2013 research outputs found
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Production of CO2 gas hydrates with its application in wheat bread making process
Full text linkThe basic requirements necessary for gas hydrate (GH) formation are low temperature, high pressure, the presence of guest molecules, and the desired amounts of water molecules. The most common guest molecules used for the GH are ethane, methane, butane, propane, nitrogen, and carbon dioxide. Hydrate based technological applications almost always require rapid hydrate formation along with high gas uptake to be economically viable. One possible approach to achieving the same is the introduction of particular additives into the system. These additives are known as hydrate promoters. In recent times, amino acids have emerged as a highly effective class of promoters, and unlike surfactants, they promise a clean mode of kinetic action, i.e., no foam formation.
Hence, the first part of the thesis dealt with the optimisation of GH formation with the application of amino acid promoters. The optimisation of the GH production was performed with different combinations of promoter ingredients namely cysteine, valine, leucine, and methionine. The amino acids leucine and methionine gave some positive results with the application of promoters for the production of GH therefore, these two amino acids were carried further for the experimentation purpose in the production of GH. Also, a combinational use of these amino acids (leucine and methionine) was studied to investigate the effect on percentage CO2 retention in comparison to the normal water GH.
The conventional bakers yeast, Saccharomyces cerevisiae, remains the popular leavening agent in the bread baking industry. Carbon dioxide required for the rising of dough is produced by the metabolism of yeast with the consumption of sugars in the dough, which is a time and energy-consuming process. This research attempts to utilize carbon dioxide gas hydrate as a leavening agent in bread. Despite plentiful experiments on CO2 gas hydrates in other fields, there is still an urge to carry out more analysis to elucidate various applications of GH in baking and positively validate its sustainability. The temperature stability of GH is important while baking due to the exposure to high temperatures during the various steps involved. In order to effectively use CO2 GH as a leavening agent in the baking industry, a concise evaluation of the formation of CO2 GH and its gas containment capacity should be adequately analysed and documented. Also, the effect of CO2 GH properties by the addition of promoters should be taken into consideration as baking involves higher temperatures, and stabilising the GH at higher temperatures is an important criterion in the context of baking different products. Hence, the effect of a higher temperature of 90 ℃ on the CO2 gas entrapment of the produced GH with promoters was studied. It was observed that the stability of GH decreases with an increase in temperature, but the addition of promoters, especially leucine + methionine + lecithin increased the CO2 uptake during GH formation.
Another part of the thesis was the application of GH in the baking bread with/without promoters and the study of physio chemical properties of bread. By varying the percentage of gas hydrates from 10-60 %, analysis of the performance of CO2 GH as a leavening agent during baking was done. The effectiveness of GH bread was evaluated by comparing its characteristics to those of standard bread made with yeast. Also, a comparative evaluation was made for bread with and without promoters GH as leavening agents in terms of different physio chemical characteristics of the bread, such as moisture analysis, volume analysis, pore analysis, texture profile analysis, and baking loss. The results show that the bread with 20 % and 40 % GH obtained the best results in terms of volume and pore size.
The next part of the thesis dealt with a comparative analysis of the partial replacement of yeast with CO2 GH as leavening agents in bread baking. By partially eliminating the yeast, variations of bread dough were produced by the addition of GH in different percentages (20-70 %). The effectiveness of GH on bread manufacture was evaluated by comparing its characteristics to that of standard bread made with yeast. Once the bread was baked, the texture profile, volume, moisture content, and pore size were recorded to compare the leavening effect of GH with the standard recipe when partial addition of yeast was done. The best results combinations with respect to specific volume, pore analysis and hardness were obtained with 70 % GH + 50 % yeast and 70 % GH + 75 % yeast, respectively.
As the final part of the thesis, the influence of additives on wheat bread baked with promoter induced CO2 GH as leavening agents was studied. The additives used for the study were ascorbic acid (AC), egg white (EW), and rice flour (RF). These additives were added to the GH bread containing different amounts of GH (40, 60, and 70 % GH). Also, a combination of these additives in a wheat GH bread recipe was studied for each respective percentage of GH. Based on the results of the study, it was found that 70 % GH+ AC+EW+RF wheat bread was found to be the best in terms of textural analysis, pore size analysis, and other physiochemical parameters. Therefore, this research study will help us in understanding the application of GH in the bread baking process with replacement of conventional baking agents such as yeast.Die Grundvoraussetzungen für die Bildung von Gashydraten (GH) sind niedrige Temperaturen, hoher Druck, das Vorhandensein von Gastmolekülen und die gewünschten Mengen an Wassermolekülen. Technologische Anwendungen auf Hydratbasis erfordern fast immer eine schnelle Hydratbildung zusammen mit einer hohen Gasaufnahme, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Ein möglicher Ansatz, um dies zu erreichen, ist die Zugabe von bestimmten Additiven in das System. Diese Zusätze werden als Hydratpromotoren bezeichnet. In jüngster Zeit haben sich Aminosäuren als eine hochwirksame Klasse von Promotoren herauskristallisiert, und im Gegensatz zu Tensiden garantieren sie eine unproblematische Wirkungsweise, d. h. keine Schaumbildung.
Daher befasste sich der erste Teil der Arbeit mit der Optimierung der GH-Bildung durch den Einsatz von Aminosäurepromotoren. Die Optimierung der GH-Produktion wurde mit verschiedenen Kombinationen von Promotorbestandteilen durchgeführt, nämlich Cystein, Valin, Leucin und Methionin. Die Aminosäuren Leucin oder Methionin erbrachten positive Ergebnisse bei der Anwendung von Promotoren für die GH-Produktion, weshalb diese beiden Aminosäuren zu Versuchszwecken bei der GH-Produktion weiter verwendet wurden. Außerdem wurde eine kombinierte Verwendung dieser Aminosäuren (Leucin und Methionin) untersucht, um die Auswirkungen auf die prozentuale CO2 Retention im Vergleich zu normalem Wasser-GH zu untersuchen.
Die herkömmliche Bäckerhefe, Saccharomyces cerevisiae, ist nach wie vor das beliebteste Backtriebmittel in der Brotbackindustrie. Das für das Aufgehen des Teigs erforderliche Kohlendioxid wird durch den Stoffwechsel der Hefe unter Verbrauch des Zuckers im Teig erzeugt, was ein zeit- und energieaufwändiger Prozess ist. In dieser Forschungsarbeit wird versucht, Kohlendioxid Gashydrat als Treibmittel in Brot zu verwenden. Trotz zahlreicher Experimente mit CO2 Gashydraten in anderen Bereichen besteht nach wie vor der Wunsch, mehr experimente durchzuführen, um die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten von GH beim Backen zu erforschen und seine Nachhaltigkeit positiv zu bewerten. Die Temperaturstabilität von GH ist beim Backen wichtig, da es während der verschiedenen Schritte hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Um CO2-GH effektiv als Backtriebmittel in der Backindustrie einsetzen zu können, sollte die Bildung von CO2-GH und dessen Gaseinschlusskapazität genau analysiert und dokumentiert werden. Außerdem sollte die Auswirkung des Zusatzes von Promotoren auf die Eigenschaften von CO2-GH berücksichtigt werden, da beim Backen höhere Temperaturen herrschen und die Stabilisierung des GH bei höheren Temperaturen ein wichtiges Kriterium im Zusammenhang mit dem Backen verschiedener Produkte ist. Daher wurde die Auswirkung einer höheren Temperatur von 90 ℃ auf den CO2-Gaseinschluss des mit Promotoren hergestellten GH untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Stabilität von GH mit steigender Temperatur abnimmt, aber der Zusatz von Promotoren, insbesondere leucin + methionin + lecithin, erhöhte die CO2-Aufnahme während der GH-Bildung.
Ein weiterer Teil der Arbeit war die Anwendung von GH beim Backen von Brot mit/ohne Promotoren und die Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Brot. Durch Variation des Gashydratanteils von 10-60 % wurde die Leistung von CO2-GH als Treibmittel beim Backen analysiert. Die Wirksamkeit von GH-Brot wurde durch den Vergleich seiner Eigenschaften mit denen von mit Hefe hergestelltem Standardbrot bewertet. Außerdem wurde eine vergleichende Bewertung für Brote mit und ohne GH- Promotoren als Triebmittel in Bezug auf verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften des Brotes vorgenommen, wie z. B. Feuchtigkeitsanalyse, Volumenanalyse, Porenanalyse, Texturprofilanalyse und Backverlust. Die Ergebnisse zeigen, dass die Brote mit 20 % und 40 % GH die besten Ergebnisse in Bezug auf Volumen und Porengröße erzielten.
Der nächste Teil der Arbeit befasste sich mit einer vergleichenden Analyse des teilweisen Ersatzes von Hefe durch CO2 GH als Backtriebmittel beim Brotbacken. Durch den teilweisen Verzicht auf Hefe wurden Variationen von Brotteigen durch die Zugabe von GH in verschiedenen Prozentsätzen (20-70 %) hergestellt. Die Wirksamkeit von GH bei der Brotherstellung wurde durch den Vergleich seiner Eigenschaften mit denen eines mit Hefe gebackenen Standardbrotes bewertet. Nach dem Backen des Brotes wurden das Texturprofil, das Volumen, der Feuchtigkeitsgehalt und die Porengröße aufgezeichnet, um die säuernde Wirkung von GH mit dem Standardrezept bei teilweiser Zugabe von Hefe zu vergleichen. Die besten Ergebnisse in Bezug auf das spezifische Volumen, die Porenanalyse und die Härte wurden mit 70 % GH + 50 % Hefe bzw. 70 % GH + 75 % Hefe erzielt.
Im letzten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von Zusatzstoffen auf Weizenbrot untersucht, das mit promotorinduzierten CO2 GH als Triebmittel gebacken wurde. Die für die Studie verwendeten Zusatzstoffe waren Ascorbinsäure, Eiklar und Reismehl. Diese Zusatzstoffe wurden dem GH-Brot mit unterschiedlichen Mengen an GH (40, 60 und 70 % GH) zugesetzt. Außerdem wurde eine Kombination dieser Zusatzstoffe in einem Weizen-GH-Brot-Rezept für den jeweiligen GH-Anteil untersucht. Die Ergebnisse der Studie ergaben, dass 70 % GH+AC+EW+RF Weizenbrot die besten Ergebnisse in Bezug auf Texturanalyse, Porengrößenanalyse und andere physiochemische Parameter aufwies. Daher wird uns diese Forschungsstudie helfen, die Anwendung von GH im Brotbackprozess zu verstehen, indem sie herkömmliche Backmittel wie Hefe ersetzt
Sequestration of plant toxins in milkweed bugs (Heteroptera: Lygaeinae) : physiological implications and mechanisms
Full text linkInsect herbivores and plants together are a crucial component of terrestrial macro-biodiversity. Within the realm of plant-insect interactions, phytophagy by insects triggered an arms-race dynamic resulting in escalatory adaptation and counter-adaptation over time. This coevolution led to complex phenomena such as sequestration of plant toxins by specialized insects, with the main aim to deter predators. Although sequestration is an extensively reported phenomenon, many physiological aspects and underlying mechanisms remain largely unexplored. Milkweed bugs (Heteroptera: Lygaeinae) constitute a versatile model ideally suited for studying both areas due to their particular evolutionary history. They are primarily associated with plant species in the Apocynaceae which commonly produce cardenolides, but remarkably some milkweed bug species secondarily evolved novel associations with phylogenetically disparate plant families supplying new sources of chemically related or unrelated toxins.
