2013 research outputs found
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Aspects of stomatal physiology during salt-stress-related disturbances of ion homeostasis
Get PDFSoil salinity is a major challenge for agriculture, because most crop plants are sensitive to high salt concentrations in soil, an environment that results in reduced growth and yield. One major constraint imposed by salinity is the disruption of ion homeostasis attributable to the uptake competition of salts and nutrients and the accumulation of deleterious ions, which are toxic to plants at high concentrations. For a better understanding of ion-homeostasis-associated traits contributing to salt tolerance in salt-sensitive crops, such as Vicia faba and Zea mays, the capabilities of ion exclusion and tissue tolerance were assessed in diverse genotype selections under saline conditions. In addition, the impact of increased salt ion concentrations in leaves and in the apoplast on stomatal physiology and guard cell integrity was characterized in V. faba exposed to long term salinity in order to improve our knowledge of stomatal physiology and functioning under conditions of NaCl stress.
The treatment of diverse V. faba varieties with 100 mM NaCl demonstrated that ion homeostasis-associated tolerance mechanisms are differentially managed for Na+ and Cl-. The longer-withstanding varieties were tolerant to the accumulation of Na+ suggesting that tolerance to Na+ predominantly occurred at the level of tissue tolerance after Na+ had entered the leaves. Conversely, tissue tolerance for Cl- was weak throughout all varieties suggesting that the tolerance to Cl- was facilitated instead by the restriction of the intrusion of Cl- into the plants shoots; this process might be crucial for the ability of V. faba to withstand NaCl salinity. The treatment of diverse Z. mays hybrids with mild and high doses of Cl- added to the soil revealed that most genotypes restricted Cl- root to shoot translocation. This suggests that Z. mays effectively prevents Cl- from entering the xylem and, thus, the acropetal transport of Cl-, thereby hindering harmful Cl- accumulations building up in the photosynthetically active leaf blades.
A detailed analysis of guard cell physiology under long-term NaCl demonstrated that guard cell primary metabolism differentially responds to altered ion composition resulting from salt stress in comparison with whole leaf tissue in V. faba; such a differential response might be a prerequisite for the maintenance of guard cell functionality under conditions of stress, i.e. the adjustment of guard cell turgor that affects stomatal aperture and water loss. Moreover, the shift from a photoperiod dependent accumulation of sucrose in guard cells and the apoplast to a photoperiod independent under salinity suggests that a metabolic sucrose-mediated feedforward mechanism is involved in coordinating stomatal closure under conditions of long term NaCl and might be beneficial for reducing water loss under conditions of stress related carbon partitioning.
In summary, this work shows that ion-homeostasis associated tolerance traits vary between crop species and that the differential metabolic acclimatisation of guard cells to disturbed ion homeostasis might represent an important aspect of tissue tolerance enabling the maintenance of stomatal regulation during long term salinity.Die Anreicherung von Salz in Ackerböden stellt eine große Herausforderung für die Landwirtschaft dar, da die wichtigsten Kulturpflanzen salzsensitiv sind und es folglich zu Ernteausfällen kommen kann. Eine Folge der Bodensalinität ist die Störung der Ionenhomöostase der Pflanze, die aus der Konkurrenz zwischen Salzionen und Nährstoffen um die Aufnahme sowie der Akkumulation von schädlichen Salzionen resultiert. Um das Wissen über Toleranzmechanismen von salzsensitiven Kulturpflanzen wie der Ackerbohne (Vicia faba L.) und Mais (Zea mays L.) zu erweitern, wurden die physiologischen Eigenschaften die Aufnahme von Salzionen in die Pflanze zu vermindern (Ionenexklusion) und hohe Salzkonzentrationen in pflanzlichem Gewebe zu tolerieren (Gewebetoleranz) in unterschiedlichen Genotypen beider Spezies untersucht. Des Weiteren wurde der Einfluss von erhöhten Salzkonzentrationen in Blättern und dem Apoplast auf die stomatäre Physiologie und Schließzellintegrität in V. faba unter Salzstress charakterisiert.
Die Behandlung einer Auswahl von 13 Ackerbohnensorten mit der Zugabe von 100 mM NaCl zur hydroponischen Nährlösung bis nekrotische Flecken auf den Blättern auftraten zeigte, dass Ionenhomöostase assoziierten Toleranzmechanismen der Ackerbohne bezüglich der Salzionen Na+ und Cl- unterschiedlich gehandhabt werden. Die widerstandsfähigeren Sorten waren gegenüber der Akkumulation von Na+ tolerant, was darauf hindeutet, dass die Toleranz gegenüber Na+ vorwiegend in Form von Gewebetoleranz nach der Aufnahme in die Pflanze auftritt. Die Gewebetoleranz für Cl- war bei allen Sorten schwach ausgeprägt, was impliziert, dass die Toleranz gegenüber Cl- durch die Limitierung des Cl- Transports in den Pflanzenspross erreicht wird. In Übereinstimmung mit der postulierten Cl--Empfindlichkeit von Leguminosen, stellt die Translokation von Cl- zum Pflanzenspross in V. faba einen Schlüsselprozess für die Toleranz gegenüber salzhaltigen Böden dar.
Die Behandlung einer Auswahl von 8 Mais-Hybriden mit niedriger und hoher Zugabe von Chlorid zum Boden (63.2 und 757.1 mg Cl- kg-1 Boden TM; gegeben als CaCl2) zeigte, dass die physiologische Reaktion auf Cl- im Vergleich zu equimolarer Zugabe von z.B. Na+ schwächer ausfiel. Außerdem zeigten die Profile der Cl--Verteilung in den Maispflanzen, dass die meisten Hybriden die Cl--Translokation aus der Wurzel in den Pflanzenspross limitierten. Dies deutet darauf hin, dass Mais den Cl--Transport in das Xylem effektiv beschränkt und somit den akropetalen Cl--Transport verringert, was einer der Photosynthese schädlichen Akkumulation von Cl- in Blattspreiten vorbeugt.
