study shows that milk production with a high proportion of permanent grassland, adapted animal genetics and a very low dependence on external production factors such as energy- and protein-rich fodder as well as chemical synthetic fertilizers and pesticides, has significant advantages over milk production in intensive systems and can be regarded as eco-nomically, ecologically and socially sustainable. A consistent implementation of this strategy towards systems in which smaller, more robust animals of a dual-purpose breed produce milk and meat almost exclusively on the basis of their natural feed base with a high efficiency per hectare could therefore indicate a direction towards more sustainable milk production, livestock farming and agriculture in general.
In this context, organic farming is seen as particularly resource-saving and environmentally compatible and is discussed as a concept to improve sustainability in agriculture. For sustainable development and defusing conflicts of objectives, however, an overall perspective must be adopted; looking at individual aspects of production is not sufficient.
In addition to adjustments in agriculture, far-reaching changes in consumer behaviour and food waste are necessary. This will require considerable political will and cooperation at farm and society leve
Stress hormone-induced immunomodulation and interplay between immune cells and bacteria in response to stress hormones in domestic pigs
Get PDFThe two main endocrine systems involved in the regulation of stress reactions are the HPA axis, leading to the synthesis of glucocorticoids like cortisol or corticosterone, and the SAM axis, whose activation is associated with the release of the catecholamines adrenaline and noradrenaline. These stress hormones modulate the function of the immune system. Although pigs in modern husbandry systems face many stressors, the consequences of elevated plasma stress hormone levels on porcine immune cell numbers and functionality are insufficiently resolved. While some research on glucocorticoid effects has been conducted, data on many parameters are missing and catecholamines have not been studied systematically in the pig, yet. It is known that stress can negatively affect pigs resistance to infections like salmonellosis, but the underlying mechanisms are still subject to intense research efforts, with new perspectives arising since the discovery of interkingdom-signalling and microbial catecholamine perception.
The aim of this thesis was to determine the effects of cortisol, adrenaline and noradrenaline on porcine immune cell functionality and the blood numbers of different leukocyte subsets. Furthermore, the interplay of immune cells and Salmonella Typhimurium under the influence of catecholamines was investigated. Adult male castrated pigs were surgically equipped with indwelling catheters to enable stress-free blood collection and intravenous application of hormones.
In an initial experiment, the effects of in vitro stress hormone treatment on lymphocyte proliferation and the production of the proinflammatory cytokine TNFa were described. Cortisol reduced both proliferation and number of TNFa producers. Both catecholamines caused an increased lymphocyte proliferation at low concentrations whereas noradrenaline drastically decreased proliferation at high concentrations. While noradrenaline had no impact on TNFa producers, they were reduced in gd T cells and monocytes upon adrenaline addition. Overall, the effects were comparable to humans in terms of direction and dose but there were some disparities regarding adrenaline.
In the second part of the project, the impact of in vivo stress hormone administration on immune cell numbers and functionality was examined by infusion for 48h. Cortisol and noradrenaline led to a decreased lymphocyte proliferation but to a variable extent and all three hormones promoted phagocytic function of innate immune cells. Cortisol caused a marked increase of neutrophil numbers while almost all other cell types declined strongly. For most cell types, noradrenaline exerted similar effects but solely after 2h whereas cortisol-induced alterations lasted the whole treatment period. Adrenaline effects were mostly reduced to CD8- T cells, which were reduced at first but increased after 24h. A sharp peak in NK cell numbers after 2h adrenaline infusion is particularly noteworthy and resembles findings from rodent and human studies. Overall, both hormone groups led to a shift from adaptive to innate immunity, underpinning the picture of a promotion of fast and unspecific defence systems to respond to threats in stressful situations.
In a third study, S. Typhimurium was grown in the presence of catecholamines to determine the effects of supernatants from these cultures on porcine immune cell function. Both lymphocyte proliferation and TNFα production were hampered substantially, as opposed to the findings on catecholamine effects in the first experiment. It was demonstrated that these effects were not caused by catecholamines or their oxidation products and the formation of a so-far unknown immunosuppressive substance by catecholamine-primed bacteria was assumed. The results contribute to a better understanding of the increased susceptibility to infection in stressed animals and reveal a new dimension of cross-species communication.
Finally, the results of the present thesis were discussed regarding their comparability to studies in humans and rodents and previous stress experiments in pigs. Furthermore, the effects of acute and chronic stress as well as different coping styles that are characterised by a SAM or HPA predominance on animal welfare and pig health were discussed, based on the endocrine mechanisms investigated in the present thesis. Possible implications of enhanced glucocorticoid and catecholamine levels for practical pig husbandry were given. Lastly, suggestions for future research to further elucidate the impact of stress hormones on the porcine immune system and the interplay with pathogenic bacteria were made.Die beiden wichtigsten endokrinen Systeme, die an der Steuerung von Stressreaktionen beteiligt sind, sind die HPA-Achse, die zur Synthese von Glukokortikoiden wie Cortisol oder Corticosteron führt, und die SAM-Achse, deren Aktivierung mit der Freisetzung der Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin verbunden ist. Diese Stresshormone modulieren die Funktion des Immunsystems. Obwohl Schweine in modernen Haltungssystemen vielen potenziellen Stressoren ausgesetzt sind, sind die Folgen erhöhter Stresshormonspiegel auf die Anzahl und Funktionalität der Immunzellen des Schweins nicht ausreichend geklärt. Zwar wurden einige Untersuchungen zu den Effekten von Glukokortikoiden durchgeführt, jedoch fehlen noch Daten zu vielen Parametern, und Katecholamineffekte wurden bislang nicht systematisch untersucht. Es ist bekannt, dass Stress die Empfänglichkeit von Schweinen gegen Infektionen wie die Salmonellose negativ beeinflussen kann, aber die zugrundeliegenden Mechanismen sind noch Gegenstand intensiver Forschungsbemühungen. Dabei haben sich seit der Entdeckung des Interkingdom-Signalling und der Wahrnehmung von Katecholaminen durch Mikroorganismen neue Perspektiven ergeben.