Using as model milkweed bugs the cardenolide specialist Oncopeltus fasciatus and Spilostethus saxatilis, a species that shifted to sequestration of the chemically unrelated colchicoids, the present thesis first aimed to develop a new artificial diet that allowed the incorporation of the desired types and amounts of toxins without impairing insect performance. Taking a simplified approach, an artificial diet presented in a pill form and made of 100% organic sunflower meal was established. Despite the fact that the new diet has remarkable energy and nutrient differences with sunflower seeds (the laboratory diet), no differences in terms of insect performance were found between the two diets in O. fasciatus and S. saxatilis. Moreover, the new diet presented an acceptable concentration accuracy and shelf-life for short-term toxin feeding assays.
Once established, the new diet was used to investigate the effects of cardenolides and colchicoids on several life-history traits of S. saxatilis, and to compare them with the effect of cardenolides in O. fasciatus. Although both classes of toxins have different molecular targets (cardenolides: Na+/K+-ATPase; colchicoids: tubulin), S. saxatilis was able to sequester them at a cost-free level. In fact, an increased performance was observed in O. fasciatus and an according trend was found in S. saxatilis after dietary exposure to cardenolides and colchicoids, respectively. Among cardenolides, labriformin is especially toxic for milkweed-specialist Na+/K+-ATPases in vitro. Nevertheless, it was shown to have no costs in terms of growth and fertility at the whole organism level for O. fasciatus. This finding might be an example of reciprocal evolution between milkweed plants and its herbivores, where highly toxic cardenolides specifically targeted to insect specialists are counteracted by tolerance, detoxification, and sequestration strategies. To assess the role of sequestration beyond normal physiological conditions, O. fasciatus and S. saxatilis were orally infected with the bacterium Pseudomonas entomophila. Neither cardenolides nor colchicoids provided a higher resistance or tolerance.
Regarding mechanisms of sequestration, the other overarching research topic of the present thesis, both in vivo (whole animal) and in vitro (isolated digestive tracts) approaches showed no reciprocal competition for the same transport mechanism between chemically related and unrelated toxins. Furthermore, the digestive tract of milkweed bugs did not seem to be a critical mediator as it is for other non-sequestering and sequestering species. The time course of sequestration for the model species was resolved from three days to one hour, and the higher levels of colchicoids detected in S. saxatilis compared to the level of cardenolides in O. fasciatus might indicate an early acquisition of defenses with the shift from cardenolide to colchicoid-containing plants. Finally, a hint to preadaptation mechanisms to resist novel toxins was documented in Spilostethus pandurus, a species that belongs to the same genus as S. saxatilis, thereby providing a basis for future investigations.Herbivore Insekten und Pflanzen stellen gemeinsam eine entscheidende Komponente der terrestrischen Makrobiodiversität dar. Innerhalb der Pflanzen-Insekten-Interaktionen verursacht insbesondere die Phytophagie bei Insekten eine arms-race Dynamik, die im Laufe der Zeit zu einer Eskalierung der Anpassungs- und Gegenanpassungsstrategien führte. Diese Koevolution führt zu komplexen Phänomenen wie der Sequestrierung von Pflanzentoxinen durch spezialisierte Insekten, deren Hauptziel die Abschreckung von Räubern ist. Obwohl Sequestrierung ein gut dokumentiertes Phänomen ist, sind viele physiologische Aspekte und die zugrunde liegenden Mechanismen weitgehend unerforscht. Ritterwanzen (Heteroptera: Lygaeinae) stellen ein vielseitiges Modellsystem dar, das sich aufgrund der besonderen evolutionären Geschichte ideal für die Untersuchung beider Bereiche eignet. Ritterwanzen sind in erster Linie mit Pflanzenarten der Familie Apocynaceae (Hundsgiftgewächse) assoziiert, die häufig Cardenolide produzieren. Dennoch haben einige Ritterwanzen bemerkenswerterweise sekundär neue Assoziationen mit phylogenetisch unverwandten Pflanzenfamilien entwickelt, die neue Quellen für mit Cardenoliden chemisch-verwandte oder nicht-verwandte Toxine darstellen.
Unter Verwendung des Cardenolid-Spezialisten Oncopeltus fasciatus, und Spilostethus saxatilis, einer Art, die zur Sequestrierung der chemisch nicht-verwandten Colchicoide übergegangen ist, als Modelle, zielte die vorliegende Dissertation zunächst darauf ab, eine neue künstliche Diät zu entwickeln, die die Darreichung der gewünschten Klassen von Toxinen in definierter Menge ermöglicht, ohne die Fitness der Wanzen per se zu beeinträchtigen. Unter Verwendung eines einfachen Ansatzes wurde eine künstliche Diät in Tablettenform aus 100% Sonnenblumenmehl entwickelt. Trotz der Tatsache, dass diese neue Diät bemerkenswerte Energie- und Nährstoffunterschiede zu Sonnenblumenkernen (der üblichen Aufzuchtdiät) aufweist, wurden zwischen den beiden Diäten bei O. fasciatus und S. saxatilis keine Unterschiede in Bezug auf die Fitness der Wanzen gefunden. Darüber hinaus wies die neue Diät eine akzeptable Konzentrationsgenauigkeit und Haltbarkeit für kurzzeitige Toxinfütterungsassays auf.
Nach der Etablierung wurde die neue Diät verwendet um die Auswirkungen von Cardenoliden und Colchicoiden auf mehrere Life-history-Merkmale von S. saxatilis zu untersuchen und sie mit der Wirkung von Cardenoliden bei O. fasciatus zu vergleichen. Obwohl beide Toxinklassen unterschiedliche molekulare Targets haben (Cardenolide: Na+/K+-ATPase; Colchicoide: Tubulin), konnte S. saxatilis sie beide ohne Kosten sequestrieren. Tatsächlich wurde eine Leistungssteigerung bei O. fasciatus und ein entsprechender Trend bei S. saxatilis nach Exposition mit Cardenoliden bzw. Colchicoiden festgestellt. Innerhalb der Cardenolide ist Labriformin unter In-vitro-Bedingungen für die Na+/K+-ATPase von auf Seidenpflanzen (Asclepias) spezialisierten Ritterwanzen besonders toxisch. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Labriformin bei O. fasciatus keine Kosten in Bezug auf Wachstum und Fruchtbarkeit auf der Ebene des gesamten Organismus verursacht. Dieser Befund könnte ein Beispiel für die wechselseitige Evolution zwischen Hundsgiftgewächse und ihren Pflanzenfressern sein, bei der hochgiftige Cardenolide, die speziell auf spezialisierte Insekten abzielen, durch Toleranz-, Entgiftungs- und Sequestrierungsstrategien bekämpft werden. Um die Rolle der Sequestrierung über normale physiologische Bedingungen hinaus zu beurteilen, wurden O. fasciatus und S. saxatilis oral mit dem Bakterium Pseudomonas entomophila infiziert. Weder Cardenolide noch Colchicoide lieferten eine höhere Resistenz oder Toleranz.
In Bezug auf die Sequestrierungsmechanismen zeigten sowohl die in vivo (gesamter Organismus) als auch in vitro (isolierter Verdauungstrakt) Ansätze keine reziproke Konkurrenz für denselben Transportmechanismus zwischen chemisch-verwandten und nicht-verwandten Toxinen. Darüber hinaus schien der Verdauungstrakt von Ritterwanzen kein kritischer Mediator zu sein, wie es bei anderen nicht-sequestrierenden und sequestrierenden Arten der Fall ist. Der Zeitverlauf der Sequestrierung für die verwendeten Modellspezies wurde von drei Tagen bis auf eine Stunde aufgelöst. Die höheren Konzentrationen von Colchicoiden die in S. saxatilis nachgewiesen wurden im Vergleich zu der Konzentration von Cardenoliden in O. fasciatus, könnten auf eine frühe Abwehr hindeuten die mit der Verschiebung der Ernährung von Cardenolide zu colchicoidhaltigen Pflanzen einhergeht. Erste Hinweise auf Präadaptationsmechanismen zur Resistenz gegenüber neuartigen Toxinen wurde auch bei Spilostethus pandurus dokumentiert, einer Art die zur selben Gattung wie S. saxatilis gehört, was eine Grundlage für zukünftige Untersuchungen liefert
Vocational identity and career adaptability : central factors in the career development of commercial apprentices
No full textVor dem Hintergrund der Herausforderungen für die individuelle Laufbahnentwicklung im Zuge zunehmender arbeitsweltlicher Flexibilisierung, Selbststeuerung und Subjektivierung, haben sich die berufliche Identität und die Laufbahnadaptabilität (career adaptability) als zentrale Größen der modernen Laufbahngestaltung etabliert (Savickas 2011). Dabei werden beide Konstrukte häufig als wechselseitig aufeinander bezogen dargestellt, wobei der (beruflichen) Identität eine gewisse Orientierungsfunktion in Bezug auf berufliche Anpassung- und Entwicklungsprozesse zukommt, während die (Laufbahn-)Adaptabilität die erforderlichen Dispositionen und Ressourcen für die notwendigen Anpassungs- und Umorientierungsleistungen umfasst (Hall 2004; Fugate et al 2004). Das Konstrukt der beruflichen Identität ist seit langem auch fester Bestandteil innerhalb des berufs- und wirtschaftspädagogischen Diskurses, da ihm für die Entwicklung beruflicher Handlungskompetenz sowie die Sozialisation der beruflichen Lernenden hohe Bedeutung beigemessen wird (Lempert 2009). Demgegenüber wurde der Adaptabilitätsbegriff aus berufs- und wirtschaftspädagogischer Perspektive bislang deutlich weniger stark aufgegriffen, obwohl seine Bedeutung für das Verständnis beruflicher Anpassungs- und Integrationsprozesse gerade beim Eintritt in das Berufsleben im internationalen Kontext seit längerem diskutiert wird (Savickas 1997, 2005). Im Verhältnis zur beruflichen Identität erscheint dabei essenziell, ob Laufbahnadaptabilität im Berufsbildungskontext eher als förderliches Element beruflicher Integration (Savickas 2013) oder als berufliche Flexibilitäts- und Mobilitätsorientierung verstanden werden kann, die tendenziell mit einer geringen arbeitsbezogenen Verbundenheit einhergeht (Briscoe/Hall 2006). Für eine nähere Betrachtung des Zusammenwirkens beider Konstrukte im Kontext der kaufmännischen Berufsbildung ist allerdings auch auf Seiten der beruflichen Identität eine Klärung der konzeptionellen Ausgestaltung sowie der inhaltlichen Besonderheiten der Identitätskonstruktion und -entwicklung kaufmännischer Auszubildender angezeigt. Um die Bedeutung der beruflichen Identität und der Laufbahnadaptabilität für die berufliche Entwicklung der kaufmännischen Auszubildenden zu untersuchen, wurden daher mehrere Fragestellungen abgeleitet, welche neben einer theoretischen Klärung der jeweiligen Begriffsverständnisse eine empirische Herangehensweise in qualitativer und quantitativer Hinsicht umfassen.
