2013 research outputs found
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Investigations on nutritional characteristics of microalgae with emphasis on ruminants
Get PDFThe main objective of the present thesis was to systematically determine nutritional characteristics of microalgae and evaluate the suitability of microalgae as feedstuffs, particularly for ruminants. The experiments comprised a comprehensive characterisation of microalgae nutrient profiles with chemical-analytical methods and the determination of extent and dynamics of nutrient utilization using in vitro methods.
In order to generate a comprehensive database on nutrient composition of microalgae, 16 commercial microalgae biomasses of four genera (Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis, and Phaeodactylum) were analysed utilizing established methods for food and feed evaluation (Manuscript 1). These investigations included determination of the in vitro crude protein (CP) digestibility for pigs. Nutrient analyses showed a considerable variation particularly in concentrations of proximate nutrients, minerals, and fatty acids, both among and within genera. This variation presumably resulted from varying cultivation conditions and it was concluded that general mean values are not appropriate to characterize microalgae in terms nutrient composition.
Manuscript 2 aimed to determine characteristics of the nutritional value of microalgae for ruminants utilizing different in vitro methods. The commercial biomasses included in Manuscript 1 were investigated using the Hohenheim Gas Test method. The investigations comprised the determination of several ruminal fermentation characteristics, of the energy value, and of the protein value. A three-step enzymatic in vitro system was used to estimate intestinal digestibility of ruminally undegraded CP (IDP). Ruminal fermentation of the investigated microalgae biomasses was overall low, which was indicated by an overall low level of production of gas and volatile fatty acids, and a low ruminal CP degradation. As a result of low ruminal fermentation, microalgae biomasses were characterized by high concentrations of ruminally undegradable CP (RUP; 386, 399, 315, and 263 g RUP/kg DM at passage rate of 8 %/h for Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis, and Phaeodactylum, respectively). Thus, microalgae appear to be potential alternative protein sources for high performing animals. However, this was contradicted by low IDP, which was determined for microalgae in the present thesis for the first time (mean values for Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis, and Phaeodactylum were 27, 43, 43, and 40 % of RUP respectively). The variation observed in nutrient profiles was reflected in several nutritional characteristics.
A common objective of Manuscript 1 and Manuscript 2 was to investigate whether cell disruption affects nutritional characteristics of microalgae. In Manuscript 1, effects of cell disruption on in vitro CP digestibility for pigs were investigated and in Manuscript 2 several in vitro methods were utilized to investigate effects of cell disruption on the nutritional value of microalgae for ruminants. Mechanical cell disruption with a ball mill enhanced in vitro CP digestibility and ruminal fermentation in most of the samples, presumably by the destruction of cells and hence an increase in nutrient accessibility. Nevertheless, concerning the protein value of microalgae in ruminants, application of mechanical cell disruption cannot not be recommended because it decreased RUP but did not increase IDP so that intestinal digestible RUP was overall decreased by cell disruption.
The aim of the third manuscript was to investigate the effects of variable cultivation conditions on nutrient composition and nutritional characteristics for ruminants of the microalgae Chlorella vulgaris. Chlorella vulgaris was cultivated under varying conditions (saturation, nitrogen and CO2 depletion, outdoor cultivation). The obtained biomasses were analysed for their nutrient composition and their nutritional value for ruminants using different in vitro methods. Both, nutrient composition and characteristics of the nutritional value for ruminants were affected by the cultivation process. Nutrient deficient conditions had rather adverse effects in terms of digestibility, protein value, and nutrient productivity.
It can be concluded that microalgae have potential as alternative protein source for ruminants. Nevertheless, this potential is contradicted by low IDP, but the findings obtained herein have to be verified in future studies. Furthermore, the results of the present thesis show that nutrient composition and ruminal fermentation characteristics of microalgae vary considerably between and in many cases even within microalgae genera. Thus, to the extent possible, it should be strived for a standardisation of cultivation conditions, in order allow better predictions of nutritional characteristics of microalgae.Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, systematisch Futterwerteigenschaften von Mikroalgen zu untersuchen und ihre Eignung als Futtermittel, insbesondere für Wiederkäuer, zu bewerten. Die Untersuchungen beinhalteten eine umfassende Charakterisierung der Nährstoffprofile von Mikroalgen mit Labormethoden, sowie die Bestimmung von Ausmaß und Dynamik der Nährstoffverwertung mit in vitro Methoden.
Um eine umfassende Datengrundlage zu den Nährstoffprofilen von Mikroalgen zu schaffen, wurden 16 kommerzielle Mikroalgenbiomassen von vier Gattungen (Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis und Phaeodactylum) mit etablierten Methoden der Lebens- und Futtermittelbewertung untersucht (Manuskript 1). Diese Untersuchungen beinhalteten die Bestimmung der Verdaulichkeit des Rohproteins (XP) von Mikroalgen für Schweine. Die Nährstoffanalytik zeigte sowohl zwischen als auch innerhalb der Gattungen eine erhebliche Variation, insbesondere in den Konzentrationen von Rohnährstoffen, Mineralstoffen und Fettsäuren. Diese Variation resultierte vermutlich aus unterschiedlichen Kultivierungsbedingungen und es wurde geschlussfolgert, dass allgemeingültige Mittelwerte ungeeignet sind, um Mikroalgen hinsichtlich ihrer Nährstoffzusammensetzung zu charakterisieren.
Das Ziel der Untersuchungen für Manuskript 2 war es, Futterwerteigenschaften von Mikroalgen für Wiederkäuer mit verschiedenen in vitro Methoden zu bestimmen. Die kommerziellen Biomassen aus Manuskript 1 wurden mit der Methode des Hohenheimer Futterwerttests untersucht. Die Untersuchungen umfassten die Bestimmung verschiedener Charakteristika der ruminalen Fermentation, des Energiewertes und des Proteinwertes. Ein dreistufiges, enzymatisches in vitro System wurde verwendetet, um die intestinale Verdaulichkeit des ruminal nicht abbaubaren XP (IDP) zu ermitteln. Die ruminale Fermentation der untersuchten Mikroalgen war gering, was anhand des generell niedrigen Niveaus der Produktion von Gas und flüchtigen Fettsäuren, sowie dem niedrigen ruminalen XP-Abbau deutlich wurde. Als Folge des niedrigen ruminalen XP-Abbaus wurden die Mikroalgenbiomassen durch hohe Konzentrationen an ruminal nicht abbaubaren XP (UDP) geprägt (386, 399, 315 und 263 g UDP/kg Trockenmasse bei einer Passagerate von 8 %/h für Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis und Phaeodactylum). Demnach scheinen Mikroalgen als alternative Proteinquelle Potential zu haben, insbesondere für Hochleistungstiere. Allerdings ist dieses Potential durch die geringe IDP, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit das erste Mal für Mikroalgen ermittelt wurde, möglicherweise stark eingeschränkt (Mittelwerte für Arthrospira, Chlorella, Nannochloropsis und Phaeodactylum: 27, 43, 43 und 40 % des UDP). Die Variation, die bei den Nährstoffprofilen beobachtet wurde, spiegelte sich auch in verschiedenen Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer wider.