Die Untersuchung der Schließzellphysiologie von V. faba unter Salzstress zeigte, dass der Primärstoffwechsel von Schließzellen im Vergleich zum Gesamtblatt unterschiedlich auf eine gestörte Ionenhomöostase reagiert. Dies könnte eine wichtige Voraussetzung für die Aufrechterhaltung der Schließzellfunktionalität unter Salzstress sein, welche eine konstante Anpassung des Schließzellturgors und damit der stomatäre Apertur ermöglicht. Darüber hinaus wurde unter Salzstress die Veränderung einer von der Fotoperiode abhängigen Saccharose Akkumulation in Schließzellen und dem Apoplast zu einer permanenten, von der Fotoperiode unabhängigen Saccharose Akkumulation beobachtet. Dies weist auf einen metabolischen, Saccharose vermittelten feedforward Mechanismus hin, welcher an der Koordinierung des stomatären Schlusses unter Salzstress beteiligt ist und somit zur Reduktion des Wasserverlustes beiträgt.
Diese Arbeit zeigt, dass Ionen-Homöostase assoziierte Toleranzmerkmale zwischen der Ackerbohne und Mais variieren und dass die vom Mesophyll abweichende metabolische Akklimatisation von Schließzellen an eine durch Salzionen gestörte Ionenhomöostase einen wichtigen Aspekt der Gewebetoleranz darstellen könnte, welcher die Aufrechterhaltung der stomatären Regulation während andauerndem Salzstress begünstigt
Investigations on ruminal degradation of nutrients and feeding values of single feeds and compound feeds for cattle
Get PDFThe environmental impact of intensive animal farming has been steadily increasing. Cattle can contribute to environmental pollution due to relatively low nitrogen (N) and phosphorus (P) utilisation, leading to their excess excretion. High-yielding dairy cows are commonly fed concentrate compound feed, in mash or pelleted form, to satisfy high protein and energy requirements. Main source of energy in concentrate compound feeds is starch (ST). For the accurate formulation of compound feeds, comprehensive insight into nutritive values of single feeds as well as their potential interactions (associative effects) when mixed is needed. Typically, the nutritive values of single feeds are considered to be additive, assuming that no associative effects exist. However, data supporting such assumption for concentrate feed are scarce. The present thesis had two aims: evaluation of additivity of ruminal degradation of nutrients and feeding values of single concentrate feeds in compound feeds, and evaluation of effects of pelleting on ruminal degradation of nutrients and feeding values of compound feeds.
Twelve single feeds were used to formulate eight compound feeds in different combinations, targeting crude protein (CP) concentrations from 16 to 30% in dry matter (DM). Compound feeds were prepared both, in mash and pellet form in a commercial feed mill using standard industrial conditions. Ruminal degradation of single and compound feeds was evaluated using in situ and different in vitro techniques.
The in situ incubations were conducted by incubating samples of all single and compound feeds in polyester bags for 2, 4, 6, 8, 16, 24, 48, and 72 hours in three ruminally fistulated dairy cows. Bag residues were analysed and the ruminal effective degradability (EDIN_SITU) of CP and ST, was calculated for passage rates of 5 and 8%/h. Phosphorus is located in plants as phytate (InsP6), and for some feed samples the EDIN_SITU of InsP6 was also determined. The in vitro gas production (GP), digestibility of organic matter (dOM), metabolisable energy (ME), and utilisable CP at the duodenum (uCP) were evaluated using Hohenheim Gas Test and extended HGT. Intestinal digestibility (IDRUP) of ruminally undegraded protein (RUP) was determined using a three-step enzymatic method through incubation with pepsin and pancreatin. Chemical fractionation of CP was performed according to the Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS) The CP fractions can be also used to predict EDIN_SITU. Assessment of additivity was performed by comparing the observed values of compound feeds with values for compound feeds calculated from single feeds.
It was concluded that additivity of single feeds in mash compound feeds was given for EDCPIN_SITU, EDSTIN_SITU (Manuscript 1), uCP, CP fractions, GP, and dOM (Manuscript 2). Here, associative effects among single feeds were considered to be small and should not affect formulation of concentrate compound feeds. The GP and proximate nutrients are necessary to estimate ME using appropriate equations, often specific for feed or feed type. The additivity of ME was given only when same ME equation for single and compound feeds was used. Additivity was not given for IDRUP (Manuscript 2).
Pelleting had overall small effects on feeding values of compound feeds determined in situ and in vitro (Manuscripts 1 and 2). Presumably, the relatively low intensity of heating (up to 8090°C) during the pelleting process was not sufficient to significantly affect nutritive value of compound feeds, with the exception of decreased IDRUP.
Overall, it was concluded that additivity of ruminal degradation of nutrients and feeding values of single feeds in mash and pelleted compound feeds can be assumed for practical feed formulation. While some associative effects were detected, they might be related to methodological causes in most of the cases.Die Umweltauswirkungen der intensiven Tierhaltung nehmen stetig zu. Bei Rindern wird ein relativ großer Teil des durch das Futter zugeführten Stickstoffs (N) und Phosphors (P) wieder ausgeschieden. Um den hohen Protein- und Energiebedarf hochleistender Milchkühe zu decken werden diese in der Regel zusätzlich zum Grobfutter mit Kraftfuttermitteln, in Mehl- oder Pelletform, gefüttert. Die Hauptenergiequelle in Kraftfuttermitteln ist Stärke (ST). Für die Formulierung von Mischfuttermitteln sind die Kenntnis der Nährwerte der einzelnen Futtermittel sowie Wissen über mögliche Wechselwirkungen (assoziative Effekte) zwischen den Einzelkomponenten erforderlich. Typischerweise werden die Nährwerte einzelner Futtermittel als additiv betrachtet, was bedingt, dass assoziative Effekte ausgeschlossen werden. Forschungsdaten, die eine solche Annahme für Kraftfutter unterstützen sind jedoch unzureichend. Die vorliegende Arbeit hatte zwei Ziele: Die Bewertung der Additivität des ruminalen Nährstoffabbaus und der Futterwerte von Einzelfuttermitteln in Mischfuttermitteln, und die Bewertung der Auswirkungen einer Pelletierung auf den ruminalen Nährstoffabbau und die Futterwerte von Mischfutter.