Zur Beantwortung der Teilfragestellungen wurde ein kumulatives Forschungsdesign gewählt, welches insgesamt vier Fachartikel umfasst. Aus theoretisch-konzeptioneller Perspektive konnte abgeleitet werden, dass jenseits der bisherigen berufs- und wirtschaftspädagogischen Anknüpfungspunkte gerade für die beruflichen Entwicklungsprozesse der Lernenden innerhalb der beruflichen Erstausbildung eine hohe Bedeutung der Laufbahnadaptabilität besteht. Im Rahmen der darauf aufbauenden Prüfung der empirischen Eignung für den Kontext der Berufsbildung erwies sich der Adaptabilitätsbegriff nach Savickas als besonders vielversprechend, indem seine vierdimensionale Struktur auch unter kaufmännischen Auszubildenden repliziert und er von eher desintegrativ orientierten Konzeptualisierungen abgegrenzt werden konnte. In Bezug auf die berufliche Identitätsentwicklung der kaufmännischen Auszubildenen konnte als übergreifendes Merkmal ein Rückgang der beruflichen und betrieblichen Identifikation im Ausbildungsverlauf ausgemacht werden, welcher wiederum die beruflichen und betrieblichen Abbruchneigungen bedingt. Die qualitative Betrachtung hat daneben berufsspezifische Besonderheiten zu Tage gefördert, die darauf schließen lassen, dass sich sowohl in breitbandigeren als auch in spezialisierteren kaufmännischen Berufen Identifikationspotenziale finden lassen, diese sich jedoch deutlich unterscheiden können (z.B. berufliche Perspektiven vs. affektiv bedeutsame Tätigkeiten). Letztlich konnte der positive Zusammenhang zwischen der Laufbahnadaptabilität und der beruflichen Identität kaufmännischer Auszubildender nachgewiesen werden, was auf die förderliche Wirkung der Laufbahnadaptabilität für die berufliche Entwicklung und den Aufbau arbeitsbezogener Bindungen im Rahmen des beruflichen Lernens verweist.Against the background of the challenges for individual career development, with regard to increasing work-related flexibilization, self-direction, and subjectification, vocational identity and career adaptability have been established as central variables of modern career development (Savickas 2011). In this context, both constructs are often depicted as interrelated, with (vocational) identity having a certain orientation function with respect to career adaptation and career development processes, while (career) adaptability encompasses the necessary dispositions and resources for the required adaptation and reorientation efforts (Hall 2004; Fugate et al 2004). The construct of vocational identity has long been an integral part within the discourse of vocational and business education, as it is considered to be of high importance for the development of professional competence as well as for the socialisation of vocational learners (Lempert 2009). In contrast, the concept of adaptability has received much less attention from the perspective of vocational and business education, although its importance for the understanding of vocational adaptation and integration processes has been discussed in the international context for a long time (Savickas 1997, 2005). In relation to vocational identity, it seems essential to consider whether career adaptability in the VET context can be understood as a beneficial element of vocational integration (Savickas 2013) or rather as a professional flexibility and mobility orientation that tends to be associated with low work-related attachment (Briscoe/Hall 2006). For a closer look at the interaction of both constructs in the context of commercial vocational training, however, a clarification of the conceptual approach to vocational identity as well as the content-related specifics of the identity construction and development of commercial trainees is also indicated. In order to investigate the relevance of vocational identity and career adaptability for the professional development of commercial trainees, several research questions were derived. In addition to a theoretical clarification of the respective conceptual understandings, these include an empirical approach in qualitative and quantitative terms.
To answer the research questions, a cumulative research design was chosen, comprising a total of four papers. From a theoretical and conceptual perspective, it was possible to deduce that beyond previous reference points of the field of vocational and business education there is a high significance of career adaptability especially for the professional development processes of learners within initial vocational training. In the course of the subsequent examination of its empirical suitability for the context of vocational education, Savickas concept of career adaptability proved to be particularly promising. Its four-dimensional structure could be replicated among commercial apprentices, and it could be distinguished from more disintegrative conceptualisations of adaptability. With regard to the development of vocational identity among commercial apprentices, an overarching characteristic identified was a decline in occupational and organisational identification during the course of their apprenticeship, which in turn affect their occupational and organisational dropout intentions. The qualitative analysis also revealed occupation-specific characteristics that suggest that identification potentials can be found in both generalised and more specialised commercial apprenticeships, but that these potentials can differ significantly (e.g., career perspectives vs. affectively significant activities). Ultimately, the positive correlation between career adaptability and the professional identity of commercial apprentices could be demonstrated, which points to the beneficial effect of career adaptability for professional development and for building work-related ties in the context of vocational learning
The influence of Corporate Brand Experience on employees´ corporate brand pride, brand-related and service-related behaviour
Full text linkIn the past years corporation and brands increase their efforts to influence employees´ attitudes and behaviour using internal branding activities. In doing so, corporation and brands try to enhance organizational or brand commitment and related positive behaviour of its personnel. Here, corporate brand pride seems particular interesting as this construct receives increasing attention in theory and practice. On the one hand, corporate brands such as Facebook or Ritz-Carlton have already identified pride as a central element in their strategy regarding employee engagement and outstanding customer service (Kraemer et al., 2020). On the other hand, research regarding pride is scarce. As pride implies a strong bond between the employee and the corporation or brand, strong effects on employee behaviour can be assumed. For this reason, it seems interesting to further investigate this construct. Here, the question arises how employees´ corporate brand pride can be fostered. In answering this question this work uses an internal branding approach, investigating how direct and indirect corporate brand experience affect corporate brand pride, brand-related and service-oriented behaviour of personnel. The latter experience represents a non-product related corporate brand experience, for example via internal communications. As corporate brands face nowadays increasing media coverage, this thesis further investigate effects of perceived negative on corporate brand pride and brand-oriented behaviour. In doing so, this work show how corporation can mitigate unfavourable effects of negative corporate brand publicity. The central part of this behaviouristic thesis represents three quantitative cross-sectional studies which have been analysed using structural equation modelling. In doing so, manifest and latent relationships are analysed. The data used in the studies stem mostly from various online survey, which have been conducted in Germany´s largest Business-Network (XING). The results of this thesis reveal, that corporate brand pride of employees can be fostered through indirect corporate brand experience. Indirect corporate brand experience through internal communications also provides an effective way to mitigate the perception of negative corporate brand publicity and their subsequent adverse effects on corporate brand pride. Moreover, the thesis reveal that the dissemination of brand knowledge, as a central part of internal branding, positively affect pride of employees, too. In addition, results provide evidence that employee pride represent a strong attitudinal motivator, which in turn influence brand- and service-oriented behaviour of personnel. At the end, the thesis highlights implications for theory and practice as well as limitations. The findings of this thesis provide important theoretical and practical implications, in particular for marketing manager and human resources manager.In den vergangenen Jahren haben Unternehmen und Marken verstärkt versucht, über Maßnahmen des auf Einstellungen und Verhaltensweisen ihrer Beschäftigten einzuwirken. Das Ziel solcher Maßnahmen ist u. a. die Verbundenheit, welche die Mitarbeitenden gegenüber dem Unternehmen oder der Marke empfinden, für die sie arbeiten, zu erhöhen sowie intendierte positive Verhaltensweisen zu fördern. Von besonderem Interesse erscheint in diesem Zusammenhang das Konstrukt des unternehmensbezogenen Markenstolzes, welchem von Seiten der Wissenschaft und Praxis ein enormes Potential zugeschrieben wird. So heben einerseits Unternehmensmarken wie Facebook oder Ritz-Carlton Stolz als zentralen Schlüsselfaktor für das Engagement ihrer Mitarbeitenden bzw. für einen außergewöhnlichen Kundenservice hervor (Kraemer et al., 2020). Andererseits ist dieses Konstrukt noch vergleichsweise wenig erforscht. Da Stolz eine starke Bindung mit dem Unternehmen oder der Marke voraussetzt und somit potentiell starke Einflüsse auf das Verhalten von Beschäftigten zeigt, ist es sinnvoll, diese Forschungslücke weiter zu untersuchen.
Im Fokus der Betrachtung steht die Frage, wie sich der Stolz, welchen die Beschäftigten gegenüber dem Unternehmen empfinden, für das sie tätig sind, gezielt fördern lässt. Hierbei wurde aufgegriffen und untersucht, inwieweit sich das direkte und indirekte Markenerleben von Beschäftigten auf den Stolz und verbundene marken- sowie serviceorientierte Verhaltensweisen auswirken. Letzteres Markenerleben spiegelt dabei ein nicht produkt-basiertes Erleben der Unternehmensmarke, zum Beispiel über interne Kommunikationsmedien, wider. Da Marken und Unternehmen heutzutage immer häufiger medialer Berichterstattung unterliegen, wird im Rahmen dieser Arbeit ferner der nachteilige Einfluss negativer Publicity auf den unternehmensbezogenen Markenstolz von Beschäftigten und markenbezogene Verhaltensweisen untersucht sowie Möglichkeiten aufgezeigt, diesen nachteiligen Einflüssen entgegenzuwirken. Den Kern dieser behavioristischen Arbeit bilden drei quantitative Querschnittsstudien, welche mit Hilfe der Strukturgleichungsmodellierung auf manifeste und latente Wirkbeziehungen überprüft werden. Die Daten dieser Studien stammen größtenteils von mehreren Onlinebefragungen, welche mittels dem größten Business-Netzwerk in Deutschland (XING) erhoben wurden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit kann gezeigt werden, dass der Stolz von Mitarbeitern, welchen diese gegenüber ihrer Unternehmensmarke empfinden, gezielt über indirekte Markenerlebnisse gesteigert werden kann. Das indirekte Markenerleben mittels interner Kommunikationsmedien trägt ferner dazu bei, der Wahrnehmung negativer Publicity sowie deren nachteiligen Effekten auf den unternehmensbezogenen Markenstolz von Mitarbeitenden entgegenzuwirken. Die vorliegende Studie zeigt weiterhin, dass die Vermittlung von Markenwissen, als zentraler Bestandteil, sich ebenfalls auf den Stolz von Beschäftigten auswirkt. Zudem belegen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der Stolz von Beschäftigten ein wichtiger einstellungsbezogener Motivator ist, welcher sich auf marken- sowie serviceorientiertes Verhalten von Beschäftigten auswirkt. Abschließend werden Implikationen für Wissenschaft und Praxis aufgezeigt sowie Limitationen dargestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit liefern wertvolle theoretische und praktische Implikationen, deren Relevanz insbesondere für Marken- und Personalverantwortliche hervorzuheben ist
Potentialbewertung effizienzsteigernder Technologien bei Landmaschinen in Verfahrensketten mit Körnerfruchternte
Full text linkDen Kraftstoffverbrauch in landwirtschaftlichen Verfahrensketten durch gesteigerte Energieeffizienz beim Maschineneinsatz zu senken, gelingt besonders in prozessorientierten Ansätzen effektiv. Am Markt verfügbare Technologien, die zur Steigerung von Maschinen- und Prozesseffizienz beitragen, können im Vorfeld von Investitionsentscheidungen bisher nur begrenzt einer betriebsindividuellen Bewertung unterzogen werden. Die Komplexität landwirtschaftlicher Verfahrensketten begünstigt und fordert umfassende Ansätze sowohl für den Einsatz als auch die Bewertung effizienzsteigernder Technologien und Maßnahmen.
Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung einer geeigneten Bewertungsmethode. Als virtuelle Bewertungsumgebung wird ein Maschinenmodell geschaffen, mit dem zeitbezogene Kraftstoffverbräuche landwirtschaftlicher Maschinenkombinationen unter dem Einfluss effizienzsteigernder Technologien berechnet werden können. Ergänzt um ein Verfahrensmodell, kann der Verbrauch einzelner Verfahrensketten und ganzer Fruchtfolgen simuliert werden. Eine modulare Modelltopologie erlaubt flexible Kombinationen von Traktoren und Arbeitsgeräten für Verfahrensketten mit Körnerfruchternte. Entsprechende Simulationsmodelle werden aufgebaut und parametriert.
Mit der Modellanwendung wird eine Potentialbewertung effizienzsteigernder Technologien und Maßnahmen, wie optimierte Traktionsbedingungen, Fahrstrategien oder reduzierte Bearbeitungsintensitäten in Bodenbearbeitung und Ernte, auf einem virtuellen Modellbetrieb ausgeführt. Optimierungspotentiale für drei- und fünfgliedrige Fruchtfolgen werden entlang der einzelnen Verfahrensschritte aufgestellt. Für einen effizienten Maschineneinsatz werden konkrete Empfehlungen anhand von Einzeltechnologieanalysen ausgesprochen.Reducing fuel consumption in agricultural process chains through increased energy efficiency in machine use is effectively achieved through process-oriented approaches. Although European targets for greenhouse gas reduction are increasingly being demanded legislatively and socially, the farmers pressure to act is primarily motivated intrinsically due to economic constraints. There are technologies existing on the market that contribute to increasing machine and process efficiency. To this day, however, it is difficult to evaluate their economic use on a farm-specific basis before deciding on investments. The complexity of agricultural process chains encourages and demands comprehensive approaches for both the use and the evaluation of efficiency-increasing technologies and measures.
The objective of this research is to develope and apply a proper evaluation method. As a virtual evaluation environment, a machine model is created which can be used to calculate time-related fuel consumption of agricultural machine combinations under the influence of efficiency-increasing technologies. Supplemented by a process model, the consumption of individual process chains and entire crop rotations can be simulated. A modular model topology allows flexible combinations of tractors and implements for process chains with grain crop production. Corresponding simulation models are built and parametrised. The focus is on developing a model for self-propelled harvesters and on parameterising it for application as a combine harvester. As a data basis for the process components, load and performance data are collected in field tests using a state-of-the-art hybrid combine harvester. At the same time this contributes to the general data availability of performance requirements of process components in harvesting operations.
In the model application, a potential evaluation of efficiency-increasing technologies and measures, such as optimised traction conditions, driving strategies or reduced intensities in tillage and harvesting, is carried out on a virtual model farm representing typical process chains with grain crop production in the region of South Hanover. Optimisation potentials for three- and five-part crop rotations are established along the individual process steps. Specific recommendations from individual technology analyses are made for efficient use of the machinery in use. As an overall assessment, a potential for reducing fuel consumption of about 26% resulting from optimised machine efficiency can be identified
Comprehensive characterization of microbiota in the gastrointestinal tract of quails and two high yielding laying hen breeds
Full text linkThe microbiomes composition in the gastrointestinal tract (GIT) is subject to several changes and influences. In addition to breed, sex, or diet, age affects the GIT microbiome dynamics of laying hens and quails. From the first day, the microbiome develops and increases its bacterial load to thousands of species. Then, depending on the diet fed, the animals microbiome and associated active bacteria vary and directly influence the animals nutrient uptake and efficiency. Omics technologies give insights into changes in microbes in the GIT (crop, gizzard, duodenum, ileum, caeca). In addition, they can reveal how feed supplements such as calcium (Ca) or phosphorus (P) can affect host health and performance through alterations in the microbiome. The Japanese quail has been an established animal model for nutritional and biological studies in poultry for the last 60 years. In particular, its short development time makes it a convenient model for microbiome research. However, compared to broiler microbiome research, the quail microbiome is still poorly understood. Animals of the breed Coturnix japonica were housed under the same conditions, fed a diet with P below recommendation, and the ileum microbiota characterized. Microbiota relations with gender and higher or lower predisposition of the birds for PU, CaU, FI, BWG, and FC were described (Chapter II). In addition, these performance parameters influenced the relative average abundance of bacteria like Candidatus Arthromitus, Bacillus, and Leuconostoc. Gender affects specific bacterial groups of the GIT, such as Lactobacillus, Streptococcus, Escherichia, and Clostridium, which differ in average abundance between male and female quails. Despite the comprehensive microbiota analysis, the interplay between animal genetics, diet, sex, and microbiome functionality is not yet understood.
The laying hen breeds Lohmann LSL-Classic and Lohmann Brown-Classic are used worldwide. Little is known about the interaction with microbiome composition, performance, dietary effects, and changes during the productive life that might help develop feeding strategies and microbiome responses on a large scale. Because of the importance of P and Ca in poultry diet, the research in Chapter III was conducted to challenge laying hens with reduced dietary P and Ca and describe the effect on GIT active microbiota. The breed was the primary driver of microbial differences. A core microbiome of active bacteria, present along the complete GIT, was revealed for the first time and consisted of five bacteria detected in 97% of all samples, including digesta and mucosa samples (uncl. Lactobacillus, Megamonas funiformis, Ligilactobacillus salivarius, Lactobacillus helveticus, uncl. Fuscatenibacter). Furthermore, significant microbial differences between the GIT sections and between the breeds were described. Minor dietary effects of the P and Ca reduction on the microbiota showed that a further decrease in Ca and P supplementation might be possible without affecting the gut microbial composition and bird performance.
Furthermore, the microbiome of laying hens was characterized at five productive stages (weeks 10, 16, 24, 30, and 60) to analyze the age effect on the GIT microbiome (Chapter IV). Although the two breeds of laying hens were offered the same diet and housed under similar conditions, the active microbiota composition changed between the analyzed productive stages, the breed and the GIT sections. The major shift occurred between weeks 16 and 24 and supported the hypothesis of bacterial fluctuations due to the onset of the laying period. Those changes occurred mainly in the abundance of the genera Lactobacillus and Ligilactobacillus. However, it remains unclear whether the dietary changes, due to the development of the birds, influenced the microbiota shifts or if the anatomical and physiological modifications influenced the GIT microbiota. Furthermore, the shotgun metagenomic analysis revealed differences in regulatory functions and pathways between breeds, sections, and the two production stages. Different relative abundance levels of the microbial composition were observed between the RNA-based targeted sequencing and the DNA-based shotgun metagenomics. In conclusion, the comprehensive characterization of the microbiota in the GIT of quails and two high-yielding breeds of laying hens contributes to a broader knowledge of the microbiome dynamics within the fowl GIT. Age and breed play a more important role than diet in influencing the dynamics of microbial composition in laying hens, and individual performance and sex in quails. Research characterizing the microbiome in poultry and its effect on diet and host genetics will help improve feeding and breeding strategies in the future and reduce excretion of nutrients into the environment while ensuring overall animal health.Die Zusammensetzung des Mikrobioms im Gastrointestinaltrakt (GIT) unterliegt verschiedenen Veränderungen und Einflüssen. Neben Rasse, Linie, Geschlecht oder Ernährung wirkt sich auch das Alter auf die Dynamik des GIT-Mikrobioms von Legehennen und Wachteln aus. Vom ersten Tag an entwickelt sich das Mikrobiom und erhöht seine bakterielle Besiedelung auf Tausende von Arten. Desweiteren variiert das Mikrobiom des Tieres und die damit verbundenen aktiven Bakterien je nach der gefütterten Nahrung und beeinflussen direkt die Nährstoffaufnahme und Effizienz des Tieres. Omics-Technologien geben Aufschluss über Veränderungen der Mikroben im GIT. Darüber hinaus können sie aufzeigen, wie sich Futterzusätze wie Kalzium (Ca) oder Phosphor (P) durch Veränderungen im Mikrobiom auf die Gesundheit und Leistung des Wirts auswirken können. Die japanische Wachtel ist seit 60 Jahren ein etabliertes Modelltier für ernährungswissenschaftliche und biologische Studien an Geflügel. Im Vergleich zur Mikrobiomforschung bei Masthähnchen ist das Mikrobiom der Wachtel jedoch wenig erforscht. Daher wurde die Microbiota des Ileums von Tieren der Rasse Coturnix japonica, welche unter identischen Bedingungen gehalten wurden, charakterisiert, wobei der Phosphorgehalt unter der allgemeinen Empfehlung lag. Es wurden Beziehungen zwischen der GIT Mikrobiota und dem Geschlecht sowie einer höheren oder niedrigeren Prädisposition der Tiere für P -verwertung, Ca -verwertung, Futteraufnahme, Körpergewichtszunahme und Futterverwertung beschrieben. Darüber hinaus beeinflussten diese Leistungsparameter die relative durchschnittliche Abundanz von Bakterien wie Candidatus Arthromitus, Bacillus und Leuconostoc. Das Geschlecht wirkt sich auf Bakterien des GIT aus, wie z. B. Lactobacillus, Streptococcus, Escherichia und Clostridium, die sich in ihrer durchschnittlichen Abundanz zwischen männlichen und weiblichen Wachteln unterscheiden. Trotz der umfassenden Mikrobiota-Analyse ist das Zusammenspiel zwischen Tiergenetik, Ernährung, Geschlecht und Mikrobiom-Funktionalität noch nicht verstanden. Die Legehennenlinien Lohmann LSL-Classic und Lohmann Brown-Classic werden weltweit eingesetzt. Über die Wechselwirkung zwischen der Zusammensetzung des Mikrobioms, der Leistung, den Auswirkungen der Ernährung und den Veränderungen während der produktiven Lebensabschnitte, die zur Entwicklung von Fütterungsstrategien und Reaktionen des Mikrobioms in großem Maßstab beitragen könnten, ist wenig bekannt. Aufgrund der Bedeutung von P und Ca in der Geflügelernährung wurden Untersuchungen durchgeführt, um Legehennen mit reduziertem P und Ca zu füttern und die Auswirkungen auf die aktive Mikrobiota im GIT zu beschreiben. Die Linie war der Hauptfaktor für die mikrobiellen Unterschiede. Ein Kernmikrobiom aktiver Bakterien, das entlang des gesamten GIT vorhanden ist, wurde zum ersten Mal aufgedeckt und bestand aus 5 Bakterien, die in 97% aller Proben, nachgewiesen wurden (uncl. Lactobacillus, Megamonas funiformis, Ligilactobacillus salivarius, Lactobacillus helveticus, uncl. Fuscatenibacter). Außerdem wurden signifikante mikrobielle Unterschiede zwischen den GIT-Abschnitten und zwischen den Linien beschrieben. Geringfügige diätetische Auswirkungen der P- und Ca-Reduzierung auf die Mikrobiota zeigten, dass eine weitere Verringerung der Ca- und P-Supplementierung möglich sein könnte. Darüber hinaus wurde das Mikrobiom von Legehennen in fünf Produktivitätsstadien (10, 16, 24, 30 und 60 Wochen) charakterisiert, um den Alterseffekt auf das GIT-Mikrobiom zu analysieren. Obwohl die beiden Legehennenlinien das gleiche Futter erhielten und unter ähnlichen Bedingungen gehalten wurden, änderte sich die Zusammensetzung der aktiven Mikrobiota zwischen den untersuchten Produktionsstadien, der Linen und den GIT-Abschnitten. Die größte Verschiebung fand zwischen der 16. und 24. Woche statt und unterstützte die Hypothese der bakteriellen Fluktuationen aufgrund des Beginns der Legeperiode. Diese Veränderungen betrafen vor allem die Häufigkeit der Gattungen Lactobacillus und Ligilactobacillus. Es bleibt jedoch unklar, ob die Veränderungen in der Ernährung aufgrund der Entwicklung der Vögel die Verschiebungen in der Mikrobiota beeinflusst haben oder ob die anatomischen und physiologischen Veränderungen die GIT-Mikrobiota beeinflusst haben. Darüber hinaus ergab die Shotgun-Metagenomanalyse hierbei Unterschiede in den Regulationsfunktionen und -Metabolismuswegen wie auch unterschiedliche relative Häufigkeiten der mikrobiellen Zusammensetzung zwischen RNA und DNA Extraktion.