Ziel dieser Arbeit war es, die Effekte von Cortisol, Adrenalin und Noradrenalin auf die Funktionalität von Schweineimmunzellen und die Zellzahlen verschiedener Leukozyten-Subpopulationen im Blut zu bestimmen. Darüber hinaus wurde das Zusammenspiel von Immunzellen und Salmonella Typhimurium unter dem Einfluss von Katecholaminen untersucht. Dafür wurden adulte Kastraten chirurgisch mit Venenverweilkathetern ausgestattet, um eine stressfreie Blutentnahme sowie intravenöse Hormonapplikation zu ermöglichen.
In einem ersten Experiment wurden die Auswirkungen einer in vitro-Zugabe von Stresshormonen auf Lymphozytenproliferation und Produktion des proinflammatorischen Zytokins TNFa beschrieben. Cortisol führte zu einer Reduktion sowohl der Proliferation als auch der Anzahl von TNFa-Produzenten. Beide Katecholamine bewirkten eine erhöhte Lymphozytenproliferation bei niedrigen Konzentrationen, wohingegen Noradrenalin die Proliferation bei hohen Konzentrationen drastisch verringerte. Während Noradrenalin keinen Einfluss auf TNFa-produzierende Zellen hatte, waren sie nach Zugabe von Adrenalin unter den gd-T-Zellen und Monozyten reduziert. Insgesamt waren die Hormoneffekte in Richtung und Dosis mit den beim Menschen beschriebenen vergleichbar mit einigen Unterschieden bei Adrenalin.
Im zweiten Teil des Projekts wurden die Auswirkungen einer in vivo-Gabe von Stresshormonen auf die Anzahl und Funktionalität von Immunzellen mittels 48-stündiger Infusion untersucht. Cortisol und Noradrenalin führten zu einer verminderten Lymphozytenproliferation und alle drei Hormone förderten die Phagozytosefunktion angeborener Immunzellen. Cortisol verursachte einen Anstieg der Neutrophilenzahl, wohingegen fast alle anderen Zelltypen zurückgingen. Bei den meisten Zelltypen übte Noradrenalin ähnliche Effekte aus, jedoch nur nach 2 Stunden, wohingegen die Cortisol-induzierten Veränderungen die gesamte Behandlungsdauer anhielten. Die Adrenalin-Effekte waren größtenteils auf CD8-negative T-Zellen begrenzt, deren Anzahl zunächst reduziert, aber nach 24 Stunden erhöht war. Ein starker Anstieg der NK-Zellzahl nach 2-stündiger Adrenalin-Infusion ist besonders erwähnenswert und spiegelt Ergebnisse aus Nager- und Humanstudien wider. Insgesamt betrachtet führten beide Hormongruppen zu einer Verschiebung von adaptiver zu angeborener Immunität.
In einer dritten Studie wurden S. Typhimurium-Kulturen unter Zugabe von Katecholaminen angelegt, um die Wirkung von Überständen aus diesen Kulturen auf die Funktion von Schweineimmunzellen zu bestimmen. Sowohl Lymphozytenproliferation als auch TNFa-Produktion waren deutlich verringert. Es konnte gezeigt werden, dass diese Effekte nicht durch Katecholamine oder deren Oxidationsprodukte verursacht wurden, sodass die Bildung einer bislang unbekannten immunsuppressiven Substanz durch Katecholamin-behandelte Bakterien angenommen wird. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der erhöhten Infektionsanfälligkeit gestresster Tiere bei und zeigen eine neue Dimension der artübergreifenden Kommunikation auf.
Schließlich wurden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit hinsichtlich ihrer Vergleichbarkeit mit Studien an Menschen und Nagern sowie früheren Stressexperimenten an Schweinen diskutiert. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen von akutem und chronischem Stress sowie unterschiedlicher Coping-Strategien, die sich durch eine SAM- oder HPA-Dominanz auszeichnen, auf das Tierwohl und die Schweinegesundheit diskutiert. Es wurden mögliche Auswirkungen von erhöhten Glukokortikoid- und Katecholaminwerten auf die praktische Schweinehaltung aufgezeigt. Schließlich wurden Vorschläge für zukünftige Forschung gemacht, um den Einfluss von Stresshormonen auf das Immunsystem von Schweinen und die Wechselwirkungen mit pathogenen Bakterien weiter aufzuklären
Effects of strain, lifespan and dietary myo-inositol sources on poultry metabolism
Get PDFPoultry production has shown a significant increase during the last decade. Meat and egg industry rapid growth implicates accelerating metabolic rate and general performance of birds. To maintain a high level of production, several strategies to achieve optimal raising and feeding have been implemented. Previous studies demonstrated the importance of MI metabolism on animal physiology; however, at present there is a substantial lack of information about the roles of MI and its metabolism in poultry. For instance, no information is available about MI concentration in organs of poultry. Moreover, it remains no elucidated, which are the effects of dietary sources of MI such as dietary phytase or pure MI supplementation.
This thesis focused on gaining a comprehensive understanding of the potential roles of strain, productive period, and dietary sources of MI on poultry metabolism. To obtain the state of the art research on MI metabolism and its dietary sources in poultry, a comprehensive review of dietary MI was written (manuscript 1, chapter 3). This review revised information about MI in poultry such as feed sources, transport and cell metabolism, physiological meaning, and the influence of dietary MI in poultry. The revision indicated that MI appears to play critical roles in several different metabolic pathways so that understanding them could be an essential approach for future research in poultry.
The second study was performed to study the effects of phytase and pure MI supplementation on the metabolite profile of broilers (manuscript 2, chapter 3). It was observed that phytase supplementation affected differently the metabolite profile than the supplementation of pure MI. Metabolites affected by phytase comprised several groups of metabolites such as acylcarnitines, phosphatidylcholines, sphingomyelins, lysophosphatidylcholines, and biogenic amines, whereas pure MI supplementation increased plasma concentrations of dopamine and serotonin.
The third study was performed to get preliminary information about the effects caused by dietary phytase on systemic MI on the gastrointestinal tract, blood, and organs MI of broiler chickens (manuscript 3, chapter 3). Supplementation of 1500 FTU phytase/kg feed increased plasma and kidney MI concentrations. Plasma MI correlated negatively with InsP6 and positively with intestinal MI concentrations.