Basierend auf zwölf gängigen Einzelfuttermitteln wurden acht Mischfuttermittel mit variablen Anteilen der Komponenten erstellt. Die Mischfutter wurden so konzipiert, dass XP-Konzentrationen von 16 bis 30% in der Trockenmasse (TM) erreicht wurden. Die Mischfutter wurden sowohl in Mehl- als auch in Pelletform in einem kommerziellen Mischfutterwerk unter industriellen Bedingungen hergestellt. Proben der Einzelfuttermittel und der mehlförmigen sowie pelletierten Mischfutter wurden in situ- und mit verschiedenen in vitro-Methoden hinsichtlich ihres Futterwerts untersucht.
Hierzu wurden die für 2, 4, 6, 8, 16, 24, 48 und 72 Stunden in drei Pansen fistulierten Milchkühen inkubiert. Die Beutelrückstände wurden chemisch analysiert und der effektive XP- und ST-Abbau (EDIN_SITU) für eine Passagerate von 5 und 8%/h berechnet. Phosphor liegt in Pflanzensamen größtenteils als Phytat (InsP6) vor, und in einigen Futtermittelproben wurde auch die EDIN_SITU von InsP6 bestimmt. Die in vitro Gasbildung (GB), die Verdaulichkeit der organischen Masse (dOM), umsetzbare Energie (ME) und das nutzbare XP am Duodenum (nXP) wurden im Hohenheimer Futterwerttest bzw. im erweiterten HFT untersucht. Die Dünndarmverdaulichkeit (IDRUP) des im Pansen nicht abgebauten Proteins (RUP) wurde in einem dreistufigen in vitro System basierend auf einer Inkubation mit Pepsin und Pankreatin bestimmt. Zudem wurde die chemische XP-Fraktionierung nach dem Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS) durchgeführt. Die CP-Fraktionen können auch zur Berechnung von EDIN_SITU verwendet warden. Die Ermittlung der Additivität erfolgte durch den Vergleich der ermittelten Werte für Mischfutter mit kalkulierten Werten für Mischfutter, die aus einzelnen Futtermitteln berechnet wurden.
Die Ergebnisse führten zu dem Schluss, dass die Additivität von Einzelfuttermitteln in mehlförmigen Mischfutter für EDXPIN_SITU, EDSTIN_SITU (Manuskript 1), nXP, CNCPS-Fraktionen, GP und dOM (Manuskript 2) gegeben war. Es wurde geschlussfolgert, dass assoziative Effekte zwischen den einzelnen Futtermitteln bei der Formulierung von Mischfutter nicht berücksichtigt werden brauchen. Die ME konnte mit ausreichender Schätzgüte aus der GB und den Rohnährstoffen abgeleitet werden. Diese Schätzung war in vielen Fällen spezifisch für den Futtertyp oder das Futter. Die Additivität von ME war nur gegeben, wenn die gleiche ME-Formel für Einzel- und Mischfutter verwendet wurde. Die Werte für IDRUP zeigten jedoch keine Additivität (Manuskript 2).
Pelletieren hatte insgesamt einen sehr geringen Einfluss auf die in situ und in vitro ermittelten Kennzahlen des Futterwerts der hier untersuchten Mischfutter (Manuskript 1 und 2). Vermutlich war die relativ geringe Ausmaß der Erhitzung während des Pelletiervorgangs (8090°C) nicht ausreichend, um den Nährwert von Mischfuttermitteln signifikant zu beeinflussen, mit der Ausnahme von reduziertem IDRUP. Lediglich für IDRUP konnte eine Veränderung nachgewiesen werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass die Additivität des ruminalen Nährstoffabbaus und des Futterwerts von Einzelfuttermitteln in mehlförmigem und pelletiertem Mischfutter für die praktische Futterformulierung angenommen werden kann. Nur wenige assoziative Effekte, welche vermutlich auf methodische Ursachen zurückzuführen waren, konnten nachgewiesen werden
Functional characterization of genes involved in development and function of cluster root in Lupinus albus
Get PDFDie Clusterwurzeln der Weißen Lupine sind spezialisierte, bürstenartige Wurzelstrukturen, die in manchen Pflanzenarten unter Phosphormangel gebildet werden. Sie scheiden intensiv Protonen und organische Anionen aus, um schwer lösliche Phosphate zu lösen und pflanzenverfügbar zu machen. Wegen der außerordentlichen Phosphor (P)-Effizienz dient die Weiße Lupine seit vielen Jahren als aufschlussreicher Modellorganismus der Erforschung der Anpassung von Pflanzen an Phosphormangel. Ziel dieser Studie war es, genetische Komponenten der Clusterwurzelentwicklung und deren Funktion bei Phosphormangel zu identifizieren und damit die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Insbesondere standen ein Peptid (LaCEP1), welches eine mögliche Rolle als Signal bei der Clusterwurzelentwicklung haben könnte und Kandidatengene für die Ausschüttung von organischen Molekülen im Zentrum dieser Arbeit.White lupin cluster roots are specialized brush-like root structures that are formed in some species under phosphorus (P)-deficient conditions. They intensely secrete protons and organic anions for solubilization and acquisition of sparingly soluble phosphates. Because of the outstanding P efficiency of white lupin, this species has served as an illuminating model for plant adaptations to phosphorus deficiency. Since decades, numerous studies were carried out to gain a comprehensive knowledge of cluster root formation and function. The aim of this study was to identify genetic components involved in cluster root development and to identify the transporter genes that are potentially involved in citrate andmalate secretion under P deficiency as well as under toxic aluminium (Al) exposure
The bioeconomy : a knowledge-based innovation paradigm to foster sustainability transformations
Get PDFNotwithstanding 40 years of global climate policies, carbon dioxide emissions are still increasing and global surface temperature is still rising until today with all its consequences to ecosystems and the fate of humanity on Earth. Current attempts to stop and reverse unsustainable developments that lead to the climate crisis and to other ecological and social disasters have proven rather ineffective. While there certainly are many reasons for this on the operative level, the dissertation is motivated by the assumption that countermeasures generally suffer from a lack of systemic framing of the wicked sustainability issues. What if solution approaches despite being brought forward to the best of decision makers knowledge and belief (only) are subject to a perceptual mistake in the way sustainable solutions are currently framed?