Die umfassende Charakterisierung der Mikrobiota im GIT von Wachteln und zwei Hochleistungslinien von Legehennen trägt zu einem breiteren Wissen über die Dynamik des Mikrobioms im GIT von Geflügel bei. Alter und Linie spielen eine wichtigere Rolle als die Ernährung, wenn es darum geht, die Dynamik der mikrobiellen Zusammensetzung bei Legehennen und die individuelle Leistung und das Geschlecht bei Wachteln zu beeinflussen
Adaptations of Prevotella bryantii B14 to short-chain fatty acids and monensin exposure
Full text linkThe rumen microbiome constitutes a complex ecosystem including a vast diversity of organisms that produce and consume short-chain fatty acids (SCFAs). It is of great interest to analyze these activities as they are of benefit for both, the microbiome and the host. This dissertation aims to display the proteome and metabolome of the predominant ruminal representative Prevotella bryantii B14 in presence of various SCFA and under exposure of the antibiotic monensin in pure and mixed culture (in vitro). Due to the strong contributing abundance of Prevotellaceae in the rumen microbiome, the representative P. bryantii B14 (DSM 11371) was chosen to investigate biochemical factors for the success of withstanding monensin and the impact of SCFA on their growth. The current work is composed of two effective publications. The formatting was aligned to the dissertation.
The first publication, studying the supplementation of various SCFAs, showed SCFAs as growth promoting but not essential for P. bryantii B14. Pure cultures of P. bryantii B14 were grown in Hungate tubes under anaerobic conditions. Gas chromatography time of flight mass spectrometry (GC-ToF MS) was used to quantify long-chain fatty acid (LCFA) profiles of P. bryantii B14. Proteins of P. bryantii B14 were identified and quantified by using a mass spectrometry-based, label-free approach. Different growth behavior was observed depending on the supplemented SCFA. An implementation of SCFAs on LCFAs and the composition on membrane proteins became evident. Supplementing P. bryantii B14 with branched-chain fatty acids (BCFAs), in particular isovaleric acid, showed an increase of the 3-IPM pathway, which is part of the branched-chain amino acid (BCAA) metabolism. Findings point out that the structure similarity of isovaleric acid and valine is most likely enhancing the conversion of BCFA into BCAA. The required set of enzymes of the BCAA metabolism supported this perspective.
The ionophore monensin has antibiotic properties which are used in cattle fattening but also for treating ketosis and acidosis in ruminants. In the second publication, P. bryantii B14 was exposed to different concentrations of monensin (0, 10, 20 and 50 uM) and to different exposure times (9, 24, 48 and 72 h) with and without monensin. Growth behavior, glucose and intracellular sodium concentration were determined. Proteins were analyzed by label-free quantification method using the same method as in the previous mentioned experiment. Fluorescence microscopy was used to observe extracellular polysaccharides (EPS) of P. bryantii B14. A progressing monensin exposure triggered disconnection between P. bryantii B14 cells to the sacrificial EPS layer by increasing its number and amount of carbohydrate active enzymes (CAZymes). Simultaneously, an increase of extracellular glucose was monitored. Reduction of intracellular sodium was likely to be performed by increasing the abundance of ion-transporters and an increased activity of Na+-translocating NADH:quinone oxidoreductase under monensin supplementation.
The role of monensin supplemented Prevotella in a mixed culture of the rumen microbiome was described. Extracted rumen fluid from cows was incubated anaerobically by using the rumen simulation technique (Rusitec). Proteomics of the solid phase was applied by using a similar approach as in the previous related studies. Metabolomics of the liquid phase from the Rusitec content was performed by using 1H-nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Further parameters such as pH, gas and methane production were monitored over time. The experiment was constituted out of three phases starting with an adaptation phase of 7 days. A subsequent treatment phase followed, where monensin was supplemented via the daily introduced total mixed ration (TMR) for further 7 days. The elution phase was the final phase when monensin supplementation was stopped and monitoring was continued for further 3 days. Metabolomics and proteomics showed that members of the genus Prevotella remained most abundant under monensin supplementation. Furthermore, shifting the ruminal metabolism to an increased production of propionate by shifting the metabolism of Prevotella sp. to an enhanced succinate production.
The current work shows the impact of SCFAs on various metabolic functions of P. bryantii B14. Diverse defence mechanisms of Prevotella sp., in particular P. bryantii B14, were shown to avoid the antibiotic effects of monensin.Das Pansenmikrobiom ist ein komplexes Ökosystem mit einer großen Vielfalt an Organismen, die kurzkettige Fettsäuren (SCFAs) produzieren und verbrauchen. Es ist von großem Interesse, diese Aktivitäten zu analysieren, da sie sowohl für das Mikrobiom als auch für den Wirt von Nutzen sind. Ziel dieser Arbeit ist es, das Proteom und Metabolom des vorherrschenden Pansenvertreters Prevotella bryantii B14 in Gegenwart verschiedener SCFA und unter Einwirkung des Antibiotikums Monensin in Rein- und Mischkultur (in vitro) darzustellen. Aufgrund der großen Anzahl von Prevotellaceae im Pansenmikrobiom wurde der Vertreter P. bryantii B14 (DSM 11371) ausgewählt, um die biochemischen Faktoren für die erfolgreiche Resistenz gegenüber Monensin und die Auswirkungen von kurzkettigen Fettsäuren auf ihr Wachstum zu untersuchen. Die aktuelle Arbeit besteht aus zwei Publikationen [1, 2], die in Kapitel 2 und 3 eingefügt sind, sowie einem eingereichten Manuskript in Kapitel 4. Die Formatierung der Publikationen und des Manuskriptes wurde an die Dissertation angepasst.
Die erste Veröffentlichung (Kapitel 2) befasste sich mit der Supplementierung verschiedener SCFAs und zeigt, dass SCFAs wachstumsfördernd, aber nicht essentiell für P. bryantii B14 sind. Reinkulturen von P. bryantii B14 sind in Hungate-Röhrchen unter anaeroben Bedingungen durchgeführt worden. Gaschromatographie-Flugzeit-Massen-spektrometrie (GC-ToF MS) wurde zur Quantifizierung der langkettigen Fettsäuren (LCFA) von P. bryantii B14 verwendet. Die nicht-markierte und nicht-angereicherte Proteine von P. bryantii B14 wurden mit Hilfe von Massenspektrometrie identifiziert und quantifiziert. Es wurde ein unterschiedliches Wachstumsverhalten in Abhängigkeit von der zugeführten SCFA beobachtet. Eine Auswirkung der strukturellen Eigenschaften der SCFAs hat sich auf die LCFAs und ebenso auf die Anwesenheit verschiedener Membranproteine bemerkbar gemacht. Die Supplementierung von P. bryantii B14 mit verzweigtkettigen Fettsäuren (BCFAs), insbesondere Isovaleriansäure, hat einen Anstieg des Stoffwechsels von 3-Isopropylmalat (IPM) gezeigt, welcher Teil des Stoffwechsels von verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs) ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Strukturähnlichkeit von Isovaleriansäure und Valin höchstwahrscheinlich die Umwandlung von BCFA in BCAA begünstigt. Der relative Anstieg der erforderlichen Enzyme BCAA-Stoffwechsel unterstützen diese Sichtweise.
Das Ionophor Monensin hat antibiotische Eigenschaften, welche in der Rindermast, aber auch zur Behandlung von Ketose und Azidose bei Wiederkäuern eingesetzt wird. Die zweiten Veröffentlichung (Kapitel 3) zeigte den Einfluss verschiedenen Konzentrationen von Monensin (0, 10, 20 und 50 μM) und verschiedenen Expositionszeiten (9, 24, 48 und 72 h) mit und ohne Monensin auf P. bryantii B14. Das Wachstumsverhalten, extrazelluläre Glukose- und intrazelluläre Natriumkonzentration wurde unter den beschriebenen Bedingungen ermittelt. Das Proteom von P. bryantii B14 wurde mittels markierungsfreier Quantifizierung nach der gleichen Methode wie in Kapitel 2 analysiert. Fluoreszenzmikroskopie wurde zur Unter-suchung der extrazellulären Polysaccharide (EPS) von P. bryantii B14 eingesetzt. Mit fortschreitender Monensin-Exposition hat sich gezeigt, dass P. bryantii B14 die Verbindung zur äußeren EPS abbaute, indem es die Anzahl und Menge der kohlenhydrataktiven Enzyme (CAZyme) erhöhte. Der Anstieg an extrazellulärer Glukose bestätigte die Vermutung, dass die Opferschicht abgebaut wurde. Die beobachtete Reduktion des intrazellulären Natriums ist wahrscheinlich mit der Zunahme der Menge an Ionentransportern verbunden. Weiterhin wurde eine erhöhte Aktivität der Na+-transferrierenden NADH:Quinon-Oxidoreduktase (NQR) unter Monensin-Supplementierung dokumentiert.