Ein gemeinsames Ziel von Manuskript 1 und Manuskript 2 war es, zu untersuchen ob ein Zellwandaufschluss die Futterwerteigenschaften von Mikroalgen beeinflusst. In Manuskript 1 wurde der Effekt eines Zellwandschlusses auf die in vitro XP-Verdaulichkeit von Mikroalgen beim Schwein untersucht. In Manuskript 2 wurden verschiedene in vitro Methoden genutzt um die Effekte eines Zellwandaufschlusses auf Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer zu untersuchen. Ein mechanischer Zellwandaufschluss mit einer Rührwerkskugelmühle erhöhte bei den meisten Proben die in vitro XP-Verdaulichkeit und die ruminale Fermentation, was wahrscheinlich auf die Zerstörung der Zellwände und die daraus resultierende Erhöhung der Nährstoffverfügbarkeit zurückzuführen war. Allerdings führte dies zu einer geringeren Konzentration an UDP, wobei die IDP nicht zunahm, sodass die Menge an intestinal verdaulichem UDP generell sank. Daher ist die Anwendung eines mechanischen Zellwandaufschlusses von Mikroalgen hinsichtlich ihres Proteinwertes für Wiederkäuer als ungünstig zu bewerten und kann nicht empfohlen werden.
Das Ziel des dritten Manuskripts war es, die Effekte von verschiedenen Kultivierungsbedingungen auf die Nährstoffzusammensetzung und die Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer bei der Mikroalge Chlorella vulgaris zu untersuchen. Chlorella vulgaris wurde bei variierenden Bedingungen (Nährstoffsättigung, Stickstoff- und CO2-Limitierung, Freiland) kultiviert. Die gewonnenen Biomassen wurden hinsichtlich ihrer Nährstoffzusammensetzung und ihrer Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer mit in vitro Methoden untersucht. Sowohl die Nährstoffzusammensetzung als auch Futterwerteigenschaften für Wiederkäuer wurden durch den Kultivierungsprozess beeinflusst. Hinsichtlich der Verdaulichkeit und des Proteinwertes, sowie hinsichtlich der Nährstoffproduktivität hatte eine Nährstofflimitierung eher ungünstige Effekte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mikroalgen Potential als alternative Proteinquelle für Wiederkäuer haben. Allerdings ist dieses Potential durch die niedrige IDP möglicherweise stark einschränkt. Daher sollten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit in zukünftigen Studien verifiziert werden. Außerdem zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass sowohl die Nährstoffzusammensetzung, als auch die Futterwerteigenschaften von Mikroalgen für Wiederkäuer einer großen Variation unterliegen. Die gilt nicht nur zwischen den untersuchten Mikroalgengattungen, sondern in vielen Fällen auch innerhalb einer Gattung. Daher sollte, soweit möglich, eine Standardisierung der Kultivierungsbedingungen angestrebt werden, um eine bessere Vorhersagbarkeit von Futterwerteigenschaften für Mikroalgen zu ermöglichen
Improvements of the doubled haploid technology in maize
Get PDFThe in vivo doubled haploid (DH) technology in maize carries many advantages over traditional line development by recurrent selfing and has played an integral role in numerous breeding programs since the early 21st century. A bottleneck in the DH technology is still the success rate of chromosome doubling treatment, which has a strong influence on the costs of DH production. Currently, only a minority (~10%) of treated D0 haploid plants result in DH lines. Improvement in the chromosome doubling step of DH production would not only make DH lines cheaper, but could also change the optimum allocation of resources in hybrid breeding. In addition, the development of treatments using alternative doubling agents to colchicine, which is toxic to humans, would improve worker safety and simplify waste disposal issues for developing countries to benefit from the DH technology. Initiating such developments is the goal of this thesis.
In a first step, we evaluated anti-mitotic herbicides with different modes of action as alternatives to colchicine for reducing the toxicity of chromosome-doubling treatment and for potentially increasing the success rates. In a series of experiments, we evaluated anti-mitotic herbicides with different modes of action in different concentrations and combinations. Based on the results of the initial experiments, we chose a specific concentration of amiprophos-methyl for evaluation in combination with varying concentrations of pronamide in a further experiment. This revealed the optimal concentration of pronamide in combination with the chosen concentration of amiprophos-methyl. However, this less-toxic treatment showed slightly lower success rates and slightly higher costs per DH line as compared to the standard colchicine treatment.
In a second step after evaluating anti-mitotic herbicides for seedling treatment, we evaluated gaseous treatments using nitrous oxide (N2O), an anti-mitotic gas, in varying concentrations and combinations with air and pure oxygen. In two years of evaluation, we found an N2O treatment which had similar success rates as colchicine. The major benefit of such treatment is that this gas can simply be released into the atmosphere, eliminating the difficulty of proper chemical waste disposal, which is difficult to secure in developing countries. The only requirement is a treatment chamber, in contrast to the laboratory facilities required for handling colchicine.
In a third step, we evaluated the potential of spontaneous chromosome doubling (SCD) as an alternative to chemical treatment-based chromosome doubling. Although previous studies found significant genetic variation and high heritability for SCD, a classical quantitative genetic analysis, elucidating the type of gene action governing this trait, and a selection experiment for improving SCD was missing in the literature. We found a predominance of additive genetic effects compared to epistatic effects, and a large selection gain after three cycles of recurrent selection for SCD to levels far beyond those reached by standard colchicine treatment. This indicates the great potential of SCD to improve the DH technology.