I propose a change in perspective as decision making basis for improved sustainability governance. It is a call for getting to the systemic root causes of sustainability problems. To achieve a change in (unsustainable) outcomes, I argue, the logic on which they are produced must change. I conceptualize this change as a paradigmatic shift in knowledge-based innovation systems that becomes necessary to equip them with the requirements to foster sustainability transformations. To this end, I adduce the sustainable knowledge-based bioeconomy as an example of a new innovation paradigm. The knowledge base of innovation systems dedicated to sustainability is explored theoretically and empirically on a policy, an educational, and on a business level.
The dissertation is composed of four studies published between 2017 and 2020. After an introduction to the topic and the presentation of the theoretical background, the first paper explores the paradigmatic changes necessary to align innovation systems to the normative implications of sustainability transformations. The types of knowledge required for transformations in the case of the shift towards a sustainable bioeconomy are dealt with in the second publication. The elaboration and refinement of the notion of dedicated knowledge provides a knowledge-theoretical basis for better informing policy makers aiming at the installation of a sustainable knowledge-based bioeconomy. In th ethird study, I analyze to what extent elements of transformative knowledge one integral part of dedicated knowledge are considered in the design of European academic bioeconomy curricula. The last paper spotlights the role of firms in contributing to a system-wide adoption of the dedication to sustainability. It closes an important gap between the macro-level of transformation theories and the powerful private actors contributing to its overall outcome from the micro-level. The final Chapter synthesizes and discusses the results of the dissertations publications by sketching the knowledge-based change of innovation paradigms that contribute to a transformation to sustainability.
The results reveal that a reflection of dedicated transformation processes from a paradigmatic perspective offers theoretical insights that can and should inform public, academic, as well as corporate sustainability endeavors. The consideration of innovation paradigms prompts research to explicitly spell out the normative dimension of innovation processes in innovation systems. This is a decisive step to understanding and possibly informing actions aiming at deliberate change. As an example, I have framed the sustainable bioeconomy as a new paradigm that determines the rate and the direction of innovation in a dedicated innovation system. Once the sustainable bioeconomy paradigm is effective, I argue, it will spontaneously trigger a change in resources used without having it imposed from authorities. To get there, however, policies must take due consideration of the specific characteristics of the relevant knowledge flows, academia must be better trained to afford the required shift in perspectives and trigger transformation processes, and companies must reconsider the values they propose and deliver to their customers.
The assemblage of publications spells out the theoretical underpinnings of the knowledge-based bioeconomy and its potential to serve as a new paradigm to spur sustainability transformations. More concretely, the dissertation reveals to what extent the role of knowledge and knowledge itself needs to be reconsidered and in which ways it must be expanded for achieving a systemic change towards more sustainable consumption and production patterns.Trotz der 40 Jahre globaler Klimapolitik steigen die Kohlendioxid-Emissionen bis heute. Und die Erderwärmung nimmt weiter zu. Mit allen Konsequenzen für Ökosysteme und für unser Leben auf der Erde. Offensichtlich sind die jetzigen Anstrengungen, die nicht-nachhaltigen Entwicklungen zu stoppen oder rückgängig zu machen, um die Klimakrise und andere ökologische und soziale Katastrophen zu verhindern, nicht wirksam genug. Natürlich gibt es dafür eine Vielzahl an Gründen. Die vorliegende Dissertation gründet auf der Annahme, dass es den Maßnahmen grundsätzlich an einer systemischen Problembetrachtung fehlt. Liegt den gut gemeinten politischen Initiativen möglicherweise ein fundamentaler Fehler in der Art und Weise wie wir nachhaltige Lösungen angehen zugrunde?
Ich möchte hier zu einem Perspektivwechsel anregen mit dem Ziel, Entscheidungsträgern eine Grundlage für eine erfolgreiche Nachhaltigkeitspolitik zu bieten. Es ist ein Aufruf, den systemischen Problemen wirklich auf den Grund zu gehen. Um (nicht-nachhaltige) Ergebnisse zu verändern, muss sich die Logik, nach welcher sie entstehen, ändern. Aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht die Arbeit einen Paradigmenwechsel in wissensbasierten Innovationssystemen, der für ihren Beitrag zur Nachhaltigkeitstransformation notwendig ist. Dazu betrachte ich die nachhaltige wissensbasierte Bioökonomie als ein Beispiel für ein neues Innovationsparadigma. Um die Voraussetzungen für die Durchsetzung eines solchen alternativen Paradigmas besser zu verstehen, wird die Bedeutung von Wissen und der Umgang damit gründlich untersucht. Denn Wissen gilt als ein wichtiger Ansatzpunkt, wenn es darum geht, einen Systemwandel zu erreichen. Aus diesem Grund beleuchte ich das so genannte dedizierte Wissen theoretisch und empirisch.
Die Dissertation setzt sich zusammen aus vier Studien, die zwischen 2017 und 2020 veröffentlicht wurden und werden. Nach einer thematischen und theoretischen Einführung untersucht der erste Artikel die paradigmatischen Änderungen, die notwendig sind, um Innovationssysteme an den normativen Zielen einer Nachhaltigkeitstransformation auszurichten. Die für die Transformation notwendigen Wissensarten und zwar speziell für die nachhaltige Bioökonomie werden in der zweiten Publikation genauer untersucht. Die Erkenntnisse über das dedizierte Wissen liefert eine wissenstheoretische Grundlage für effektivere Bioökonomiepolitik. Ein spezielles Anwendungsgebiet für die Generierung und Verbreitung von dediziertem Wissen im Rahmen der Transformation zur Bioökonomie erforscht die dritte Studie. Hier werden europäische Bioökonomie-Studiengänge auf ihre Eignung zur Vermittlung von transformativem Wissens integraler Bestandteil dezidierten Wissens untersucht. Im letzten Artikel wird die Rolle von Unternehmen und ihr Beitrag zu systemweiten Veränderungen hin zu einer Dedikation zur Nachhaltigkeit beleuchtet. Die Publikation schließt die Lücke zwischen den Transformationstheorien auf dem Makrolevel und den einflussreichen Privatakteuren, die von der Mikroebene aus die Ergebnisse des Innovationssystems entscheidend mitbestimmen. Das Schlusskapitel fasst die Ergebnisse zusammen und diskutiert sie vor dem Hintergrund der wissensbasierten Veränderungen von Innovationsparadigmen.