Die Rolle von mit Monensin supplementierten Prevotella in einer Mischkultur des Pansenmikrobioms ist im letzten Manuskript beschrieben worden (Kapitel 4). Pansensaft ist mit Hilfe der Pansensimulationstechnik (Rumen simulation technique = Rusitec) anaerob inkubiert worden. Das Proteom der festen Phase ist mit einem ähnlichen Ansatz wie in Kapitel 2 und 3 durchgeführt worden. Das Metabolom der flüssigen Phase aus dem Rusitec ist anhand der 1H-Kernresonanz (Nuclear magnetic resonance = NMR) spektroskopie ermittelt worden. Weitere Parameter wie pH-Wert, Gas- und Methan-produktion wurden im Zeitverlauf überwacht. Das Experiment bestand aus drei Phasen, beginnend mit einer Anpassungsphase von 7 Tagen. Es folgte eine Behandlungsphase, in der Monensin über das tägliche verabreichen der totalen Mischration (TMR) für weitere 7 Tage durchgeführt wurde. Die Elutionsphase war die letzte Phase, in der die Monensinzugabe eingestellt und die Überwachung für weitere 3 Tage fortgesetzt wurde. Metabolomics und Proteomics haben gezeigt, dass Mitglieder der Gattung Prevotella unter Monensinzugabe am häufigsten vorkommen. Außerdem verlagerte sich der Pansenstoffwechsel auf eine erhöhte Propionatproduktion. Der Stoffwechsel von Prevotella sp. wurde auf eine erhöhte Succinat-produktion umgestellt.
Die vorliegende Arbeit zeigt die Auswirkungen von SCFAs auf verschiedene Stoffwechselfunktionen von P. bryantii B14. Es wurde gezeigt, dass verschiedene Abwehrmechanismen von Prevotella sp. und insbesondere von P. bryantii B14 die anti-biotische Wirkung von Monensin verhindern
The adoption of agricultural machinery and its economic impacts in China
Full text linkIn modern agriculture, machinery plays an important role to substitute manual labor and to improve productivity and economic performance of farm households. Conventional agricultural machinery in crop production includes tractors, cultivators, tillers, combine harvesters, pumps, threshers, planters, fertilizer spreaders, seeders, etc. In recent years, as an innovative agricultural machinery, unmanned aerial vehicles (UAVs) have been adopted in precision agriculture for crop monitoring and crop spraying. However, factors influencing Chinese farmers adoption of agricultural machinery and the economic impacts of the adoption have not been adequately studied, especially regarding farm machinery in maize production and UAVs in precision agriculture. In addition, there is limited literature that systematically summarizes the use of UAVs in maize production. The development of UAV-based pattern management in Chinese agriculture and the prerequisites for adopting and implementing this approach remain unclear.
By utilizing farm household data, qualitative methods, and econometric quantitative methods, this dissertation aims to (i) identify the factors influencing the adoption of farm machinery and UAVs by Chinese farmers; (ii) estimate the economic impacts of adopting farm machinery and UAVs; (iii) provide an overview of UAV applications in maize production; (iv) study the prerequisites for adopting and implementing UAV-based pattern management in Chinese agriculture; (v) outline and recommend policy instruments to promote the use of farm machinery and UAVs in China.
The empirical results indicate that the determinants of farm machinery adoption and UAV adoption can be attributed by three major aspects: farmer characteristics (e.g., age, education level, and perceptions about agricultural machinery), farm characteristics (e.g., farm size, land fragmentation, and cooperative membership), and other external socio-economic factors (e.g., subsidies, technical assistance, and labor shortages). The adoption of farm machinery and UAVs has shown significantly positive economic effects. However, the effects vary among farm household types due to the heterogeneous farm characteristics and socio-economic conditions. Farm machinery use significantly increased maize yield by 0.216 tons/ha and improved labor productivity by 18.65%. Young, male, and better-educated farmers benefit more from adopting farm machinery, and farms located in plain regions with cooperative membership and rented land can gain higher economic benefits from machinery use. In addition, the impacts of farm machinery adoption on maize yield and labor productivity slightly decrease with farm size. The adoption of UAVs in pesticide application significantly increased revenue and reduced the time spent on pesticide application by approximately 434-488 USD/ha and 14.4-15.8 hours/ha, respectively. In terms of marginal revenue and marginal time spent on pesticide application, the optimal area for using UAVs in pesticide spraying is estimated to be 20 hectares of arable land, suggesting that small and medium-scale farmers are the main beneficiaries of UAV adoption. For the wide application of UAV-based pattern management in precision agriculture, certain socio-economic and technical prerequisites are necessary. These include farmers possessing adequate UAV-related capabilities, relatively large farm sizes, availability of UAV-related subsidies, and superior UAV performance.
Balancing the pros and cons, the effective promotion of farm machinery in maize production and UAVs in precision agriculture requires the establishment of a comprehensive socio-economic institution. This institution should integrate strategies from both the public and private sectors such as the implementation of land consolidation, the establishment of agricultural machinery cooperatives for benefit-risk sharing, the provision of practical training and education on agricultural machinery, and subsidies for the purchase of agricultural machinery. Due to the heterogeneous effects of farm machinery adoption and UAV adoption, it is necessary to develop customized extension services tailored to various types of farm households to prevent inequity among farmers.In der modernen Landwirtschaft spielen Maschinen eine wichtige Rolle, indem sie manuelle Arbeit ersetzen, sowie Produktivität und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit verbessern. Konventionelle Landmaschinen umfassen Traktoren, Kultivatoren, Pflüge, Mähdrescher, Pumpen, Dreschmaschinen, Pflanzmaschinen, Düngerstreuer, Sämaschinen usw. In den letzten Jahren wurden unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs) als innovative landwirtschaftliche Maschinen in der Präzisionslandwirtschaft eingesetzt, sowohl zur Überwachung von Pflanzen als auch zur Schädlingsbekämpfung. Jedoch wurden die Faktoren, die die Akzeptanz landwirtschaftlicher Maschinen durch chinesische Landwirte und die ökonomischen Auswirkungen ihrer Übernahme, nicht ausreichend untersucht, insbesondere im Hinblick auf Landmaschinen in der Maisproduktion und unbemannte Luftfahrzeuge in der Präzisionslandwirtschaft. Darüber hinaus gibt es nur wenig Literatur, die den Einsatz von UAVs in der Maisproduktion systematisch zusammenfasst. Die Entwicklung eines auf UAVs basierenden Managements in der chinesischen Landwirtschaft und die Voraussetzungen für die Übernahme und Umsetzung dieses Ansatzes bleiben unklar.
Unter Verwendung von Daten zu landwirtschaftlichen Haushalten, von qualitativen Methoden und ökonometrischen quantitativen Methoden zielt diese Dissertation darauf ab, (i) die Faktoren zu identifizieren, die die Akzeptanz von landwirtschaftlichen Maschinen und UAVs durch chinesische Landwirte beeinflussen; (ii) die wirtschaftlichen Auswirkungen der Einführung von landwirtschaftlichen Maschinen und UAVs zu schätzen; (iii) einen Überblick über die Anwendungen von UAVs in der Maisproduktion geben; (iv) die Voraussetzungen für die Implementierung eines UAV-basierten Managements in der chinesischen Landwirtschaft zu untersuchen; (v) Politikinstrumente zur Förderung des Einsatzes von landwirtschaftlichen Maschinen und UAVs in China zu formulieren.
Die empirischen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Determinanten der Akzeptanz von landwirtschaftlichen Maschinen und UAVs auf drei Hauptaspekte zurückzuführen sind: die Eigenschaften der Landwirte (z. B. Alter, Bildungsniveau und Wahrnehmung von Landmaschinen), die Merkmale des landwirtschaftlichen Betriebs (z. B. Betriebsgröße, Landfragmentierung und Mitgliedschaft in einer Genossenschaft) sowie andere externe sozioökonomische Faktoren (z. B. Subventionen, technische Unterstützung und Arbeitskräftemangel). Der Einsatz von landwirtschaftlichen Maschinen und UAVs hat deutlich positive wirtschaftliche Auswirkungen gezeigt. Allerdings variieren die Effekte aufgrund der unterschiedlichen Merkmale der landwirtschaftlichen Betriebe und der sozioökonomischen Bedingungen von Haushalt zu Haushalt. Der Einsatz landwirtschaftlicher Maschinen hat den Maisertrag und die Arbeitsproduktivität signifikant erhöht. Der Maisertrag hat sich um 0,216 Tonnen pro Hektar erhöht und die Arbeitsproduktivität um 18.65%. Junge, männliche und besser gebildete Landwirte profitieren mehr von der Akzeptanz von Landmaschinen, und Betriebe in ebenen Regionen mit Genossenschaftsmitgliedschaft und höherem Pachtanteil können höhere wirtschaftliche Vorteile durch den Maschineneinsatz erzielen. Darüber hinaus nehmen die Auswirkungen der Akzeptanz von landwirtschaftlichen Maschinen auf den Maisertrag und die Arbeitsproduktivität leicht mit der Betriebsgröße ab. Die Akzeptanz von UAVs bei der Pestizidanwendung hat den Ertrag signifikant um etwa 434-488 USD pro Hektar erhöht und die für die Pestizidanwendung aufgewendete Zeit um 14,4-15,8 Stunden pro Hektar reduziert. In Bezug auf den marginalen Ertrag und die marginale Zeit für die Pestizidanwendung wird der optimale Bereich für den Einsatz von UAVs bei der Pestizidapplikation auf 20 Hektar Ackerland geschätzt, was darauf hinweist, dass kleine und mittelgroße Betriebe die Hauptnutznießer der Akzeptanz von UAVs sind. Für den breiten Einsatz des auf UAVs basierenden Muster-Managements in der Präzisionslandwirtschaft sind bestimmte sozioökonomische und technische Voraussetzungen erforderlich. Dazu gehören Betriebe, die über ausreichende Fähigkeiten im Umgang mit UAVs verfügen, relativ große Flächenausstattung aufweisen, die Verfügbarkeit von UAV-bezogenen Subventionen und eine ausreichende Leistung der UAVs.