A fourth study gave a general description of MI concentrations and general metabolite profile during the productive life of Lohmann Classic Brown and Lohmann LSL Classic laying hens. It was found that productive period affected MI and MI key enzymes expression. Moreover, the analyses showed differences in metabolite profiles being the onset of egg production, a determinant point. Differences were attributed to different groups of metabolites such as amino acids, biogenic amines, phosphatidylcholines, lysophosphatidylcholines, and sphingomyelins. The above mentioned, indicated each strain could express different MI concentrations and metabolite profiles during distinct productive periods what should be considered to future interventions.
To conclude, findings from these investigations suggested intrinsic traits such as breed and stage of production and diet could affect MI and MI key enzymes expression as well as metabolite profiles. Future studies are needed to establish the roles of MI on poultry metabolism.Die Geflügelproduktion hat im letzten Jahrzehnt erheblich zugenommen. Das schnelle Wachstum der Fleisch- und Eierindustrie impliziert eine Beschleunigung des Stoffwechsels und der allgemeinen Leistung von Geflügel. Um ein hohes Produktionsniveau aufrechtzuerhalten, wurden verschiedene Strategien zur Erzielung einer optimalen Aufzucht und Fütterung umgesetzt. Frühere Studien haben die Bedeutung des MI-Metabolismus für die Tierphysiologie aufgezeigt. Derzeit fehlen jedoch wesentliche Informationen über die Rolle des MI und seinem Metabolismus bei Geflügel. Beispielsweise sind keine Informationen über die MI-Konzentration in Geflügelorganen verfügbar. Darüber hinaus ist es nicht geklärt, welche Auswirkungen diätetische MI-Quellen wie z.B. durch Phytase-basierte Freisetzung aus der Nahrung oder reine MI-Supplementierung haben.
Diese Dissertation fokussierte sich auf ein umfassendes Verständnis der möglichen Rolle von Zuchtlinie, Lebensdauer und diätetischem MI für den Stoffwechsel des Geflügels. Mit dem Ziel, den neuesten Stand der Forschung zum MI-Metabolismus und seinen Nahrungsquellen bei Geflügel zu erhalten, wurde eine umfassende Übersicht über das MI in der Nahrung verfasst (Manuskript 1, Kapitel 3). Diese Übersichtsarbeit fasst Informationen über MI bei Geflügel zusammen, wie etwa Futterquellen, Transport und Zellstoffwechsel, physiologische Bedeutung und den Einfluss von MI in der Nahrung bei Geflügel. Es wurde erfasst, dass MI eine Schlüsselrolle in einer Reihe verschiedener Stoffwechselwege zu spielen scheint, so dass das Verständnis dieser Stoffwechselwege ein wichtiger Ansatz für die künftige Geflügelforschung sein könnte.
Die zweite Studie wurde durchgeführt, um die Auswirkungen von Phytase und reiner MI-Supplementierung auf das Metabolitenprofil von Broilern zu untersuchen (Manuskript 2, Kapitel 3). Es wurde beobachtet, dass eine Phytase-Supplementierung das Metabolitenprofil anders beeinflusste als die Supplementierung von reinem MI. Unter Phytasefütterung betroffene Metaboliten umfassten mehrere Gruppen von Metaboliten wie Acylcarnitines, Phosphatidylcholines, Sphingomyelines, Lysophosphatidycholines und biogene Amine, während eine reine MI-Supplementierung die Plasmakonzentrationen von Dopamin und Serotonin erhöhte. Die dritte Studie wurde durchgeführt, um vorläufige Informationen über die Auswirkungen der diätetisch supplementierten Phytase auf den systemischen MI auf den Magen-Darm-Trakt, den Blut- und Organ-MI von Masthühnern zu erhalten (Manuskript 3, Kapitel 3). Die Ergänzung von 1500 FTU Phytase / kg Futter erhöhte die Plasma- und Nieren-MI-Konzentrationen. Die Plasma-MI-Konzentration korrelierte negativ mit InsP6 und positiv mit den intestinalen MI-Konzentrationen. Eine vierte Studie lieferte eine allgemeine Beschreibung der MI-Konzentrationen und der Metabolitenprofile während des produktiven Lebens von Legehennen der Linien Lohmann Classic Brown und Lohmann LSL Classic. Es wurde festgestellt, dass die Produktionsperiode die Expression von MI- und MI-Schlüsselenzymen beeinflusste. Darüber hinaus zeigten die Analysen Unterschiede in den Metabolitenprofilen, wobei der Beginn der Eiproduktion ein bestimmender Punkt war. Unterschiede wurden verschiedenen Gruppen von Metaboliten wie Aminosäuren, biogenen Aminen, Phosphatidylcholinen, Lysophosphatidycholinen und Sphingomyelinen gefunden. Dies zeigte deutlich, dass jede Linie unterschiedliche MI-Konzentrationen und Metabolitenprofile entlang der Lebensdauerzeigte, was bei zukünftigen Interventionen berücksichtigt werden sollte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Untersuchungen darauf hindeuten, dass intrinsische Merkmale wie Zuchtlinie, Produktionsstadium und Ernährung die Expression von MI- und MI-Schlüsselenzymen sowie die Metabolitenprofile beeinflussen könnten. Zukünftige Studien sind erforderlich, um die Rolle des MI für den Geflügelstoffwechsel zu bestimmen
Promoting dietary diversification in the ASEAN region : exposing food taboos, and exploring the nutrient profiles of underutilized, indigenous food resources
Get PDFThe Association of Southeast Asian Nations (ASEAN) is composed of Brunei Darussalam, Cambodia, Indonesia, Lao PDR, Malaysia, Myanmar, Philippines, Singapore, Thailand, and Vietnam. The ASEAN region is ailing from moderate to serious incidence of malnutrition. Among the member countries, Brunei Darussalam has the highest prevalence of child obesity (17.8%), while Malaysia has the highest prevalence of adult obesity (15.6%). Indonesia has the highest percentage of young children suffering from wasting at 13.5%. Lao PDR has the highest percentage of the undernourished in the population (16.5%), at the same time, having the highest percentage of stunted children under five years of age (43.85%). It also has the highest HHI score with 38.7, which corresponds to having a severe case of micronutrient deficiencies, and the highest death rates for both children under five years of age (63 deaths per 1,000 live births) and mothers (197 deaths per 100,000 live births).