Die Betrachtung dedizierter Transformationsprozesse aus paradigmatischer Perspektive liefert theoretische Erkenntnisse, die für öffentliche, akademische wie auch privatwirtschaftliche Nachhaltigkeitsanstrengungen von höchster Relevanz sind. Überlegungen zu Innovationsparadigmen verlangen es von Forschern, die normative Dimension von Innovationsprozessen in Innovationssystemen explizit zu machen. Dieser Schritt ist entscheidend, um den gewünschten Wandel zu verstehen und möglicherweise mitzugestalten. Als Beispiel dient die nachhaltige Bioökonomie als neues Paradigma, das die Geschwindigkeit und die Richtung von Innovationen in einem dedizierten Innovationssystem bestimmt. Es ist zu erwarten, dass ein Paradigma der nachhaltigen Bioökonomie aus sich selbst heraus eine Rohstoffwende einleiten wird, ohne dass diese vom Gesetzgeber vorgeschrieben wird. Um dorthin zu gelangen, muss jedoch viel geschehen: Politik muss die spezifischen Eigenschaften der relevanten Wissensflüsse berücksichtigen, UniversitätsabsolventInnen müssen dazu ausgebildet werden, einen Perspektivwechsel vollziehen zu können, um die Nachhaltigkeitstransformation zu initiieren und Unternehmen müssen überdenken, welche Art von Werten sie der Gesellschaft feilbieten wollen.
Die Gesamtheit der vorgestellten Studien klärt detailliert die theoretischen Grundlagen der wissensbasierten Bioökonomie und deren Potenzial, als neues Innovationsparadigma die Nachhaltigkeitstransformation zu befördern. Gleichzeitig verdeutlicht die Dissertation, welch große Bedeutung eine Neubewertung des Wissens und seiner Rolle in Innovationssystemen hat, um einen systemischen Wandel zu nachhaltigeren Produktions- und Konsummustern zu erreichen
A backscatter lidar forward operator for aerosol-representing atmospheric chemistry models
Get PDFState-of-the-art atmospheric chemistry models are capable of simulating the transport and evolution of aerosols and trace gases but there is a lack of reliable methods for model validation and data assimilation. Networks of automated ceilometer lidars (ACLs) could be used to fill this gap. These networks are already used for the detection of clouds and aerosols, providing a 3D dataset of atmospheric backscatter profiles. But as the aerosol number concentration cannot be obtained from the ACL data alone; one needs a backscatter-lidar forward model to simulate lidar profiles from the model variables. Such an operator allows then for a qualitative and quantitative model validation based on ACL data. In this work, a newly developed backscatter-lidar forward operator and the related sensitivity studies are presented and results of the forward operator applied on model output data are compared to measured ACL profiles in the frame of a case study. As case study, the eruption of the Icelandic volcano Eyjafjallajökull in 2010 was chosen and extensively analyzed. The Consortium for Small-scale Modeling - Aerosols and Reactive Trace gases (COSMO-ART) model of DWD (Deutscher Wetterdienst) was operated during this event for ash-transport simulations over Europe. For the forward model, the attenuated backscatter coefficient is used as lidar-independent variable, which only relies on the laser wavelength. To calculate the attenuated backscatter coefficient, the size-dependent aerosol number concentration and the scattering properties of each aerosol type and size have to be simulated. While the aerosol number concentration is a model output variable, the scattering properties were determined by extensive scattering calculations. As these scattering calculations require assumptions about the aerosol refractive indices and shapes, sensitivity studies were performed to estimate the uncertainties related to the particle properties as represented by the model system. An analysis of the particle shape effect for the extinction and backscatter coefficients resulted in huge differences of the scattering properties between spherical, ellipsoidal and cylindrical particle shapes. Due to a particle shape mixture in typical volcanic ash plumes, the application of non-spherical scattering calculation methods for estimating the effective optical properties requires more information related to the particle shape distribution (specifically: a particle size and shape distribution). As such information was not available for the present case study, it was necessary to assume spherical shaped volcanic ash particles but estimate the uncertainty related to this assumption within the frame of additional sensitivity studies. Finally, the forward modeled lidar profiles were compared to ACL measurements from stations of the German ACL network. The comparison required an extraction of common time and height intervals of the ACL and forward modeled COMSO-ART data as well as reshaping the datasets to the same vertical and temporal resolution. Significant differences between ACL profiles and the output of the forward operator applied to the COSMO-ART data were found. Some ash layer structures were at similar coordinates which is remarkable due to the uncertainties related to the model dynamics and the limited amount of measurement data that could be used for model validation. In detail, however, the major fraction of the compared time and height interval differed both in the relative signal intensity and the layer structures of the volcanic ash plume. Based on such quantitative comparison, a future data assimilation system could correct the model prediction of the forward modeled attenuated backscatter coefficient, the time of arrival, as well as the vertical structure of the volcanic ash plume.