Bei der Abwägung der Vor- und Nachteile, erfordert die wirksame Förderung des Einsatzes von Landmaschinen in der Maisproduktion und UAVs in der Präzisionslandwirtschaft die Einrichtung einer umfassenden sozioökonomischen Institution. Diese Institution sollte Strategien aus beiden Sektoren, dem öffentlichen und privaten Sektor, wie die Umsetzung der Flurbereinigung, die Gründung von landwirtschaftlichen Maschinenkooperativen zur Vorteils- und Risikoteilung, die Bereitstellung von praktischer Schulung und Ausbildung im Umgang mit landwirtschaftlichen Maschinen sowie Subventionen für den Kauf von landwirtschaftlichen Maschinen integrieren. Aufgrund der unterschiedlichen Ergebnisse bei der Übernahme von landwirtschaftlichen Maschinen und UAVs in den Betrieben, ist es notwendig, maßgeschneiderte Beratungsdienste zu entwickeln, die auf die verschiedenen Arten von landwirtschaftlichen Haushalten zugeschnitten sind, um Ungleichheiten unter den Landwirten zu vermeiden
Screening tools for late drought resistance in tropical potato
Full text linkPotato (Solanum tuberosum L.) is a drought sensitive crop, and even short drought spells or infrequent irrigation during stolon formation, tuber initiation, or tuber bulking reduces tuber yields. A number of morphological traits have been described that potentially improve genotypic performance of potato under moisture deficit conditions. In breeding processes, a large set of genotypes are tested at the same time and because the genotypes differ in their phenology, various phenological stages occur simultaneously in the field. Consequently, during a drought spell different varieties will be subjected to soil moisture deficit at different phenological stages.
We tested thirteen contrasting genotypes under field conditions in a desert in South Peru in four different irrigation treatments at two different soil types. The irrigation was withheld after 50, 65 and 80 days after planting until final harvest after 120 days. Sequential harvests, remote sensing and phenological evaluation was conducted in five to ten-days intervals.
In literature, the belowground and aboveground development of potato has been described as closely and linearly related, meaning that in many studies belowground development is estimated according to aboveground development. The synchrony of the aboveground and belowground development is strongly influenced by both, water deficit and development stage at drought initiation. Under early drought, the aboveground development was accelerated and belowground development slowed. The opposite was found at later development stages. The earlier drought was initiated, the longer the tuber-filling phase, while the bulking phase was shortened. Water deficit also slowed down the aboveground development of flowering by a couple of days. In further drought experiments it is important to evaluated the belowground development separately, as we cannot conclude from the above to the belowground development stage. In conventional breeding experiments often only one final harvest is used to analyze the final tuber yield. This proceeding do not describe under which circumstances like stress intensity the tuber yield was achieved. Genotype evaluation in breeding experiments often relies only on visual evaluation of the aboveground biomass with no harvest of the plant. Besides the phenological stage at drought initiation the stress severity is another important aspect to determinate the drought stress response of potato genotypes. The stress severity depends on the water availability in term of soil water tension and the drought duration. In this study we developed a stress severity index (SSI) which combines all three important parameters, phenology, soil water tension and drought duration. With this SSI the selection processes should be improved and genotypes can be compared independently from environment, seasons and years. The SSI combines the yield response of potato to water deficit based on the soil tension the genotype was subjected to for the duration of the stress modified by the development stage of the genotype and drought duration. SSI allows for comparison of genotypic performance independent of year, location, season, soil type effects, and drought scenario. An SSI value of up to 1000 is able to differentiate between sensitive genotypes from more resistant genotypes. Beyond 1000, yields were generally reduced by more than 60% and a differentiation between genotypes was not possible anymore. SSI allows accumulating stress severity and thus, the higher the yield at a high SSI the stronger are the plants defense and adaptation mechanisms. Therefore, other indices that have looked into stay-green syndrome, rooting depth adaptations, leaf surface temperature, or canopy reflectance indices with only medium success, may benefit from including SSI in their indices to identify the underlying mechanisms of drought tolerance in potato. Remote sensing allows to evaluated many genotype simultaneously at field level. Proven indicators in drought tolerance screening are the normalized vegetation index (NDVI), the photochemical reflectance index (PRI) and thermography which describes the transpirational cooling of the leaves. Therefore, the last objective of this study was to validate the suitability of the SSI in remote-sensing stress diagnosis.
The cluster analysis, including SSI, tuber yield reduction, NDVI, PRI and thermography identified three SSI groups with their corresponding physiological reactions under drought. The first group include SSI<1000 with fast decreasing NDVI, PRI and temperature deficit, in the second group matched SSI values from 1000 to 2000 with almost constant NDVI and temperature deficit and in the third group we found SSI beyond 2000 with corresponding small changes of NDVI, PRI and temperature deficit. The combination of these four parameters (tuber yield reduction, NDVI, PRI, thermography) explained 76 % of the variance which indicates this combination as valuable dataset analyzing drought tolerance in potato. Thus, combining these indicators with SSI and tuber yield reduction proved to be a first promising step for a new screening method for drought tolerance in a wider genotypic range. Whereas reflectance data can be recommended for assessing responses under mild to moderate stress severity, thermal imaging should rather be used to screen under mild or early drought stress.Die Kartoffel (Solanum tuberosum L.) ist eine empfindliche Kulturpflanze gegenüber Trockenheit. Meist reicht nur eine kurze Trockenperiode oder unregelmäßige Bewässerung während der Stolonentwicklung, der Knollenbildung oder des Knollenwachstums, um die Erträge stark zu verringern.
Um die Kartoffelgenotypen zu identifizieren, welche mit weniger Wasser gleichbleibende oder nur gering reduzierte Knollenerträge hervorbringen, führt die Wissenschaft der Selektionsforschung seit Jahren Studien durch. Oft wird eine große Anzahl an verschiedenen Kartoffelgenotypen auf Trockentoleranz getestet und eine schnellere Vorgehensweise würde Zeit und Geld sparen. Da in die Eigenschaft der Trockenstresstoleranz eine Vielzahl von Genen involviert ist, wäre ein entsprechendes Screening Tool, welches eine Reihe an physiologischen Reaktionen auf Trockenstress evaluiert, hilfreich um den Selektionsprozess zu beschleunigen.
Eine ganze Reihe von morphologischen und physiologischen Merkmalen und Anpassungsstrategien können die Erträge der Kartoffel unter Trockenheit verbessern. Dazu zählt die Anpassung der Phänologie an Trockenstress. Weitere wichtige physiologische, Parameter sind die Reflektion der Pflanzen, wie zum Beispiel der Normalisierte Vegetations Index (NDVI) und der photochemische Reflektions Index (PRI). Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Blattflächentemperatur, welche hilft die Transpirationskühlung zu beschreiben. Alle Parameter mit ihrer entsprechenden Anpassung helfen den Pflanzen Trockenstressperioden zu überstehen. Diese Merkmale entwickeln sich jedoch in Abhängigkeit zur phänologischen Phase bei Beginn des Trockenstresses, der Dauer des Trockenstresses und natürlich der Stressintensität, welche wiederrum vom Bodentyp abhängig ist. Dies führt dazu, dass verschiedene Kartoffelgenotypen dasselbe Feuchtigkeitsdefizit im Boden unterschiedlich intensiv wahrnehmen und dementsprechend differenziert darauf antworten.
In zahlreichen Studien wird die zentrale Rolle der oberirdischen Biomasse für die Ertragsbildung beschrieben. In der Züchtung ist eine visuelle Evaluation der oberirdischen Biomasse eine wichtige Methode. Die unterirdische und die oberirdische Entwicklung der Kartoffel ist in der Literatur als eng und linear zusammenhängend beschrieben. Diese Synchronie führt dazu, dass viele Studien den Zustand oder das phänologische Stadium der oberirdischen Biomasse dazu nehmen um auf die unterirdische Entwicklung zu schließen, ohne die Pflanzen zu ernten. Bis heute liegt keine Studie vor, die die Auswirkung von Trockenstress auf die Synchronie der ober- und unterirdischen Entwicklung untersucht hat. Neben dem phänologischen Stadium zu Beginn der Trockenheit, sind die Dauer und die Intensität des Wasserdefizits zwei weitere wichtige Aspekte in der Toleranzforschung. Um die Reaktionen von Genotypen auf verschiedenen Längen von Trockenheit in verschiedenen Umgebungen, Jahren und Bodentypen vergleichen zu können, benötigt man einen Index, der die Phänologie, Trockenstressintensität und Dauer widerspiegelt. Bei der Trockenstressintensität spielt der Bodentyp eine zentrale Rolle. Während das Wasser bei einem spezifischen Wassergehalt in einem Lehmboden pflanzenverfügbar ist, besteht in einem Sandboden schon ein Wasserdefizit. Der erforderliche Index sollte also auf Informationen der Bodenwasserspannung und einer Gewichtung der Phänologie nach Sensibilität beinhalten. Durch die Akkumulation der einzelne Werte kann so ein Stressintensitätsindex (SSI; Stress Severity Index) ermittelt und verglichen werden. Der nächste und letzte Schritt war es, den neu entwickelten SSI mit physiologischen Messungen zu verbinden, um mit Hilfe von Fernerkundung schnell und einfach eine große Vielzahl von Genotypen auf Trockentoleranz zu Testen. Zu den schnellen Methoden der Fernerkundung zählt die Messung der Pflanzenreflektion und die Messung der Blattflächentemperatur. Mit Hilfe der Reflektionsdaten kann der normalisierte differenzierte Vegetationsindex (NDVI) und der photochemische Reflektionsindex (PRI) berechnet werden. De NDVI gibt Auskunft über die Grüne der Pflanze und der PRI über den Status des Xythophylls. In Kombination mit der Blattflächentemperatur entsteht ein Bild über den aktuellen Status der Pflanze.