The approximately ten-fold increase in spontaneous chromosome doubling rate (SDR) reached in our recurrent selection experiment marks a paradigm shift in the chromosome doubling step of DH production in maize. DH production efficiency can be greatly increased by the vast improvement in SDR, and production can be further simplified to enable even higher throughput. Instead of chromosome doubling treatment, which involves much handling of seedlings, haploid seeds from germplasm with a high innate ability to produce seed set without chemical treatment can be simply seeded in the DH nursery, eliminating the most costly production steps. Thus, this thesis has provided new opportunities to increase worker safety and reduce toxic waste in DH production, and further provided a proof of concept for genetic improvement of spontaneous chromosome doubling, which has great prospects for increasing the efficiency of DH production in maize.Die in vivo Methode zur Erzeugung von Doppelhaploiden (DH) bei Mais bietet wesentliche Vorteile gegenüber der traditionellen Produktion von reinerbigen Inzuchtlinien mittels rekurrenter Selbstung und ist mittlerweile integraler Bestandteil vieler Maisuchtprogramme in den gemäßigten Anbauzonen. In der DH-Technologie besteht jedoch ein großer Bedarf, die Erfolgsraten bei der Behandlung zur Aufdopplung des Chromosomensatzes zu steigern, da bislang nur bei einem bescheidenen Prozentsatz (~10%) behandelter haploider Keimlinge fertile D0-Pflanzen erzeugt werden können und dies substantiell die Kosten der DH-Produktion bestimmt. Verbesserungen dieses Schrittes der Produktion von DH-Linien haben neben einer Kostenersparnis auch Auswirkungen auf die optimale Allokation von Ressourcen in der Hybridzüchtung. Die Nutzung alternativer Aufdopplungsverfahren, insbesondere die Verwendung alternativer Wirkstoffe zu dem bislang üblichen hochtoxischen Colchicin, bergen erhebliche Vorteile für den Arbeitsschutz und eine einfachere Chemikalienentsorgung. Derartige Fortschritte könnten den Einsatz der DH-Technologie insbesondere in Entwicklungsländern befördern. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese Entwicklungen durch Suche nach alternativen Aufdoppelungsverfahren voranzutreiben.
Als erster Schritt wurden in einer Versuchsreihe anti-mitotische Herbizide mit unterschiedlichen Wirkungsweisen und Konzentrationen als Alternative zu Colchicin untersucht, um einerseits die toxische Gefährdung bei der Behandlung zur Chromosomen-Aufdopplung zu reduzieren und andererseits die Erfolgsrate zu erhöhen. Basierend auf den Ergebnissen aus ersten Experimenten wurde in einem weiteren Experiment eine Konzentrationssteigerung von Pronamid in Kombination mit Amiprophos-methyl untersucht und eine optimale Applikation beider Chemikalien gefunden. Diese zeigte eine nur marginal geringere Erfolgsrate bei kaum höheren Kosten pro erzeugter DH-Linie im Vergleich zur bisherigen Standardmethode mittels Colchicin.
Als zweiter Schritt wurden gasförmige Behandlungen mit Distickstoffmonoxid (N2O), einem antimitotischem Gas, in verschiedenen Konzentrationen und Kombinationen mit Luft oder reinem Sauerstoff getestet. Mittels der zweijährigen Untersuchungsreihe konnte gezeigt werden, dass Behandlung mit N2O eine ähnliche Erfolgsrate hat wie Colchicin. Der große Vorteil der Lachgasbehandlung gegenüber Colchicin besteht darin, dass das Gas nach der Nutzung in die Atmosphäre entlassen werden kann und keine aufwendige chemische Abfallentsorgung notwendig ist, was in Entwicklungsländern meist nicht garantiert werden kann. Zur Behandlung haploider Keimlinge ist lediglich ein Druckbehälter und das Gas erforderlich, jedoch anders als im Umgang mit Colchicin kein speziell ausgestattetes Labor.
In einem dritten Schritt wurde die spontane Chromosomen-Aufdopplung (spontaneous chromosome doubling; SCD) als Alternative zur chemischen Behandlung untersucht. Während bisherige Arbeiten große genetische Unterschiede sowie eine hohe Heritabilität für SCD fanden, fehlten bislang klassische quantitativ-genetische Untersuchungen, um die genetische Architektur von SCD zu analysieren. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass SCD vornehmlich auf additiven Geneffekten beruht und weniger auf epistatischen Effekten. In einem erstmals durchgeführten Selektionsexperiment zur Verbesserung der SCD konnte bereits nach drei Generationen rekurrenter Selektion ein erheblicher Selektionserfolg erreicht werden. Damit wurde die spontane Aufdopplungsrate (spontaneous doubling rate; SDR) auf ein Niveau gebracht, welche den Erfolg der Standardmethode basierend auf der Behandlung mit Colchicin weit übertraf.
Die im Vergleich zu dem Ausgangsniveau des Zuchtmaterials um den Faktor 10 erhöhte SCD, die in unserem rekurrenten Selektionsexperiment erreicht werden konnte, markiert einen Paradigmenwechsel in einem für die DH-Technik wichtigen Schritt. Erheblich höhere SDR verbessern die Effizienz der DH-Produktion und vereinfachen diese zugleich. Denn anstatt der Behandlung von Keimlingen mit Colchicin können haploide Körner mit hoher SDR direkt im Zuchtgarten ausgesät werden und damit der arbeitsintensivste und zugleich teuerste Schritt der DH-Produktion umgangen werden. Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit verschiedene neue, erfolgsversprechende Möglichkeiten auf, um den obligatorischen Schritt der Chromosomen-Aufdopplung effizienter zu gestalten und somit die DH-Produktion von reinerbigen Linien in der Maiszüchtung zu verbessern
Dual learning within commercial apprenticeship : an empirical analysis in accounting
No full textLernprozesse im Rahmen des dualen Bildungssystems sind empirisch wenig erforscht. Theoretisch werden der dualen Ausbildung didaktische Vorzüge attestiert und gleichzeitig mehrt sich Kritik an der ineffizienten Ausschöpfung dieses Potenzials. Die vorliegende Studie beschreibt einen Ansatz zur theoretischen Determination von lernort-übergreifenden Lernprozessen (Duales Lernen) und leitet daraus ein empirisches Testinstrument ab. Die empirischen Tests erfassten während einem Jahr Vorwissen und Lernerfolge von 151 Lernenden einer kaufmännischen Berufsschule. Duales Lernen konnte bei einem Drittel der erfassten Lösungsprozesse empirisch erfasst werden. Diese Ergebnisse indizieren die Realität von lernort-übergreifenden Lernprozessen. In der Analyse der bivariaten Beziehungen zwischen dem Lernerfolg (Abhängige Variable) und dem Vorwissen (unabhängige Variable) zeigte sich das Vorwissen aus dem jeweils anderen Lernort effektiver (r = 0.34) als das Vorwissen aus dem gleichen Lernort (r = 0.23). Das Vorwissen aus dem jeweils anderen Lernort war überdies vergleichbar effektiv, wie das allgemeine Fachleistungsvermögen (r = 0.40). Im Modell der Regression (R2 = 20 %) ist das Vorwissen aus dem anderen Lernort als Prädiktor für den Lernerfolg vergleichbar mit dem allgemeinen Fachleistungsvermögen, während sich das Vorwissen aus dem gleichen Lernort nicht als signifikanter Prädiktor erwies. Das bis anhin nur theoretisch begründete didaktische Potenzial des dualen Systems zeigt sich damit erstmals auch aufgrund von quantitativ analysierten empirischen Daten. Duales Lernen