In summary, the continuous and distributed data stream provided by ACL stations was found to deliver valuable verification information for dispersion simulations of aerosol events. But major issues have been determined which limit current realizations of backscatter-lidar forward operators for aerosol transport simulations: First, it is suggested that the ACL systems improve their dynamic range and perform automatic calibration to increase the precision of ACL data and for calculating the measured attenuated backscatter coefficient with a minimum leftover of uncertainties. This will allow for the calculation of the attenuated backscatter coefficient in the presence of clouds as well as of faint aerosol signals. Second, the aerosols scattering properties have to be analyzed even more extensively which includes both the variety of aerosol sizes or types as well as the size distribution information. From the findings within this study, the particle size distribution was indentified to be a critical component when using monodisperse size classes.Atmosphärenchemie-Modelle der aktuellen Generation können Transportvorg"ange und chemische Veränderungen von Aerosolen und Spurengasen in der Atmosphäre simulieren und prognostizieren. Die Qualität und Validität der Simulation lässt sich mit den derzeit vorhandenen Messmitteln nur unzureichend beurteilen - geschweige denn mittels Datenassimilation verbessern, da umfassende und zuverlässig verfügbare Validierungsdaten sowie Validierungsmethoden praktisch nicht vorhanden sind. Einen Lösungsansatz stellen Netzwerke aus automatisierten Ceilometer-Lidarsystemen dar. Diese Systeme werden üblicherweise für die Erkennung von Wolken eingesetzt, eignen sich jedoch auch für die Erkennung von Aerosolschichten wie Vulkanasche, Saharastaub und weiteren Aerosolarten. Diese Daten sind jedoch nicht direkt für die Validierung von Aerosoltransport-Vorhersagen verwendbar, da die Aerosolkonzentration einzelner Größenklassen oder Größenverteilungen nicht - oder nur unter bestimmten Annahmen - aus den Rückstreuprofilen ableitbar ist. Ein alternativer Ansatz besteht in der Simulation von Lidarprofilen auf Basis der vom Vorhersagemodell berechneten Atmosphärensituation und dem anschließenden Vergleich der simulierten und gemessenen Lidarprofile. Eine Implementierung eines solchen sogenannten Rückstreulidar-Vorwärtsoperators ist Gegenstand dieser Arbeit; ebenso die Analyse der Unsicherheiten im Rahmen von Sensitivitätsstudien sowie Vergleiche zwischen vorwärtsmodellierten Modell-Prognoseergebnissen und gemessenen Rückstreuprofilen im Fall des Vulkanausbruchs des Eyjafjallajökull (Island) im Jahr 2010. Hierfür wurden Simulationsergebnisse des Atmosphärenchemie-Modells COSMO-ART (Consortium for Small-scale Modeling - Aerosols and Reactive Trace gases) verwendet. Die in COSMO-ART mittels monodisperser Größenklassen beschriebenen Vulkanaschedaten bewirken eine sehr hohe Sensitivität der simulierten Streueigenschaften, sodass Methoden für eine repräsentative Berechnung der Rückstreuquerschnitte von Vulkanasche bei Verwendung von monodispersen Größenklassen entwickelt werden mussten. Als gemeinsame physikalische Messgröße der gemessenen und simulierten Lidarprofilen wurde der sogenannte abgeschwächte Rückstreukoeffizient (engl.: attenuated backscatter coefficient) verwendet, da diese Größe - mit Ausnahme der eingesetzten Wellenlänge des emittierten Lichts - unabhängig von den Eigenschaften des simulierten Lidargeräts ist. Für die Berechnung des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten müssen die Streueigenschaften und Anzahldichten jeder relevanter, vom Modell abgebildeter Aerosolart berechnet werden. Während die Anzahl an Vulkanascheteilchen pro Größenklasse eine Ausgabegröße von COSMO-ART ist, waren für die Bestimmung der Streueigenschaften der im Modell vorhandenen Aerosolarten und -größenklassen umfangreiche Streuberechnungen nötig. Die Unsicherheiten der simulierten Lidarprofile wurden im Rahmen von Sensitivitätsstudien bezüglich komplexem Brechungsindex, Partikelform sowie Schwankungen der emittierten Wellenlänge des Lasers quantifiziert. Nach Anwenden des Vorwärtsoperators auf die Simulationsergebnisse von COSMO-ART und Berechnen des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten aus Messdaten des Deutschen Ceilometernetzwerks wurden Modellprognose und Messung qualitativ und quantitativ miteinander verglichen. Der Vergleich an der Ceilometer-Station Deuselbach ergab signifikante Unterschiede zwischen Simulation und Messung: Die erkannten Ascheschichten und -strukturen waren nicht nur in ihrer Form und Position unterschiedlich, sondern auch in den absoluten Werten des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten. Anhand dieser Arbeit konnten wesentliche Aspekte identifiziert werden, die die Validierung von Simulationsergebnissen mittels ACL Messungen unter Verwendung eines Rückstreu-Lidar Vorwärtsoperators bisher stark einschränken und für zukünftige Validierungsansätze zu deutlich aussagekräftigeren Ergebnissen führen werden: Die Erweiterung des dynamischen Messbereichs sowie eine automatisierte und transparente Kalibrierung der Ceilometer ist unabdingbar, um die Qualität des Referenzdatensatzes selbst zu verbessern. Eine Verbesserung der Vorwärtsoperator-Qualität wird primär durch weitere Analysen und Optimierungen zur Berechnung der effektiven Streueigenschaften der Aerosolklassen und -Arten erreicht, aber auch durch das Optimieren der Aerosol-Repräsentation im Vorhersagemodell. Dies beinhaltet sowohl das Erweitern der abgebildeten Aerosolarten (insbesondere Hintergrundaerosol) als auch der Optimierung der Aerosoldarstellung im Sinne von Modalen Darstellungen oder einer besseren Auflösung bestimmter Größenklassenbereiche. Vorhersagen zur Vulkanascheverteilung können jedoch mit dem hier vorgestellten Rückstreu-Lidar Vorwärtsoperator basierend auf reinen Rückstreuprofil-Messungen bestehender ACL Systeme bewertet und verifiziert bzw. falsifiziert werden
It's a man's world? The rise of female entrepreneurship during privatization in Serbia
Get PDFThe relationship between female empowerment and economic development is one of the most complex examples of reverse causality, yet multiple scholars acknowledge that female empowerment promotes economic progress. One of the crucial aspects of female empowerment is female entrepreneurship; however, the literature on the emergence of female entrepreneurship is scarce. We focus on the rise of female entrepreneurship in Serbia and collect an extensive biographical dataset of women, who took part in privatization. Although women enjoyed the same de jure rights as men, they faced a number of informal restrictions such as i) patriarchal values, limiting the role of women in the society and ii) occupations in low-wage sectors, making it difficult to accumulate capital. Analyzing the determinants of failures of the newly privatized firms during 2002{2019 we find a significant negative relationship between the risks of failure and the cases of own independent entrepreneurial success of women prior to privatization as well as the cases, in which only the entrepreneurial success of husbands of these women was registered. This relationship is robust to controlling for diverse characteristics of firms and to inclusion of ownership duration. We also find that the presence of influential husbands in the background was not significantly related to the subsequent change of ownership. Although the ownership change was registered for the majority of firms in our sample, we find that during the Serbian privatization women managed to build up on their own entrepreneurial success, which contributed to female empowerment. These findings can be relevant for understanding the aftermath of privatizations with respect to gender inequality in other transition countries
Overconfidence and gender differences in wage expectations
Get PDFWe analyze the impact of (over-)confidence on gender differences in expected start-ing salaries using elicited beliefs of prospective university students in Germany. According to our results, female students have lower wage expectations and are less overconfident than their male counterparts. Oaxaca-Blinder decompositions of the mean show that 7.7% of the gender gap in wage expectations is attributable to a higher overconfidence of males. Decompositions of the unconditional quantiles of expected salaries suggest that the contribution of gender differences in confidence to the gender gap is particularly strong at the bottom and top of the wage expectation distribution
Dietary intake, nutritional status of lactating women and their 6-23-months-old children in Genta Afeshum District, Rural Ethiopia : adaptation and validation of calculator for inadequate micronutrient intake (CIMI)
Get PDFReligious fasting is one of the categories of dietary or food taboos, which may affect the dietary intake and nutritional status of individuals. In Ethiopia, about half of the population are followers of Ethiopian Orthodox Tewahedo religion, and approximately 250 days per annum are fasting days. In these fasting days, lactating and pregnant women and children are exempted from fasting. However, lactating and pregnant women fast and are not also happy to prepare non-fasting foods for their children during the fasting days due to fear of contamination of family food.