To fight malnutrition, nutrition-specific interventions address the immediate determinants of nutrition of specific vulnerable groups young children, pregnant and lactating women, and others. Dietary diversification is an example of a nutrition-specific intervention. This dissertation was conducted to turn the spotlight towards the ASEAN region, its triple burden of malnutrition, and to dietary diversification as a sustainable way to lighten the load. It tackled one of the stumbling blocks to the acceptance of dietary diversification food taboos, and one of the stepping stones towards its successful implementation nutrient profiling of underutilized, indigenous resources in the region.
This dissertation postulated that plant- and animal-based food taboos adhered to by pregnant, post-partum, and lactating Southeast Asian women can hinder dietary diversification in the most vulnerable and crucial moment of the first 1,000 days of life. The two review papers generated were the first to consolidate and showcase researches on food taboos covering the region. They highlighted the need for culture-sensitive health interventions to address maternal and child health problems that could lead to the attainment of the sustainable development goals of reducing the maternal and under-five mortality ratios and empowering women in Southeast Asia, as well as the priority health goals of the ASEAN.
The underutilized, indigenous resources in the ASEAN region have the potential to be valuable components of a diversified diet. To prove this statement and to further promote dietary diversification, the dissertation tackled the nutrient profiling of the edible insects Bombay locust (Patanga succincta), scarab beetle (Holotrichia sp.), house cricket (Acheta domesticus), and mulberry silkworm (Bombyx mori) from Thailand, and the sago grub (Rhynchophorus bilineatus) from Indonesia. For the pigmented rice varieties, the Camoros (red), Tinta (purple) and Malinao black rice from the Philippines were analyzed, while a review of pigmented rice varieties from Thailand was also conducted.
The results of the analysis showed, and based on the Codex Alimentarius on food labelling, that the edible insects are high in protein and can be sources of or high in minerals. Also, data showed that the pigmented rice varieties from the Philippines and the pigmented Thai rice varieties have higher mineral and vitamin contents in comparison with white Jasmine rice. The findings in this dissertation have shown that edible insects and pigmented rice varieties can be added to diversify and improve the nutritional quality of peoples diets and to fight malnutrition from the household level.
The novel research into indigenous food resources contributes to the advancement of knowledge in the field of entomology and biodiversity conservation, and of course, in food science and nutrition. Most importantly, the dissertations contribution to the promotion of dietary diversification in the hope of attaining improved human health and nutrition will benefit the whole ASEAN region.Dem Verband Südostasiatischer Nationen (ASEAN) gehören Brunei Darussalam, Kambodscha, Indonesien, die Demokratische Volksrepublik Laos, Malaysia, Myanmar, die Philippinen, Singapur, Thailand und Vietnam an. Die ASEAN-Region leidet an mäßiger bis schwerer Unterernährung. Unter den Mitgliedsländern hat Brunei Darussalam die höchste Prävalenz von Fettleibigkeit bei Kindern (17,8%), während Malaysia die höchste Prävalenz von Fettleibigkeit bei Erwachsenen (15,6%) aufweist. Indonesien hat mit 13,5% den höchsten Prozentsatz an Kleinkindern, die an Wasting leiden. Die Demokratische Volksrepublik Laos hat den höchsten Prozentsatz an Unterernährten in der Bevölkerung (16,5%) und gleichzeitig den höchsten Prozentsatz an Kindern unter fünf Jahren mit Stunting (43,85%). Sie hat auch den höchsten HHI-Wert mit 38,7, was einem schwerwiegenden Mikronährstoffmangel entspricht, und die höchsten Sterblichkeitsraten sowohl bei Kindern unter fünf Jahren (63 Todesfälle pro 1.000 Lebendgeburten) als auch bei Müttern (197 Todesfälle pro 100.000 Lebendgeburten).
Zur Bekämpfung der Mangelernährung befassen sich ernährungsspezifische Interventionen mit den unmittelbaren Determinanten der Ernährung bestimmter gefährdeter Gruppen - Kleinkinder, schwangere und stillende Frauen und andere. Die Diversifizierung der Ernährung ist ein Beispiel für eine ernährungsspezifische Intervention. Diese Dissertation wurde durchgeführt, um das Augenmerk auf die ASEAN-Region, ihre dreifache Last der Unterernährung, und auf die Diversifizierung der Ernährung als nachhaltige Möglichkeit zur Milderung dieser Last zu lenken. Sie befasste sich mit einem der Stolpersteine auf dem Weg zur Akzeptanz der Diversifizierung der Ernährung - den Nahrungstabus - und mit einem der Sprungbretter auf dem Weg zu ihrer erfolgreichen Umsetzung - der Erstellung von Nährwertprofilen zu wenig genutzter, einheimischer Ressourcen in der Region.
In dieser Dissertation wurde angenommen, dass pflanzliche und tierische Nahrungstabus, an die sich schwangere, postpartale und stillende südostasiatische Frauen halten, die Diversifizierung der Ernährung im verletzlichsten und wichtigsten Moment der ersten 1000 Lebenstage behindern können. Die beiden erstellten Übersichtspapiere waren die ersten, die die Forschungen über Nahrungstabus in der Region zusammenfassten und vorstellten. Sie betonten die Notwendigkeit kultursensibler Gesundheitsinterventionen zur Bewältigung der Gesundheitsprobleme von Müttern und Kindern, die zur Erreichung der Ziele einer nachhaltigen Entwicklung, nämlich der Senkung der Sterblichkeitsrate von Müttern und Kindern unter fünf Jahren und der Stärkung der Rolle der Frauen in Südostasien, sowie der vorrangigen Gesundheitsziele der ASEAN führen könnten.
Die wenig genutzten, einheimischen Ressourcen in der ASEAN-Region haben das Potenzial, wertvolle Bestandteile einer diversifizierten Ernährung zu sein. Um diese Aussage zu belegen und die Diversifizierung der Ernährung weiter zu fördern, befasste sich die Dissertation mit der Nährstoffzusammensetzung der essbaren Insekten - der Bombay-Heuschrecke (Patanga succincta), dem Skarabäuskäfer (Holotrichia sp.), der Heimchengrille (Acheta domesticus) und dem Maulbeerseidenspinner (Bombyx mori) aus Thailand sowie der Sago-Raupe (Rhynchophorus bilineatus) aus Indonesien. Bei den Sorten von pigmentiertem Reis wurden Camoros (rot), Tinta (violett) und Malinao schwarzer Reis von den Philippinen analysiert, ebenso wie eine Überprüfung der Sorten von pigmentiertem Reis aus Thailand.