zeigte sich überdies deutlich häufiger und effektiver in den betrieblichen Testaufgaben als in den schulischen Testaufgaben. Als plausibler Erklärungsansatz erscheint die Tatsache, dass die Planung von dualen Lerneinheiten in der Schule durch die Heterogenität der individuellen betrieblichen Ausbildung erschwert wird. Dagegen sind Gelegenheiten für duales Lernen im Betrieb einfacher zu lokalisieren, weil die harmonisierten Abläufe der schulischen Ausbildung den Lernenden einen gleichzeitigen Lernfortschritt ermöglichen, was die Abschätzung des Vorwissens zu einem bestimmten Zeitpunkt der Ausbildung erleichtert.To date there has been a notable lack of empirical research into learning processes within the dual education system (dual learning). Theoretically, didactic merits are claimed for the dual education but, at the same time, there is increasing criticism of the inefficient exploitation of these potential benefits. The present study describes an approach to theoretically determine learning processes across the various learning-locations (school/company). Over a period of one year the empirical tests registered prior knowledge and learning successes of 151 apprentices of a commercial vocational school. Dual learning was empirically measured in one third of all test records. These results go some way towards indicating the reality of dual learning. In the analysis of bivariate relations between learning success (dependent variable) and prior knowledge (independent variable), prior knowledge from the respective other learning location was more effective (r = 0.34) than prior knowledge from the same learning location (r = 0.23). The prior knowledge from the respective other learning location was almost as effective as the general subject ability (r = 0.40). In the model of regression (R2 = 20%), the prior knowledge from the respective other learning location is a significant predictor of learning success, and its effectiveness is comparable to the general subject ability, whereas prior knowledge from the same learning location did not prove to be a significant predictor. For the first time, the didactic potential of the dual education system, which has until now only been theoretically substantiated, can be seen according to quantitatively analyzed empirical data. Moreover, dual learning was more frequent and effective in operational (company side) test tasks than in school test tasks. The fact that the planning of dual learning units in school is made more difficult by the heterogeneity of individual company training appears as a possible explanation for this finding. In contrast, opportunities for dual learning at workplace are easier to determine, because the harmonized processes of school education allow learners simultaneous learning progress, which facilitates the assessment of prior knowledge at a particular time of the education curriculum
Study on viral, zoonotic pathogens in Baden-Wuerttemberg
No full textDie Frühsommer-Meningoenzephalitis ist die häufigste zeckenübertragene, virale Erkrankung in Deutschland. Der Erreger aus der Familie der Flaviviren kann dabei entweder direkt durch eine Zecke, oder indirekt alimentär übertragen werden. Als Reservoirwirt dienen dem FSME-Virus Nagetiere wie beispielsweise Gelbhalsmäuse oder Rötelmäuse. Letztgenannte sind außerdem Reservoirwirte des nagetierassoziierten Hantavirus, welches hauptsächlich durch eingeatmete Aerosole aufgenommen wird. Das Virus ist besonders in Süddeutschland stark verbreitet und die gemeldeten humanen Fallzahlen weisen annuelle Schwankungen ähnlich der der FSME-Fälle auf. Um die von diesen Erregern ausgehende Gefährdung für den Menschen besser einschätzen zu können sind umfangreiche Daten bezüglich der Epidemiologie und der Verbreitung sowie die Viren selbst nötig.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Auftreten von FSME-Naturherden, sowie die Existenz von Mikro- und Makrofokussen untersucht.
Zusätzlich wurde die Prävalenz von Hantaviren in Nagetieren untersucht.Tick-borne encephalitis (TBE) is the most common tick-borne viral infection in Germany. Tick-borne encephalitis virus (TBEV) belongs to the family Flaviviridae and is transmitted either directly by tick bites or by the alimentary route, which means by contaminated food. The main reservoir hosts of TBEV are the yellow-necked mouse and the bank vole, which is also the main reservoir host for the rodent-borne Hanta viruses. Infections with Hanta virus are mainly acquired by inhaling of aerosols of urine and faeces of infected individuals. The most common type of Hanta viruses in Southern Germany is the Puumala type. Hanta-virus infections as well as TBE infections are notifiable diseases in Germany. For both diseases the amount of registered cases per year vary between years in a contrary pattern. To be able to evaluate possible risks of TBEV for humans, it is very important to know detailed information about the epidemiology, spreading of the viruses, as well as their hosts and the viruses themselves. Therefore, the presence of TBEV-foci, as well as the breakdown into micro- and macrofoci was addressed.
Additionally, the prevalence of Hantavirus in rodents was studied
Pretreatment of lignocellulosic substrates to increase biogas yield
No full textBei der Biogastechnologie existieren verschiedenste Ansätze zur Optimierung des Verfahrens. Eine Möglichkeit ist die Vorbehandlung der eingesetzten Substrate, um höhere Biogasausbeuten zu erzielen, neue Substrate zu erschließen und die Gesamtwirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zu erhöhen. Für diese Vorbehandlung werden vor allem mechanische Zerkleinerungstechnologien eingesetzt, die konstruktiv sehr unterschiedlich gestaltet sind. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig eine systematische Untersuchung der mechanischen Vorbehandlung anhand eines Prallreaktors hinsichtlich Partikelgrößenverteilung, Biogasertrag und Stromverbrauch für verschiedene Substrate durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war somit die Optimierung und Bewertung der Technologie Prallreaktor zur Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Substrate für eine landwirtschaftliche Biogasanlage.
Für die Versuche wurden Substrate mit modellhaftem Charakter ausgewählt, die eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auch auf vergleichbare Substrate zulassen. Dabei handelte es sich um Triticalestroh, Hafer-Ganzpflanzensilage, Maisstroh und Pferdemist. Zudem wurde die Substratmischung einer Biogasanlage, bei der auch ein Prallreaktor für die Vorbehandlung eingesetzt wird, mit hohen Anteilen Grassilage (53 % Grassilage, 40 % Maissilage und 7 % Rinder- und Pferdemist) untersucht.
Bei allen untersuchten Substraten zeigte sich durch die Vorbehandlung eine Verringerung der Partikelgröße. Wie zu erwarten, war für feinere Partikelgrößen auch ein höherer Aufwand und somit Stromverbrauch erforderlich. Allerdings konnte kein direkter Zusammenhang zwischen einer feineren Partikelgröße und einem Mehrertrag an Methan hergestellt werden. Somit führt eine Steigerung der Aufbereitungsintensität nicht unbedingt zu einer Steigerung des mikrobiellen Abbaus.