Early identification of micronutrient deficiencies in Ethiopia are flouted, as most often the quantitative dietary data are not available. As a result, the hidden hunger might have not been addressed properly, where it remains high and persistent. Therefore, easy to use, less costly and applicable assessment tool which can estimate the quantitative dietary intake of an individual or a community is urgently needed to achieve the national and international goals set for eradicating malnutrition. The Calculator for Inadequate Micronutrient Intake (CIM) is a simple, easy-to-use, informative, web-based application of quantitative dietary assessment method, which was first developed in Indonesia for Indonesian population. It estimates energy and nutrient intake correctly, and identifies nutrient inadequacy according to FAO/WHO recommended nutrient intake (RNI) regarding age, sex and physiological stage. Thus, the present study was conducted with the aim of assessing and comparing the nutritional status and dietary intake of lactating women and their 6-23-months-old children in fasting and non-fasting periods, and to adapt and validate the CIMI program for Ethiopian population.
This study was conducted in rural Genta Afeshum district, in Tigray, Ethiopia, where almost all people in the woreda are followers of Ethiopian Orthodox Christianity. A longitudinal study was conducted using575 and 522 lactating women and their 6-23-months-old children in the lent fasting and non-fasting.
In the present study it was found out that the prevalence of underweight (BMI < 18.5 kg/m2) in fasting lactating women was high (50.6%) which is associated with maternal age, maternal illness within four weeks preceding the fasting survey, fasting status during their pregnancy and lactation period of their children included in this study. Additional predictor variables for maternal underweight were grandfathers as household decision maker, use of non-improved water source, household aid experience and the absence of chicken in the household. The average number of meals, diet diversity, and animal source foods consumption scores were significantly higher in non-fasting compared to fasting periods, regardless of the fasting status (p < 0.001, p < 0.05 and p < 0.001, respectively). Whereas, 31.633.7%, 11.715.7% and 4.44.8% of the 6-23-months-old children in the study population were stunted, underweight and wasted, respectively. In the fasting period, the weight-for-length (WLZ) and length-for-age (LAZ) values for the 6-23-months-old children of non-fasting mothers were significantly higher (p < 0.05) than the children of the fasting mothers group. Similarly, the median weight-for-age (WAZ) and diet diversity score (DDS) of children of fasting mothers were also significantly lower in fasting compared to non-fasting period. The proportion of the 6-23-months-old children who met the minimum acceptable diet (MAD) was small (2.3-6.7%) in the study population; however, this proportion was significantly (p < 0.001) higher in the non-fasting than fasting period in the children of fasting mothers. Age of the child, maternal fasting status during pregnancy and
lactation periods, maternal education and occupation were associated with child underweight. Likewise, age of the child, colostrum intake status, maternal fasting status during pregnancy and lactation period and toilet presence in the household were associated with child stunting. But, maternal fasting status during lactation period and maternal education predicted wasting in the children precisely. The average energy, protein and almost all micronutrients intakes of children and women were lower in fasting compared to non-fasting period. At the same time, the prevalence of inadequate intakes of energy, protein and most micronutrients were higher in both the children and lactating women during fasting than non-fasting period. The result of this study revealed that the correlation coefficients for the average dietary nutrient intake calculated by CIMI and the reference software NutriSurvey (NS) were between 0.741-0.956 for the children and between 0.779-0.920 for the lactating women groups. As a conclusion, the dietary pattern and nutritional status of lactating women and their breastfed children are affected during the fasting period. Therefore, the existing multi-sectoral nutrition intervention strategies in Ethiopia should include religious institutions in a sustainable manner. CIMI adapted for the rural Ethiopian setting estimates the average nutrient intake accurately; and identifies inadequate micronutrient intake of individuals enabling enumerators to provide feedback and suggest improvements. Thus, CIMI can be used in Ethiopia, as a simple dietary assessment tool by nutrition and related researchers, policy makers, implementers and evaluators.Beim religiösen Fasten werden Lebensmitteltabus praktiziert, die die Nährstoffaufnahme und den Ernährungszustand eines Individuums beeinflussen können. In Äthiopien besteht etwa die Hälfte der Bevölkerung aus äthiopisch-orthodoxen Anhängern der Tewahedo-Religion. In dieser Religion wird an ungefähr 250 Tagen im Jahr gefastet, wobei stillende und schwangere Frauen und Kinder vom Fasten ausgeschlossen sind. In der Regel wird das Fasten jedoch auch von laktierenden und schwangeren Frauen praktiziert, und diese Frauen bereiten ihren Kindern während der Fastentage nicht gerne tierische Lebensmittel zu, aus Angst, das Familienessen zu verunreinigen―.