Die Ergebnisse der Analyse zeigten, und basierend auf dem Codex Alimentarius über die Lebensmitteletikettierung, dass die essbaren Insekten "proteinreich" sind und "Quellen von" oder "reich an" Mineralien sein können. Die Daten zeigten auch, dass die pigmentierten Reissorten aus den Philippinen und die pigmentierten thailändischen Reissorten im Vergleich zu weissem Jasminreis höhere Mineralien- und Vitamingehalte aufweisen. Die Ergebnisse dieser Dissertation haben ergeben, dass essbare Insekten und pigmentierte Reissorten hinzugefügt werden können, um die Ernährung der Menschen zu diversifizieren und die Ernährungsqualität zu verbessern und die Unterernährung auf Haushaltsebene zu bekämpfen.
Die Forschung über einheimische Nahrungsressourcen trägt dazu bei, das Wissen auf dem Gebiet der Entomologie und der Erhaltung der biologischen Vielfalt und natürlich auch der Lebensmittelwissenschaft und Ernährung zu erweitern. Am wichtigsten ist, dass der Beitrag der Dissertation zur Förderung der Diversifizierung der Ernährung in der Hoffnung auf eine verbesserte menschliche Gesundheit und Ernährung der gesamten ASEAN-Region zugute kommen wird
Baseline assessment and effect of a supplementary community-based nutrition intervention study on the prevention/treatment of anemia among young Adivasi children in West Bengal, India
Get PDFBackground: India´s Adivasi scheduled tribe population is disproportionately affected by anemia and undernutrition. On the avenue to sustainably promote child health locally available resources have to be maxed out. Subsequently, designed recipes may find entrance and modify dietary routines on household level, through interactive home-based cooking trainings, community awareness and homestead food production.
Study design: From February 2015 onwards, the cluster-randomized controlled feeding trial was conducted in 21 tribal villages Birbhum District, West Bengal. The intervention lasted for 18 months and embraced four assessment points (t0, t6, t12, t18) including medical checkup, measurement of Hb concentrations (HemoCue Hb201+) as well as anthropometric indices. A semi-structured household (HH) survey was part of the baseline assessment.
The research comprises one control group (CG) and three intervention groups (diversified meals only (IG1), with the addition of locally producible Amaranthus tricolor/Moringa oleifera leaf powders (ALP/MLP) in the ratio 2:1 (IG2), or with an adjusted amount of commercially produced micronutrient powder (MNP) TopNutri (IG3)). Supplementary meals were provided three times a week during an on-the-spot community feeding program. 293 children (6-39 months) were valid for the pre-/post intervention effect analysis.
Objectives: To assess the overall burden of anemia and undernutrition and to investigate nutrition-sensitive and nutrition-specific factors determining the maternal and child nutritional status at baseline, moreover to identify independent drivers of anemia in Adivasi children (Article I and II). To design improved recipes and to evaluate their effect in a supplementary feeding intervention on the primary outcome variable hemoglobin (Hb), and the secondary outcome variables stunting (HAZ), underweight (WAZ), and wasting (WHZ) (Article III).
The first article (Chapter 4) provides data on the maternal nutritional status and child feeding practices, and describes socio-demographic characteristics, family planning methods, use of antenatal care services and birth, childcare, mother-child dyad analysis. Moderate/severe forms of anemia and underweight were prevalent in every second mother. Child feeding practices and child caring were found to be suboptimal. Infants (6 to 11 months) were particularly vulnerable with merely every fourth child fulfilling the minimum acceptable diet (2 to 3 meals per day and  4 food groups (FG) per day). On HH level the serving of animal-sourced foods, legumes, vegetables and fruits has to be scaled up.
The second article (Chapter 5) assessed the prevalence of anemia and undernutrition among Santal Adivasi children, determined independent predictors of moderate/severe anemia, and depicted agricultural assets, livelihood, aspects of food security and hygiene, morbidity rates, health seeking behavior.
Binary Logistic regression assessed five independent predictors of moderate/severe anemia in children (Hb<10g/dl): child´s age<24 months, low WAZ scores, any morbidity (fever, diarrhea, or respiratory infection), low maternal Hb concentrations, lack of dietary diversification (low count of FG consumed during the previous 24 hours).
The third arcticle (Chapter 6) assessed the intervention effects of the three study meals on the prevention/treatment of anemia (and undernutrition) in Adivasi children. IG1 (diversified meals only) showed significant higher Hb concentrations as compared to CG during the intervention (adjusted for age and Hb concentrations at baseline, time between assessment points, and gender). The mean Hb of IG2 or IG3, remained comparable to CG.
Concluding remarks: Distressing rates of anemia and undernutrition were found among Adivasi mothers and children. To address identified drivers of anemia in Adivasi children and lower the burden of undernutrition multi-sectoral programmatic actions comprising the key pillars nutrition, agriculture and health care are recommended for timely intervention before the child reaches two years of age; accompanied by hygienic and sanitary activities, with interactive awareness trainings being in the center of actions.
Lack of dietary diversification was not only found as predictor for anemia at baseline, moreover the low-dose intervention trial confirmed diversified meals only (IG1) being a successful food-based approach in significantly increasing the Hb concentration as opposed to the CG, thus is suggested as useful preventive strategy to overcome nutrition-related anemia amongst Santal Adivasi children (aside iron therapy). Study findings indicate the adding of MNP (IG3) as being beneficial for decreasing the burden of undernutrition and infectious diseases.Hintergrund: Indien´s registrierte Adivasi Stämme sind unverhältnismäßig stark von Anämie und Unterernährung betroffen. Auf dem Weg Kindesgesundheit nachhaltig zu fördern müssen lokal verfügbare Ressourcen ausgeschöpft werden. Anschließend, könnten entwickelte Rezepte Eingang auf Haushaltsebene finden, vermittelt und umgesetzt durch interaktive Kochschulungen im Haushalt, Gemeinschaftsschulungen, und häuslicher Nahrungsmittelproduktion.