Wesentliches Ziel der Substratvorbehandlung war neben dem Einsatz alternativer Substrate die Steigerung der Biogaserträge. So war durch die mechanische Vorbehandlung von Triticalestroh eine Steigerung beim Methanertrag von bis zu 16 %, bei Pferdemist bis zu 14 % und bei der Substratmischung bis zu 10 % möglich. Demgegenüber waren bei Hafer-Ganz¬pflanzensilage und Maisstroh keine Mehrerträge an Methan zu verzeichnen. Offenbar sind kurzgehäckselte Silagen bereits durch die Silierung ausreichend aufgeschlossen. Um mögliche Verluste durch aeroben Abbau zu vermeiden, ist der direkte Eintrag der vorbehandelten Substrate in den Fermenter vorzusehen. Daher sollte die Vorbehandlung idealerweise zwischen Bevorratung und dem Eintragssystem in die Verfahrenstechnik der Biogasanlage eingebunden werden.
Zur Einordnung der Ergebnisse mit dem Prallreaktor wurden zusätzlich Zerkleinerungsversuche mit einem Extruder im Labormaßstab durchgeführt. Grundsätzlich war der Extruder ebenfalls für alle untersuchten Substrate geeignet, jedoch musste bei Substraten mit hohem Trockensubstanzgehalt (Stroh), Flüssigkeit zugegeben werden. Die Ergebnisse zur Steigerung der Methanerträge waren vergleichbar.
Neben den Investitionskosten hatte der Stromverbrauch den größten Einfluss auf die Kosten für die Vorbehandlung. Diese variierten in Abhängigkeit der gewählten Einstellungen am Prallreaktor deutlich. Mit Hilfe der ermittelten optimalen Einstellungen ließen sich Stromverbräuche von 12,9 kWhel/tFM für Triticale- und Maisstroh, 2,6 kWhel/tFM für Hafer-GPS, 10,8 kWhel/tFM für Pferdemist und 6,1 kWhel/tFM für die Substratmischung ermitteln. Nach Zusammenführung der Ergebnisse zum Stromverbrauch und Mehrertrag an Methan ergab sich für Triticalestroh, Pferdemist und die Substratmischung nach energetischer Bilanzierung ein Gewinn durch die mechanische Vorbehandlung.
Unter wirtschaftlichen Aspekten zeigten vor allem Pferdemist und Maisstroh im Vergleich zu Silomais ihr Potenzial als Alternativsubstrat. Durch Ihren Reststoffcharakter und dem damit verbundenen fehlenden Marktwert sind diese beiden Substrate wirtschaftlich interessant. Demgegenüber stellt sich die Wirtschaftlichkeit für Triticalestroh gegenüber Silomais aufgrund des Marktwertes für Getreidestroh geringer dar. Die Ergebnisse können jedoch in Abhängigkeit von Substratqualität und Biogasanlage schwanken, weshalb eine individuelle Betrachtung für jedes Projekt erforderlich ist.
Der Prallreaktor als Verfahren der mechanischen Vorbehandlung ist grundsätzlich für verschiedene Substrate geeignet. Durch den Aufschluss können die Gasausbeute gesteigert und bisher ungenutzte Nebenprodukte für den Biogasprozess erschlossen werden, wodurch sich auch die Wirtschaftlichkeit verbessert.There are various approaches for the optimization in biogas technology. One possibility is the pretreatment of the used substrates in order to achieve higher biogas yields, open up new substrates and increase the overall economic viability of biogas plants. For this pretreatment, mechanical treatment technologies are used, which are very different in construction. Therefore, a systematic investigation of the mechanical pretreatment by means of impact with regard to particle size distribution, biogas yield and power consumption for different substrates was carried out for the first time. The aim of this thesis was thus to optimize and eva¬luate the technology impact reactor for pretreatment of lignocellulosic substrates for use in an agricultural biogas plant.
Substrates with a model character were selected for the experiments, which allow the results to be transferred to comparable substrates. These were triticale straw, oat whole crop silage, maize straw and horse manure. In addition, the substrate mixture of a biogas plant, in which an impact reactor is also used for pretreatment, with a high proportion of grass silage (53 % grass silage, 40 % maize silage and 7 % cattle and horse manure) was examined.
Pretreatment of all substrates showed a reduction in particle size. As expected, finer particle sizes also required more effort and therefore higher power consumption. However, no direct correlation could be established between a finer particle size and an increased methane yield. Therefore, an increase in the processing intensity does not necessarily lead to an increase in microbial degradation.
In addition to the use of alternative substrates, the main objective of substrate pretreatment was to increase biogas yields. Mechanical pretreatment of triticale straw made it possible to increase methane yield by up to 16 %, horse manure by up to 14 % and substrate mixture by up to 10 %. In contrast, no additional methane yields were recorded for oat whole crop silage and maize straw. Apparently short chopped silages are already sufficiently broken down by the silage. To avoid possible losses due to aerobic degradation, the pretreated substrates must be fed directly into the fermenter. Therefore, the pretreatment should ideally be integrated into the process engineering of the biogas plant between storage and the feed system.
In order to classify the results with the impact reactor, additional treatment experiments were carried out with an extruder on a laboratory scale. In principle, the extruder was also suitable for all substrates examined, but liquid had to be added to substrates with a high dry substance content (straw). The results for increasing methane yields were comparable.
Besides the investment costs, power consumption had the greatest influence on the costs of pretreatment. These varied significantly depending on the selected settings at the impact reactor. With the help of the determined optimal settings, power consumption of 12.9 kWhel/tFM for triticale and maize straw, 2.6 kWhel/tFM for oat whole crop silage, 10.8 kWhel/tFM for horse manure and 6.1 kWhel/tFM for the substrate mixture could be determined. After combining the results on power consumption and additional methane yield, the mechanical pretreatment of triticale straw, horse manure and the substrate mixture resulted in a gain after energetic balancing.
From an economic point of view, horse manure and maize straw showed their potential as an alternative substrate compared to silage maize. Due to their residual material character and the associated lack of market value, these two substrates are economically interesting. By contrast, the market value of cereal straw makes triticale straw more economical than silage maize. However, the results may vary depending on substrate quality and biogas plant, which is why an individual consideration is required for each project.