In einem Feldversuch haben wir auf zwei verschiedenen Böden dreizehn unterschiedliche Kartoffelgenotypen drei verschiedenen Trockenszenarios ausgesetzt. Die Ernte, sowie die oberirdische und zeitglich die unterirdische phänologische Entwicklung und die physiologischen Parameter wurden in fünf bis zehn Tagesintervallen gemessen und dokumentiert. Die Bewässerung wurde an 50, 65 und 80 Tagen nach der Pflanzung bis zur finalen Ernte nach 120 Tagen eingestellt. Die Synchronie zwischen der oberirdischen und der unterirdischen Entwicklung ist vom Wasserdefizit als auch vom Entwicklungsstadium zu Beginn der Trockenheit anhängig. Bei früh induzierter Trockenheit, während der Stolonbildung zum Beispiel, wurde die oberirdische Entwicklung beschleunigt und unterirdische Entwicklung verzögert. In späteren Entwicklungsstadien, während der Knollenfüllung war diese Verhältnis genau umgekehrt. Die phänologische Entwicklung der oberirdischen Biomasse war verzögert, während die Knollenbildung und Knollenfüllung beschleunigt wurde. In weiteren Experimenten ist es also wichtig, die Pflanzen komplett zu ernten und nicht von der oberirdischen Biomasse auf die unterirdische zu schließen. Der SSI ermöglicht den Vergleich der Ergebnisse von verschiedenen Dürrebehandlungen unabhängig von Standort, Jahr, Jahreszeit und Bodentypen. Der SSI ist ein unabhängiger Indikator für den Stress, was eine Bewertung der Reaktionen einer Pflanze auf einer standortunabhängigen Basis ermöglicht. Mit Hilfe des SSI bis 1000 sind wir in der Lage zwischen sensitiven und toleranten Genotypen zu differenzieren. Bei SSI Werten über 1000 gingen die Erträge um mehr als 60 % zurück, und eine Differenzierung zwischen den Genotypen war nicht mehr möglich. Der SSI ermöglicht eine Aufsummierung der Stressschwere, und je höher der Ertrag bei einem hohen SSI ist, desto stärker sind die Abwehr- und Anpassungsmechanismen der Pflanzen. Die Cluster-Analyse des SSI mit Ertragsverlusten, NDVI, PRI und Thermografie, identifizierte drei Gruppen mit den entsprechenden physiologischen Reaktionen bei Trockenheit. Die erste Gruppe umfasste Genotypen mit einem SSI von 2000 fanden wir nur kleinen Veränderungen von NDVI, PRI und Blattflächentemperatur. Die Kombination dieser vier Parameter (Ertragsminderung, NDVI, PRI, Thermografie) erklärte 76 % der Varianz, was darauf hindeutet, dass diese Kombination einen wertvollen Datensatz zur Analyse der Trockentoleranz bei Kartoffeln liefert. In Kombination mit dem SSI können wir die Pflanzenreflexionsmessungen als geeignetes Screening Tool für Trockentoleranz bei Kartoffeln identifizieren
Phytate degradation and phosphorus digestibility in turkeys and broiler chickens fed maize-based diets
Full text linkA growing global human population, stagnation in available land for farming, and an increased interest in sustainable and eco-friendly food production necessitates a highly efficient and environmentally friendly food production. This includes the already very feed-efficient poultry meat production. Currently, using non-renewable mineral phosphate as feed additive is industry standard in poultry nutrition. This can lead to unwanted eutrophication of waterbodies by high faecal concentrations of unutilised plant-based phosphate. Degrading phytate via enzymatic hydrolysation by phytases drastically improves digestibility of plant-based phosphate. With dietary phytase supplementation, a tool is available to reduce necessity of dietary phosphate supplementation. However, predictability of the extent to which phytase supplementation can replace phosphate supplementation is not accurate enough to forego phosphate supplementation entirely.
Subject of this doctoral thesis was to study the factors that can influence phytate degradation in the digestive tract of poultry, in order to improve predictability of plant-based phosphate digestibility. The focus was put on maize-based diets, as they are very common worldwide and phytate degradation is challenging due to low intrinsic phytase activity of maize. A literature review on the current state of knowledge on phytate degradation and phosphorus digestibility of chicken fed maize-based diets was conducted. Part of this review was to compare findings for chickens to findings in other poultry species. There is a plethora of studies that investigated the subject in broilers but comparatively little information on turkeys. There were indications of fundamental differences between broilers and turkeys. Consequently, the intention was to identify reasons for these differences and to evaluate to which extent knowledge transfer from chickens to turkeys is possible. Two consecutive trials comparing broilers and turkeys were designed. Factors studied were: supplemented phytase, dietary phosphorus and calcium concentration, age, and endogenous mucosal phosphatase activity. Broilers and turkeys studied were kept simultaneously and under identical conditions, including experimental diets. A total of 480 broiler and 480 turkey hatchlings were obtained at the same day and raised at the experimental facility. Halve of the animals of each species underwent the experiment from day 14 to day 21, the other halve from day 35 to day 42. This set up was chosen to study the influence of physiological development, as species with different maturation rates were compared.
In 3-week-old broilers and turkeys, precaecal InsP6 disappearance was the same when no phytase was supplemented and dietary calcium and phosphorus level was low. This coincided with no differences in jejunal mucosal phosphatase activity. Without phytase supplementation, 6-week-old turkeys showed higher precaecal InsP6 disappearance than 6-week-old broilers. This coincided with higher jejunal mucosal phosphatase activity in turkeys than broilers. When phytase was supplemented, precaecal InsP6 disappearance was markedly increased in both species. This increase was always higher in broilers compared to turkeys of the same age. Increased dietary calcium and phosphorus levels led to decreased precaecal InsP6 disappearance in both species. This led to the conclusion that previously reported differences in precaecal InsP6 disappearance between broilers and turkeys were primarily due to the higher dietary calcium and phosphorus concentrations used in turkey diets, and secondly due to more phytate degradation by supplemented phytase in the crop of broilers compared to turkeys. The latter was attributed to more favourable conditions for the supplemented phytase. Although turkeys appeared to have compensated much of that in the more posterior parts of the digestive tract.
Jejunal mucosal phosphatase activity was higher in treatments with phytase supplementation than without. As this coincided with high concentrations of lower inositol phosphates in the digesta, these might have triggered increased expression of phosphatases on the brush border membrane. In contrast, an increase in dietary calcium and phosphorus level coincided with a decrease in jejunal mucosal phosphatase activity, numerically in 3-week-old birds, but significantly in 6-week-old birds. This might indicate a downregulation of mucosal phosphatase expression based on phosphate concentration in the small intestine.
In conclusion, fundamental mechanisms affecting phytate degradation in the digestive tract of broilers and turkeys seem to be the same. However, there is one big difference in recommended dietary calcium and phosphorus levels and many small differences in important details affecting phytate degradation and phosphate digestibility between the two species. These require dedicated attention to further improve phosphorus efficiency in poultry production.Eine weltweit wachsende Bevölkerung bei gleichzeitiger Stagnation von verfügbarem Ackerland erfordern effizientere Produktionsmethoden mit geringerer Umweltbeeinträchtigung. Das trifft auch für die Geflügelfleischproduktion zu. Momentan ist der Zusatz von Phosphat aus nicht nachhaltigem Bergbau zum Geflügelfutter Industriestandard. Das kann zu unerwünschter Eutrophierung von Oberflächengewässern führen. Die Supplementierung des Futters mit mikrobieller Phytase ist eine etablierte Methode um die Verdaulichkeit von pflanzlichem P zu erhöhen und so die Notwendigkeit mineralischen Phosphatsupplementen zu reduzieren. Allerdings kann noch nicht zuverlässig vorhergesagt werden, wie stark sich die Verdaulichkeit von pflanzlichem P durch Phytase-Supplementierung erhöht. Daher kann auf die Supplementierung von mineralischem Phosphat in der Praxis noch nicht völlig verzichtet werden.
Gegenstand dieser Doktorarbeit war es die Faktoren zu untersuchen, die den Phytatabbau im Verdauungstrakt von Geflügel beeinflussen. Der Fokus lag auf Mais-basierten Futtern, da sie weltweit häufig eingesetzt werden und durch die geringe intrinsische Phytaseaktivität von Mais eine Herausforderung darstellen. Es wurde eine Literaturübersicht über den Wissensstand zu Phytatabbau und P-Verdaulichkeit in Mais-basiert gefütterten Hühnern angefertigt. Teil dieser Arbeit war es, die Hühner-spezifischen Erkenntnisse mit Ergebnissen von andere Geflügelarten zu vergleichen. Die Anzahl der Untersuchungen bei Mastputen war deutlich geringer als bei Masthühnern. Zudem gab es Hinweise auf fundamentale Unterschiede zwischen Masthühnern und Mastputen. Daher sollten die Gründe für die Unterschiede identifiziert und Möglichkeiten der Übertragbarkeit von Erkenntnissen erörtert werden. Zwei Verdaulichkeitsversuche mit Mastputen und Masthühnern wurden geplant. Die untersuchten Faktoren waren: supplementierte Phytase, P- und Ca Konzentrationen im Futter, Alter und endogene mucosale Phosphataseaktivität im Jejunum. Hühner und Puten wurden zeitgleich unter den gleichen Bedingungen gehalten und mit den gleichen Versuchsfuttern getestet. Insgesamt wurden 480 Hühner- und 480 Puten als Eintagsküken am selben Tag eingestallt. Die Hälfte der Tiere der jeweiligen Spezies nahm zwischen dem 14. und dem 21. Lebenstag am ersten Versuch teil, die übrigen Tiere zwischen dem 35. Und dem 42. Lebenstag am zweiten Versuch. Dadurch sollte der Einfluss der körperlichen Entwicklung untersucht werden.
Im Alter von 3 Wochen war das praecaecale InsP6-Verschwinden bei Hühnern und Puten gleich hoch, wenn keine Phytase supplementiert wurde und die Ca- und P Konzentration im Futter niedrig war. Es wurden ebenfalls keine Unterschiede in mucosaler Phosphataseaktivität im Jejunum festgestellt. Im Alter von 6 Wochen war bei Puten sowohl das praecaecale InsP6-Verschwinden, als auch die mucosale Phosphataseaktivität im Jejunum höher als bei gleichalten Hühnern, wenn keine Phytase supplementiert wurde. Die Supplementierung von Phytase führte in beiden Spezies zu einem deutlichen Anstieg im praecaecalen InsP6-Verschwinden. Dieser Anstieg war bei Hühnern immer höher als bei Puten. Eine Erhöhung der Ca- und P Konzentrationen im Futter führte zu einer Reduktion des praecaecalen InsP6-Verschwindens in allen Tieren. Daher wurde geschlussfolgert, dass die in der Literatur berichteten Unterschiede im praecaecalen InsP6-Verschwinden zwischen Masthühnern und Mastputen vor allem auf die höheren Ca- und P Konzentrationen im Putenfutter, aber auch auf einen höheren Phytatabbau durch supplementierte Phytase im Kropf von Hühnern gegenüber Puten, zurückzuführen sind. Letzteres wurde besseren Bedingungen für supplementierte Phytasen im Kropf von Masthühnern gegenüber Puten zugeschrieben. Jedoch konnten die Puten dies teilweise in darauffolgenden Abschnitten des Verdauungstrakts kompensieren.
Die mucosale Phosphataseaktivität war höher in Behandlungen mit Phytasesupplementierung als in Behandlungen ohne. Außerdem wurden dort erhöhte Konzentrationen von niederen Inositolphosphaten gemessen. Diese könnten eine erhöhte Expression von Phosphatasen an der Bürstensaummembran stimuliert haben. Bei erhöhten Ca- und P Konzentrationen im Futter wurden niedrigere mucosale Phosphataseaktivitäten im Jejunum gemessen. Das kann auf eine Regulierung der endogenen mucosalen Phosphatase Expression in Abhängigkeit von Phosphatkonzentration im Dünndarm hinweisen.
Es kann geschlussfolgert werden, dass die grundlegenden Mechanismen des Phytatabbaus im Verdauungstrakt bei Masthühnern und Mastputen gleich sind. Allerdings gibt es zwischen den beiden Tierarten einen großen Unterschied bei der empfohlenen Ca- und P Konzentration im Futter und viele kleine Unterschiede in wichtigen Details die Auswirkungen auf Phytatabbau und Phosphatverdaulichkeit haben. Diese erfordern besonderes Augenmerk um die Phosphoreffizienz in der Geflügelproduktion weiter zu verbessern