Studiendesign: Beginnend im Februar 2015, wurde die cluster-randomisierte kontrollierte Ernährungs-Studie in 21 Stammesdörfern im Birbhum Distrikt, West Bengal durchgeführt. Die Intervention dauerte 18 Monate und hatte vier Erhebungspunkte (t0, t6, t12, t18), einschließlich medizinischem Checkup, Messung der Hemoglobin (Hb) Konzentrationen (HemoCue Hb201+) als auch anthropometrischer Indices. Eine semi-strukturierte Haushalts-Umfrage war Teil der Ausgangserhebung.
Das Forschungsprojekt umfasst eine Kontrollgruppe (CG) und drei Interventionsgruppen (diversifizierte Mahlzeiten alleinig (IG1), mit dem Zusatz von lokal produzierbarem Amaranthus tricolor/Moringa oleifera Blattpulver (ALP/MLP) in dem Verhältnis 2:1 (IG2), oder mit einer angepassten Menge kommerziell produziertem Mikronährstoffpulver (MNP) TopNutri (IG3)). Die Zusatzmahlzeiten wurden drei Mal die Woche innerhalb eines Gemeinschafts-Ernährungsprogramms an Ort und Stelle angeboten. 293 Kinder (6-39 Monate) waren gültig für die prä-/post Interventions-Effekt-Analyse.
Ziele: Die Studie war bestrebt die Gesamtbürde an Anämie und Unterernährung zu erheben, sowie ernährungs-sensitive und -spezifische Faktoren, welche den mütterlichen und kindlichen Ernährungszustand bei der Ausgangserhebung mitbestimmen zu beschreiben, darüberhinaus unabhängige Prädiktoren für Anämie in Adivasi Kindern zu identifizieren (Artikel I and II). Des Weiteren wurden verbesserte Rezepte konzipiert, und deren Wirkung im Rahmen von Ernährungsprogrammen auf die primäre Zielvariable Hämoglobin (Hb), als auch auf sekundäre Variablen wie chronische Wachstumsverzögerung stunting (HAZ), Untergewicht underweight (WAZ), und akute Auszehrung wasting (WHZ) untersucht (Artikel III).
Der erste Artikel (Kapitel 4) erfasste Daten zum mütterlichen Ernährungsstatus und kindlicher Ernährungspraktiken, und beschreibt sozio-demographische Charakteristika, Familienplanungsmethoden, Schwangerschaftsvorsorge und Geburt, sowie Charakteristika der Kindesfürsorge und befasst sich mit Mutter-Kind-Dyad Analysen. Jede zweite Mutter zeigte moderate/schwere Formen der Anämie und des Untergewichts. Methoden der Kindesernährung und der Fürsorge wurden als unzureichend festgestellt. Als besonders gefährdet wurden Kleinkinder (6 bis 11 Monate) eingestuft, da nur jedes vierte Kind die Mindestanforderungen einer adäquaten Ernährung erfüllte (2 bis 3 Mahlzeiten pro Tag und  4 Nahrungsmittelgruppen pro Tag). Auf Haushaltsebene muss das Angebot an tierischen Lebensmitteln, Leguminosen, Gemüse und Obst verbessert werden.
Der zweite Artikel (Kapitel 5) erhob die Prävalenz an Anämie und Unterernährung bei Santal Adivasi Kindern, bestimmte unabhängige Prädiktoren für moderate/schwere Anämieformen, beschrieb landwirtschaftliche Vermögenswerte, Existenzgrundlagen, Aspekte der Nahrungsmittelsicherheit und Hygiene, Krankheitsraten, sowie gesundheitsbewusstes Verhalten.
Binäre logistische Regression identifizierte fünf unabhängige Prädiktoren für moderate/schwere Anämie in Kindern (Hb<10g/dl): Kindesalter <24 Monate, niedrige WAZ scores, Krankheit im Kind (Fieber, Durchfall, oder respiratorische Infektion), niedrige mütterliche Hb Konzentrationen, Mangel an diversifizierter Ernährung (niedrige Anzahl an konsumierten Nahrungsmittelgruppen innerhalb der vorherigen 24 Stunden).
Der dritte Artikel (Kapitel 6) ermittelte den Interventionseffekt der drei Studienmahlzeiten auf die Prävention/Behandlung von Anämie (und Unterernährung) in Adivasi Kindern, und identifizierte unabhängige Prädiktoren für das höchste Perzentil der erfolgten Hämoglobinanstiege. IG1 (diversifizierte Mahlzeiten alleinig) zeigte während der Intervention signifikant höhere Hb Konzentrationen im Vergleich zur CG (angepasst für Alter, Hb Konzentrationen der Ausgangserhebung, Zeit zwischen den Einzelerhebungen, und Geschlecht). Mittlere Hb Konzentrationen der IG2 und IG3 blieben hingegen vergleichbar zu CG.
Abschließende Bemerkungen: Erschreckende Prävalenzen an Anämie und Unterernährung zeigten sich bei Adivasi Müttern und Kindern. Um die im Rahmen der Prädiktorenanalyse ermittelten ursächlichen Faktoren der Anämie bei Adivasi Kindern zu adressieren und Unterernährung zu bekämpfen, werden multi-sektorielle programmatische Aktionen mit den Hauptsäulen Ernährung, Landwirtschaft und Gesundheit als zeitnahe Intervention empfohlen bevor das Kind das Alter von zwei Jahren erreicht; begleitet von Aktivitäten im Hygiene und Sanitärbereich, mit interaktiven Bewusstseins-Schulungen im Zentrum der Bemühungen.
Ein Mangel an diversifizierter Enährung war nicht nur ein Prädiktor für Anämie bei der Ausgangserhebung, des Weiteren bestätigte die Niedrig-Dosis-Interventionsstudie, dass eine diversifizierte Ernährung (IG1) eine erfolgreiche nahrungsmittelbasierte Strategie sein kann, um Hb Konzentrationen im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant zu verbessern; und stellt somit einen nützlichen präventiven Ansatz dar ernährungsbedingte Anämieformen bei Santal Adivasi Kindern zu bekämpfen (begleitend zu Eisen-Therapie). Studienergebnisse legen nahe, dass der Zusatz von MNP (IG3) vorteilhaft sein könnte, die Rate an Unterernährung und Infektionskrankheiten zu senken
Agronomic strategies to reduce potential precursors of acrylamide formation in cereals
Get PDFParacelsus postulierte Alle Dinge sind Gift, und nichts ist ohne Gift. Allein die Dosis macht, daß ein Ding kein Gift ist.