The impact reactor as a method of mechanical pretreatment is basically suitable for various substrates. The pretreatment process increases the biogas yield and opens up previously unused residues for the biogas process, which also improves economic efficiency
Assessment of stakeholder perception of implementing power-to-gas in the biogas sector : implications for risk governance
Get PDFThe connection of power-to-gas (PtG) with biogas facilities to convert excess renewable electricity into biomethane represents an innovation in the biogas industry. This concept could play a role in stabilizing the German renewable energy system and make the biogas value chain and derived products more competitive and environmentally friendly. With increasing interest in this technology, potential risks, uncertainties and challenges associated with the implementation of PtG in the biogas industry need to be assessed. The biogas sector is controversial in German society mainly due to its environmental and economic impacts and its critical safety deficiencies. Against this background, this thesis aims at analyzing how the German biogas chain could be transformed with the emergence of a PtG concept and at identifying approaches to efficiently tackle potential risks, uncertainties and challenges accompanying this renewable energy concept. The investigation draws on notions of risk perception and risk governance as a theoretical framework to identify and assess influential factors determining risk management for the implementation of PtG in the biogas sector and characterize essential requirements in the process of diffusion of the technology, its acceptance and legitimation. Following a random as well as a purposive sampling strategy, 27 experts representing key interest groups of the German biogas sector, i.e., industry, politics, research and associations, were interviewed face-to-face. Their perspectives on potential environmental, safety, sociopolitical and techno-economic risks and challenges that could hinder the implementation of PtG in the biogas value chain were systematically examined with the method of qualitative content analysis. With this technique, conclusions were derived based on a thorough scrutiny of the data collected. Overall, the participants of this study perceived a low risk of accidents, such as fires, explosions and environmental pollution, from biogas installations running with a PtG concept. They identified a lack of business models, missing political incentives as well as stigmatization of the sector as the main challenges in the adoption of PtG in the biogas sector. The stakeholders emphasized a knowledge gap in the general public to explain the low popularity of the biogas sector and its biobased products. In a successful deployment of this technological concept, the interviewees envisioned a replacement of farm-based biogas plants with fully industrialized facilities. The interviewed experts strongly emphasized the existence of regulations as the principal means to avoid potential technological risks. The perception of the stakeholders corresponds with hierarchists as in the Cultural Theory of Risk. This mindset influences the way the experts recognize, manage and communicate risks. The participants prominently identified politicians as the primary accountable actors to handle risks, challenges and uncertainties of biogas associated with PtG. Although the media was broadly seen as a knowledge broker, the interviewees did not consider it as an instrument for effective risk communication to deal with distrust and stigmatization in the public and the controversies influencing the biogas sector, which could potentially affect the diffusion of PtG in the industry. The present study delivers key insights for the governance of the adoption of this technological concept in German society. In order to create a joint understanding among relevant stakeholders, facilitate informed decision-making and ultimately promote legitimacy for this technology, it is recommended to increase risk awareness among actors dealing with biogas and PtG. It is essential to foster deliberate communication among the multiple interest groups on diverging perceptions of risk and corresponding management options, so that an effective, accountable and participatory strategy to risk governance can be developed.Die Verbindung von Power-to-Gas (PtG) mit Biogasanlagen zur Umwandlung überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energien in Biomethan stellt eine Innovation im Biogassektor dar. Dieses Konzept könnte zur Stabilisierung des deutschen Systems für erneuerbare Energien beitragen und die Biogas-Wertschöpfungskette sowie die daraus abgeleiteten Produkte wettbewerbsfähiger und umweltfreundlicher machen. Angesichts des wachsenden Interesses an dieser Technologie müssen potenzielle Risiken, Unsicherheiten und Herausforderungen im Zusammenhang mit der Einführung von PtG im Biogassektor bewertet werden. Der Biogassektor wird in der deutschen Öffentlichkeit hauptsächlich wegen ökologischer und wirtschaftlicher Argumente sowie Sicherheitsmängel kritisiert. Vor diesem Hintergrund soll in dieser Arbeit analysiert werden, wie sich die deutsche Biogaskette mit einem PtG-Konzept ergänzen lässt. Des Weiteren werden in der vorliegenden Arbeit potenzielle Risiken, Unsicherheiten und Herausforderungen identifiziert, die mit diesem Konzept einhergehen. Die vorliegende Untersuchung stützt sich auf Konzepte zu Risikowahrnehmung und Risiko-Governance als theoretischen Rahmen. Darüber sollen Einflussfaktoren bestimmt und bewertet werden, die das Risikomanagement für die Einführung von PtG im Biogassektor beeinflussen. Dies dient dazu, grundlegende Anforderungen zur Verbreitung der Technologie, ihrer Akzeptanz und Legitimation aufzuzeigen. Nach einer randomisierten sowie zielgerichteten Stichprobenstrategie wurden insgesamt 27 Experten aus zentralen Interessengruppen des deutschen Biogassektors, namentlich aus Industrie, Politik, Forschung und Verbänden, persönlich befragt. Ihre Perspektiven auf potenzielle ökologische, sicherheitsbezogene, sozialpolitische und technoökonomische Risiken, Unsicherheiten und Herausforderungen, welche die Einführung von PtG in der deutschen Biogas-Wertschöpfungskette behindern könnten, wurden mit der Methode der qualitativen Inhaltsanalyse systematisch untersucht. Die nach diesem Verfahren gesammelten Daten wurden eingehend analysiert und zu Schlussfolgerungen verdichtet. Insgesamt erachteten die Teilnehmer dieser Studie das Unfallrisiko z. B. aufgrund von Bränden, Explosionen und Umweltverschmutzung durch Biogasanlagen, die mit einem PtG-Konzept betrieben werden, als gering. Als Schlüsselherausforderungen bei der Einführung von PtG im Biogassektor haben die befragten Experten mangelnde Geschäftsmodelle, fehlende politische Anreize sowie eine Stigmatisierung des Sektors identifiziert. Die Stakeholder verwiesen auf eine Wissenslücke in der breiten Öffentlichkeit, um die geringe Popularität des Biogas-sektors und seiner biobasierten Produkte zu erklären. Im Hinblick auf einen erfolgreichen Einsatz dieses technologischen Konzepts stellen sich die Befragten anstelle vieler Biogasanlagen auf Bauernhöfen vollständig industrialisierte Anlagen vor. Zur Vermeidung potenzieller technologischer Risiken verlassen sich die Stakeholder vornehmlich auf bestehende Richtlinien und Gesetze. Anhand ihrer Wahrnehmung lassen sich die befragten Experten nach der Kulturtheorie des Risikos als Hierarchen beschreiben. Ihre Denkweise beeinflusst die Art und Weise, wie die Stakeholder Risiken erkennen, steuern und kommunizieren. Die meisten Teilnehmer identifizierten Politiker als Hauptverantwortliche für den Umgang mit Risiken, Herausforderungen und Unsicherheiten von PtG im Zusammenhang mit Biogas. Obwohl die Medien allgemein als Wissensvermittler anerkannt wurden, betrachteten die Befragten sie nicht als Instrument für eine wirksame Risikokommunikation, um mit Misstrauen und Stigmatisierung in der Öffentlichkeit umzugehen und den Kontroversen im Biogassektor, welche die Verbreitung von PtG beeinflussen könnten, zu begegnen. Die vorliegende Studie liefert wichtige Erkenntnisse für die Steuerung der Einführung dieser Technologie in Deutschland. Um ein gemeinsames Verständnis unter den relevanten Stakeholdern zu schaffen, eine fundierte Entscheidungsfindung zu ermöglichen und letztendlich die Legitimität dieser Technologie zu fördern, wird empfohlen, das Risikobewusstsein der Akteure im Bereich Biogas und PtG zu erhöhen. Eine bewusste Kommunikation zwischen Interessengruppen bzgl. abweichender Risikowahrnehmungen und Bewirtschaftungsoptionen ist unerlässlich, damit eine wirksame, legitime und partizipative Strategie zur Risiko-Governance entwickelt werden kann
The role of Phragmites australis in carbon, water and energy fluxes from a fen in southwest Germany
Get PDFThe global carbon emission from peat soils adds up to 0.1 Gt-C per year. Under anaerobic conditions, organic material is decomposed to methane (CH4). Over a 100-year cycle, methane is a 28 times stronger greenhouse gas than carbon dioxide and is an important factor for climate change. Therefore, there is a great interest to get a better understanding of the carbon flows in peatlands. Phragmites peatlands are particularly interesting due to the global abundance of this wetland plant (Phragmites australis, common reed) and the highly efficient internal gas transport mechanism. This is a humidity-induced convective flow (HIC) to transport oxygen (O2) to the roots and rhizomes, with the effect that simultaneously soil gases (CH4 and CO2) can be transported to the atmosphere via the plant. Thereby, Phragmites is expected to have a high evapotranspiration (ET) rate due to the large leaf area, open water habitat and high aerodynamic roughness. This ET could highly influence the hydrology of the system. Because he accumulation of organic material occurs because of limiting oxygen levels, hydrological processes are fundamental in the development of peatlands.