Die frühzeitige Erkennung von Mikronährstoffmängeln in Äthiopien scheitert meist an der mangelnden Verfügbarkeit von quantitativen Daten zur Nährstoffaufnahme. Infolgedessen wird der verborgene Hunger nicht richtig wahrgenommen und bekämpft, wodurch er dauerhaft und in einer hohen Prävalenz auftritt. Um die nationalen und internationalen Ziele zur Beseitigung der Unterernährung zu erreichen, ist ein einfaches, kostengünstiges und praktisch anzuwendendes Erhebungsinstrument mit dem die quantitative Nährstoffaufnahme einer Einzelperson oder einer Gemeinschaft geschätzt werden kann, dringend erforderlich. Der Calculator for Inadequate Micronutrient Intake (CIMI) ist eine simple, benutzerfreundliche, informative App zur quantitativen Ergebung der Micro- und Makronährstoffzufuhr, deren Vorläuferversion für die indonesische Bevölkerung entwickelt wurde. CIMI schätzt die Energie- und Nährstoffaufnahme korrekt ein und identifiziert gemäß der FAO / WHO empfohlenen Nährstoffzufuhr (RNI) eine unangemessen niedrige Nährstoffaufnahme in Bezug auf Alter, Geschlecht und Schwangerschaft/Stillzeit.
Ziel der vorliegenden Studie war die Erfassung und Beurteilung des Ernährungsstatus und der Nahrungsaufnahme laktierender Frauen und ihrer 6-23 Monate alten Kinder in Fasten- und Nicht-Fastenzeiten. Desweiteren sollte das CIMI-Programm an die äthiopische Bevölkerung angepasst und dessen Anwendbarkeit untersucht werden.
Diese Studie wurde im ländlichen Bezirk Genta Afeshum in Tigray, Äthiopien durchgeführt, in dem fast alle Menschen Anhänger des äthiopisch-orthodoxen Christentums sind. Es handelte sich um eine longitudinale Studie an der 575 und 522 stillende Frauen und ihre 6-23 Monate alten Kinder während einer Fasten- und einer Nicht-Fastenperiode teilnahmen.
Die vorliegende Studie ergab, dass die Prävalenz von Untergewicht (BMI <18,5 kg / m2) bei fastenden laktierenden Frauen hoch war (50,6%). Diese hohe Prävalenz an Untergewicht war mit dem mütterlichen Alter, einer Erkrankung der Mutter innerhalb von vier Wochen vor der Befragung, des Fastens während der Schwangerschaft und der Stillzeit ihrer in diese Studie eingeschlossenen Kinder assoziiert. Weitere Prädiktoren für ein mütterliches Untergewicht waren Großväter als Entscheidungsträger im Haushalt, die Verwendung einer unsicheren Wasserquelle, der Erhalt von Haushaltshilfen und das Fehlen von Hühnern im Haushalt. Die durchschnittliche Mahlzeitenanzahl, die Nahrungsvielfalt und der Konsum von tierischen Lebensmitteln war in der Nicht-Fastenperiode signifikant höher (p <0,001, p <0,05 bzw. p <0,001), unabhängig vom Fastenstatus. Dem gegenüber waren 31,633,7%, 11,715,7% und 4,44,8% der 6-23 Monate alten Kinder in der Studienpopulation zu klein für ihr Alter, untergewichtig und zu leicht für ihr Alter. In der Fastenperiode waren die Werte für das Gewicht für die Körpergröße (WLZ) und für die Größe des Alters (LAZ) für die 6-23 Monate alten Kinder nicht fastenden Müttern signifikant höher (p <0,05) als die Kinder der Gruppe der
fastenden Müttern. In ähnlicher Weise waren auch der Median des Altersgewichts (WAZ) und des Diet Diversity Scores (DDS) der Kinder von fastenden Müttern während der Fastenperiode signifikant niedriger als im fastenfreien Zeitraum. Der Anteil der 6-23 Monate alten Kinder, die die akzeptable Mindestdiät (MAD) verzehrten, war in der Studienpopulation gering (2,3-6,7%). Bei Kindern von fastenden Müttern war dieser Anteil jedoch in der Nicht-Fastenphase (n <p <0,001) signifikant höher als in der Fastenzeit. Das Alter des Kindes, der Fastenstatus der Mutter während der Schwangerschaft und Stillzeit, die Bildung und Beschäftigung der Mutter waren mit kindlichem Untergewicht assoziiert. Ebenso waren das Alter des Kindes, die Kolostrumgabe, der Fastenstatus der Mutter während der Schwangerschaft und Stillzeit und die Verfügbarkeit einer Toilette im Haushalt mit Stunting verbunden. Der Fastenstatus der Mutter während der Stillzeit und die Bildung der Mutter sagten das Risiko für ein zu geringes alterspezifisches Körpergewicht des Kindes präzise voraus. Die durchschnittliche Zufuhr an Energie-, Eiweiß- und fast aller Mikronährstoffe von Kindern und Frauen waren im Vergleich zu Nicht-Fastenzeiten niedriger. Gleichzeitig war die Prävalenz einer unzureichenden Zufuhr von Energie, Eiweiß und den meisten Mikronährstoffen sowohl bei Kindern als auch bei stillenden Frauen während des Fastens höher als bei Nicht-Fasten. Das Ergebnis dieser Studie zeigt, dass die von CIMI und der Referenzsoftware Nutrisurvey (NS) berechneten Korrelationskoeffizienten für die durchschnittliche Nährstoffaufnahme zwischen 0,741-0,956 bei Kinder und 0,779-0,920 bei laktierenden Frauen lagen.
Zusammenfassen lässt sich sagen, dass durch das Fasten das Ernährungsmuster und der Ernährungszustand von stillenden Frauen und deren Kindern während der Fastenzeit betroffen ist. Daher sollten in Äthiopien religiöse Institutionen in multisektorale Ernährungsinterventionen einbezogen werden. CIMI, angepasst an die ländliche äthiopische Ernährungsweise, schätzt die durchschnittliche Nährstoffaufnahme präzise ein und identifiziert eine unzureichende Mikronährstoffaufnahme von Individuen, die es Enumeratoren ermöglicht Feedback zu geben und Verbesserungen vorzuschlagen. Daher kann CIMI in Äthiopien als einfaches Instrument zur Beurteilung der Ernährung von Wissenschaftlern, politischen Entscheidungsträgern und Mitarbeitern von Ernährungserhebungen und -interventionen verwendet werden
Sustainability awards in Germany 2020 : overview and methodology of the list
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