Dies ist für Acrylamid (AA) in Frage zu stellen, da es hier keine Dosis gibt, unter der eine Gesundheitsgefährdung auszuschließen ist. Daher sollte AA in Nahrungsmitteln (NM) so niedrig wie möglich sein.
Das AA in NM vorkommt, wurde erstmals im Jahr 2002 bewiesen. Am stärksten betroffen sind erhitzte, stärkereiche NM auf Getreide- oder Kartoffelbasis. Es reagieren reduzierende Zucker und die Aminosäure Asparagin (Asn) innerhalb der Maillard Reaktion und bilden AA.
Bei der NM Produktion gibt es viele Eingriffsmöglichkeiten, AA zu senken (u.a. Höhe & Dauer der Hitzeeinwirkung, Austausch von Backtriebmitteln, Verlängerung der Teigstandzeit, Einsatz von Zusatzstoffen & Enzymen).
Solche Maßnahmen sind aber teilweise begrenzt, da unerwünschte Auswirkungen auf die Qualität der NM auftreten können oder sie sind schlicht zu teuer zur Umsetzung im Großindustriellen Maßstab. Außerdem schwanken die AA-Gehalte in NM seit 2011 jahresbedingt. Dies zeigt, dass vor allem der Rohstoff (z. B. Mehl) die AA Gehalte beeinflusst.
Somit wäre ein wichtiger Schritt, schon vor der NM Herstellung, auf dem Feld, Rohstoffe zu produzieren, die geringe Gehalte an AA-Vorstufen aufweisen. Die Hauptvorstufe von AA ist bei Getreide das freie Asn. Die Reduktion der Aminosäure erfordert jedoch geeignete ackerbauliche Anbaumaßnahmen, um Getreide mit wenig Asn zu produzieren.
Somit war das Hauptziel der Arbeit den Einfluss folgender Maßnahmen auf den Gehalt an freiem Asn bei Getreide zu untersuchen.
1. Welche Rolle spielt das Produktionssystem (ökologisch vs. konventionell)?
2. Welche Stickstoff Düngestrategie ist beim Getreideanbau zu wählen, im Vergleich der Produktionssysteme?
3. Welchen Einfluss hat die Schwefeldüngung, bzgl. der Schwefelmenge und der Art des Düngers?
4. Können weitere Reihenabstände und eine reduzierte Saatmenge in Low Input Systemen die Backqualität von Mehlen verbessern ohne den Asn-Gehalt zu erhöhen?
5. Welche Rolle spielen Getreidearten und Sorten inkl. der Urgetreide Einkorn & Emmer im ökologischen Landbau?
6. Sollte Asn als Züchtungsziel eingeführt werden, wenn eine hohe genetische Fixierung vorliegt, also der Asn-Gehalt stark sortengebunden ist?
7. Hat der Erntezeitpunkt einen signifikanten Einfluss?
Ergebnisse von Feldversuchen:
Das Produktionssystem hatte einen signifikanten Einfluss auf den Asn-Gehalt. Im Mittel über die Getreidearten lag der Asn-Gehalt bei den ökologisch erzeugten Proben 26 % niedriger vgl. zu den Konventionellen. Bei Weizen war im ökologischen Sortiment bis zu 50 % weniger Asn. Bei Dinkel und Roggen war der Effekt mit max. 33 % geringer und nur in einzelnen Jahren gegeben.
Die Stickstoffdüngung wirkte sich signifikant auf den Kornertrag und die Backqualität in beiden Produktionssystemen aus. Im Gegensatz dazu zeigten sich bis zu einer Stickstoffdüngung von 180 kg N ha-1 keine signifikanten Unterschiede im Asn-Gehalt zur ungedüngten Variante. Die Weizensorte hatte einen signifikanten Einfluss. Die Sorte Capo zeigte die geringsten Asn-Gehalte bei 180 kg N ha-1 jedoch hohe Rohproteingehalte von > 15 % (konventionell) und > 12 % (ökologisch). Somit scheint die Reduzierung von Asn über die Stickstoffdüngung nicht auf Kosten der Backqualität zu gehen. Die Schwefeldüngung hatte, unabhängig von Menge und Düngerform, keinen signifikanten Effekt auf den Asn-Gehalt.
Weite Reihenabstände können bei Winterweizen die Backqualität unter ökologischen Anbaubedingungen positiv beeinflussen. Die Saatdichte war signifikant verknüpft mit höheren Kornerträgen und Hektolitergewichten. Der Effekt beider Maßnahmen auf den Asn-Gehalt war gering.
Der Asn-Gehalt scheint mit der Anzahl der Getreidekörner pro Ähre zusammenzuhängen (R2=0.72). Das eröffnet neue Einblicke in die Asn-Synthese, während der Kornreifung und ermöglicht eine einfache Vorhersage von Asn ohne aufwendige Laboranalysen. Zwischen dem Asn-Gehalt und dem Rohprotein wurde keine Beziehung gefunden. Ein deutlicher Zusammenhang lag zwischen dem AA-Gehalt und dem Rohproteingehalt vor. Wenn der Rohproteingehalt stieg sank die AA-Bildung in erhitzen Mehlen.
Der Gehalt an Asn variierte signifikant zwischen ökologisch erzeugten Getreidearten und Sorten bei sehr marginaler Stickstoffversorgung. Wird Roggen mit Dinkel ersetzt ergibt sich eine Reduktion im Asn-Gehalt von 85 %. Die Urgetreidearten Einkorn und Emmer erreichten sehr hohe Asn-Mengen. Vor allem Einkorn lag in Höhen, die sonst nur bei Roggen gemessen wurden. Das freie Asn kann auch in ökologischen Produktionssystemen als Indikator für die AA-Bildung dienen (R2=0,69).
Die Heritabilität war im Vergleich der Standorte sehr hoch für Weizen und Dinkel. Im Jahreseinfluss war die Heritabilität niedrig für Weizen aber hoch für Dinkel und Roggen.
Der Erntezeitpunkt hatte einen signifikanten Einfluss auf die Asn-Bildung. Eine Vorverlegung der Kornernte um ein bis zwei Wochen führte, abhängig von Produktionssystem und Getreideart, zu einer Abnahme im Asn-Gehalt von bis zu 60 %.