The research aims were: 1) to clarify the effect of plant-mediated gas transport on CH4 emission, 2) to find out whether Phragmites peatlands are a net source or sink of greenhouse gases, and 3) to evaluate ET in perspective of surface energy partitioning and compare results with FAOs Penman-Monteith equation. CO2, CH4 and latent and sensible energy fluxes were measured with the eddy covariance (EC) technique within a Phragmites-dominated fen in southwest Germany in 2013, 2014 and 2016. In 2016, a field experiment was set up to quantify the contribution of plant-mediated CH4 transport to the overall CH4 flux and how it influences ebullition.
One year of EC flux data (March 2013February 2014) shows very clear diurnal and seasonal patterns for both CO2 and CH4. The diurnal pattern of CH4 fluxes was only visible when living green reed was present. This diurnal cycle had the highest correlation with global radiation, which suggests a high influence of HIC on CH4 emission. But if the cause were HIC, relative humidity should correlate stronger with CH4 flux. Therefore, we conclude that in addition to HIC at least one other mechanism must have been involved in the creation of the convective flow within the Phragmites plants. We quantified the influence of pressurized flow within Phragmites on total CH4 emission in a field experiment (see chapter 3) and found between 23% and 45% lower total CH4 flux when pressurized flow was excluded (by cutting or cutting and sealing the reed). The gas transport pathways from the soil to the atmosphere changed as well. Relative contribution of ebullition to the total flux increased from 2% in intact Phragmites to 24-37% in cut vegetation. This increase in ebullition in cut vegetation, obviously, did not compensate the excluded pathway via the pressurized air flow at our site. It also means that the effect of CH4 bypassing the oxic water layer by plant transport on CH4 emission is much larger than the effect of O2 transport through the plants on CH4 oxidation and production in the rhizosphere.
Overall, the fen was a sink for carbon and greenhouse gases in the measured year, with a total carbon uptake of 221 g C m-2 yr-1 (26% of the total assimilated carbon). The net uptake of greenhouse gases was 52 g CO2 eq.m-2 yr-1, which is obtained from an uptake of CO2 of 894 g CO2 m-2 yr-1 and a release of CH4 of 842 g CO2 eq.m-2 yr-1. Compared to the long term uptake of carbon by northern peatlands (2050 g C m-2 yr-1) 212 g C yr-1 is therefore very high. One year of measurements is not enough to draw hard conclusions about the climate change impact of this peatland.
The measured ET at our site was lower than other Phragmites wetlands in temperate regions. ET was half the amount of precipitation (see chapter 4). Therefore, the risk of the wetland to dry out is not realistic. ET was especially low when there was little plant activity (May and October). Then, the dominant turbulent energy flux was sensible heat not latent heat. This can be explained by the high density of dead reed in these months. the reed heats up causing a high sensible heat flux. Evaporation was low due to the shading of the water layer below the canopy and low wind velocities near the surface. FAOs Penman-Monteith equation was a good estimator of measured ET with crop factors from the regression model of Zhou and Zhou (2009) (see chapter 4). Especially the day-to-day variation was modeled very well. Their model had air temperature, relative humidity and net radiation as input variables. This is likely related to stomatal resistance, which depends on the same variables. Therefore, the model of Zhou and Zhou (2009) is an interesting tool for calculating daily crop factors and it is probably robust enough to be used also in different regions.Die globale Aufnahme von Kohlenstoff in Torfböden beträgt bis zu 0,1 Gt-C pro Jahr. Obwohl dieser Speicher einen positiven Beitrag zur Abschwächung des Klimawandels leistet, wird aufgrund anaerober Bedingungen im Boden, organisches Material zu Methan (CH4) abgebaut. Über einen Zeitraum von hundert Jahren ist CH4 ein um das 28-fache stärkere Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid und daher besteht Interesse am Verstehen des Kohlenstoffkreislaufes in Mooren. Schilf-bewachsene Moore (Phragmites-Moore) sind dabei von besonderem Interesse, da der Transport von Sauerstoff (O2) zu den Wurzeln und Rhizomen beruht auf Luftfeuchtigkeit-induzierten konvektiven Fluss (HIC), wobei gleichzeitig auch Bodengase (CH4 und CO2) durch die Pflanze in die Atmosphäre transportiert werden können. Dazu kommt, dass aufgrund der großen Blattfläche, des Lebensraums im offenen Wasser und eine hohen aerodynamischen Rauheit, wird daher erwartet, dass Phragmites eine hohe Evapotranspirationrate (ET) aufweist. Diese ET-rate könnte maßgeblich die Hydrologie des Systems beeinflussen, was grundlegend ist für die Entwicklung von Mooren.