Zusammenfassend können agronomische Strategien einen wesentlichen Beitrag leisten, um die AA-Vorstufe freies Asn deutlich zu minimieren. Ableitungen für die landwirtschaftliche Praxis und die Entwicklung eines pflanzenbauliches Vorhersage-models können den Asn-Gehalt nachhaltig zu senken.
Die Zukunft der agronomischen Minimierungsstrategien liegt in der Lösung der Frage: Warum unterscheiden sich Getreidearten und Sorten im Asn-Bildungs- und Akkumulierungspotenzial im Korn? Wird diese Frage gelöst sind weitaus effizientere Maßnahmen möglich Asn im Getreidekorn zu senken. In der vorliegenden Arbeit wurden Erklärungen angedeutet und weitere Puzzleteile zur Senkung von Asn bei Getreide beigetragen.Food safety is of great importance as harmful substances formed during food processing can negatively affect human health. When the carcinogenic food ingredient acrylamide (AA) accidentally appeared in 2002, it was not expected that AA would take this much attention during the next years. Yet, after around 15 years of research, AA has finally been recognized as being harmful.
In a first step, research focussed on food processing implications on AA formation. The impact of heat treatment, time of heating, baking agents, fermentation time, additives and enzymes were reported in several studies. Nevertheless, since 2011 food AA levels seem to stagnate or even increase in some years. Thus, the food industry did not show sufficient progress in reducing AA.
Reducing sugars and amino acid free asparagine (Asn) are the main AA precursors. They can fluctuate in their content for instance in grain flour or potatoes shifting the focus of AA origin to the raw material. Thus, the production of raw material low in AA precursors seems important.
However, lowering precursors of AA in the raw material necessitates suitable agronomic strategies to grow cereal species and cultivars low, especially in free Asn.
Hence, the major goal of this thesis was to investigate the following questions concerning their impact on free Asn formation in cereals:
1. Which role does the management system plays, as organic vs. conventional farming systems highly differ in their cropping strategies?
2. What is the best nitrogen fertilization strategy when comparing organic vs. conventionally cropping systems?
3. Is there an impact of sulphur fertilization concerning sulphur amount and sulphur type?
4. Can expanding row distance and lowering seed density in low-input farming systems positively influence baking quality while keeping free Asn amounts low?
5. For organically grown cereals no level of free Asn was available. Thus, the question came up to which extent organically grown cereal species and cultivars including ancient grains like einkorn and emmer differ in free Asn.
6. Should free Asn be implemented in breeding programs if heritability is high?
7. Is there an impact of harvest timing on free Asn formation?
Out of several field trials the following results were obtained:
The cropping system had a significant impact on grain yield, the level of free Asn and quality traits. Across all species, free Asn contents in flour were 26% lower under organic conditions compared to conventional farming. For wheat a maximum reduction of 50% in free Asn content was possible if organically produced. Spelt and rye were affected to a minor extend as only in single years organically grown cultivars showed up to 33% lower Asn contents.
Nitrogen (N) fertilization significantly influenced grain yield and baking quality in both cropping systems. In contrast, up to a certain amount of N free Asn was only affected to a minor extend. In particular, within the organic farming samples no significantly higher free Asn amounts were determined even if N fertilizer was raised or the N form was changed. A late N fertilization within the conventional cropping system increased crude protein content, while no clear effect was found on free Asn.
Also, cultivars affected free Asn level significantly. Wheat cultivar Capo exhibited the lowest AA formation potential at a N supply of 180 kg N ha−1 while simultaneously reaching a crude protein content > 15% (conventional) and > 12% (organic). Thus, lowering free Asn by adjusting N treatments should not necessarily affect baking quality. In general, free Asn amounts in wheat varied widely both within cultivars and between cropping systems. Besides N, neither type nor amount of sulphur fertilization influenced free Asn significantly.
Extending row distance can increase quality traits protein and sedimentation value. Seed density was highly related to grain yield and test weight. Most importantly, free Asn was only minor affected by both treatments. Thus, larger row distances can be recommended to raise baking quality in organic farming systems without simultaneously affecting free Asn.
Number of grains spike-1 seems to be related to free Asn (R2=0.72). This provides new insights on Asn synthesis during grain development and offers the opportunity to predict free Asn formation without expensive chemical analyzes. In contrast Asn and protein content did not show any relation while high protein contents in grain seem to lower AA amount in heated flour samples.
The impact of organically grown cereal species and cultivars in combination with marginal N supply on free Asn was clearly shown. A reduction potential of 85% was reached if rye was replaced by spelt. Surprisingly, the ancient species einkorn and emmer reached a very high free Asn content similar to rye. Heritability was high for wheat and spelt concerning locations, while regarding years, heritability was low for wheat but high for spelt and rye. For organically grown cereals, the relation between free Asn and AA formation was proven. Across species and years free Asn can serve as an indicator for AA formation (R2 of 0.69).
Harvest timing affects free Asn levels. In this context a delayed harvest can increase Asn significantly while shifting harvest 1-2 weeks earlier decreased Asn by up to 60% depending on cereal species and cropping system.
After summarizing and stating the most promising steps in the frame of agronomic strategies to lower free Asn, a prediction tool for free Asn should be implemented that classifies the impact of agronomic strategies and leads to recommendations to farmers.
Finally, the main riddle, that should be solved during the next studies is the question, why cereal species and cultivars differ in their Asn formation. This thesis gives some preliminary ideas but a much deeper insight is essential to establish long-term strategies to lower free Asn content
Flexible work arrangements and precautionary behaviour : theory and experimental evidence
Get PDFIn the past years, work time in many industries has become increasingly flexible opening up a new channel for intertemporal substitution. To study this, we set up a two-period model with wage uncertainty. This extends the standard saving model by allowing a worker to allocate a fixed time budget between two work shifts or to save. To test the existence of these channels, we conduct laboratory consumption/saving experiments. A novel feature of our experiments is that we tie them to a real-effort style task. In four treatments, we turn on and off the two channels for consumption smoothing: saving and time allocation. Our four main findings are: (i) subjects exercise more effort under certainty than under risk; (ii) savings are strictly positive for at least 85 percent of subjects (iii) a majority of subjects uses time allocation to smooth consumption; (iv) saving and time shifting are substitutes, though not perfect substitutes