Die Forschungsziele waren 1) zu verdeutlichen, welche Rolle der Gastransport durch die Pflanzen auf die CH4-Flüsse hat, 2) ob Phragmites-Moore ein Netto-Quelle oder eine Netto-Senke für Treibhausgase sind und 3) die ET im Hinblick auf Sonnenenergie-Aufteilung zu messen. CO2, CH4, sensible und latente Energieflüsse wurden 2013, 2014 und 2016 mit der Eddy-Kovarianz (EK) Methode in einem von Phragmites dominierten Moor im Südwesten Deutschlands gemessen. 2016 wurde ein Experiment durchgeführt, um den Beitrag des CH4-Transports durch die Pflanzen zum gesamten CH4-Fluss zu quantifizieren und dessen Einfluss auf Ebullition (Bildung von Gasblasen) zu ermitteln.
Die EK-Daten eines Jahres zeigen sehr deutliche tageszyklische und saisonale Muster sowohl für CO2 als auch für CH4. Die tageszyklischen CH4-Flüsse waren nur zu erkennen, wenn lebendes Schilf anwesend war und korrelierte am meisten mit der Globalstrahlung. Sollte HIC die Hauptursache sein, müsste eine stärkere Korrelation zwischen relativer Luftfeuchtigkeit festzustellen sein. Da dies nicht der Fall ist, schließen wir, dass es noch mindestens einen weiteren Mechanismus gibt, der in der Erzeugung der Konvektionsströmung innerhalb der Phragmites-Pflanzen involviert ist.
In einem Feldexperiment ist quantifiziert, welchen Einfluss die Konvektionsströmung innerhalb der Schilf-Pflanzen auf den gesamten CH4-Fluss hat, und fanden einen zwischen 23% und 45% niedrigeren CH4-Fluss, wenn Konvektionsströmung ausgeschlossen werden konnte, indem das Schilfrohr abgeschnitten, bzw. abgeschnitten und versiegelt wurde. Der relative Beitrag der Ebullition zum gesamten Fluss stieg von 2% bei intaktem Schilfrohr auf 24-37% bei geschnittener Vegetation. Es ist deutlich, dass der Anstieg von Ebullition nicht den verhinderten Gastransport durch die Konvektionsströmung kompensieren konnte. Das Experiment zeigte ebenfalls, dass der Transport von CH4 durch Pflanzen, wobei die sauerstoffhaltige Wasserschicht umgangen wird, einen viel größeren Effekt auf die CH4 Emission hat als die Änderung der CH4-Oxidation und -Produktion in der Rhizosphäre durch den O2 Transport durch die Pflanzen.
Insgesamt, war das Moor über das erst gemessene Jahr betrachtet eine Senke für Kohlenstoff (221 g C m-2 yr-1) und Treibhausgase (52 g CO2 eq.m-2 yr-1), wobei 894 g CO2 m-2 yr-1 aufgenommen und 842 g CO2-Äq. m-2 yr-1 CH4 abgegeben wurde. Verglichen mit der langfristigen Aufnahme von Kohlenstoff in nördlichen Mooren (2050 g C m-2 yr-1) ist die Aufnahme von 212 g C yr-1 sehr hoch. Da die Auswertung der Messdaten eines Jahres keine belastbare Schlussfolgerung über den Einfluss dieses Moores auf den Klimawandel zulässt, sollte auch aus den anderen gemessenen Jahren (2014, 2016) die Kohlenstoffbilanz evaluiert werden.
Bezüglich der gemessenen ET hat unser Standort eine niedrige ET im Vergleich mit anderen Phragmites Feuchtgebieten im gemäßigten Klima. Besonders in Zeiten geringer Pflanzenaktivität (Mai und Oktober) war die ET sehr gering. Dies kann durch die große Menge an abgestorbenen Schilfrohrpflanzen in diesen Monaten erklärt werden. Während der Entwicklung von Phragmites stieg die Transpiration an und trug maßgeblich zu ET bei. Die Penman-Monteith Gleichung der FAO erwies sich als guter Schätzwert der gemessenen ET, crop factors aus der Literatur verwendet wurden. Eine besonders gute Übereinstimmung ziwschen gemessener und berechneter ET, ergab das Regressionsmodel von Zhou und Zou (2009). Dieses Model verwendet Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und netto Strahlung als Inputvariablen. Wahrscheinlich besteht hier ein Zusammenhang zum stomatären Widerstand. Aus diesem Grund ist das Model von Zhou und Zhou (2009) ein interessantes Werkzeug, um tägliche crop factors zu berechnen. Es ist außerdem robust genug, um in verschiedenen Regionen verwendet zu werden (China im Vergleich zu Deutschland)
Biological regulation of subsoil C-cycling
Get PDFSoils are the largest terrestrial reservoir of organic carbon (OC). Substantial proportions of the stored OC are found in stabilized form in deeper soil layers. Beside the quality and quantity of C input from plant biomass, C storage in soil is primarily controlled by the microbial decomposition capacity. Various physical, chemical and biological factors (e.g., substrate availability, temperature, water content, pH, texture) vary within soil profiles and directly or indirectly influence the abundance, composition and activity of microbial communities and thus the microbial C turnover. While soil microbiological research has so far focused mainly on processes in topsoil, the mechanisms of C storage and turnover in subsoil are largely unknown. The objective of the present thesis was therefore to investigate the specific influence of substrate availability and different environmental factors as well as their interactions on microbial communities and their regulatory function in subsoil C-cycling.
This objective was addressed in three studies. In the first and second study, one-year field experiments were established in which microbial communities from different soil depths were exposed to altered habitat conditions to identify crucial factors influencing the spatial and temporal development of microbial abundance and substrate utilization within soil profiles. This was achieved by reciprocal translocation of soils between subsoil horizons (first study) and topsoil and subsoil horizons (second study) in combination with addition of 13C-labelled substrates and different sampling dates. In the third study, a flow cascade experiment with soil columns from topsoil and subsoil horizons and soil minerals (goethite) coated with 13C-labelled organic matter (OM) was established. This laboratory experiment investigated the importance of exchange processes of OM with reactive soil minerals for the quality and quantity of dissolved OM and the influence of these soil micro-habitats on microbial abundance and community composition with increasing soil depth.
In the first study, the reciprocal translocation of subsoils from different soil depths revealed that due to comparable micro-climatic conditions and soil textures within the subsoil profile, no changes in microbial biomass, community composition and activity occurred. Moreover, increasing microbial substrate utilization in relation to the quantity of added substrate indicated that deep soil layers exhibit high potential for microbial C turnover. However, this potential was constrained by low soil moisture in interplay with the coarse soil texture and the resulting micro-scale fragmentation of the subsoil environment. The bacterial substrate utilization was more affected by this spatial separation between microorganisms and potentially available substrate than that of fungi, which was further confirmed by the translocation experiment with topsoil and subsoil in the second study. While the absolute substrate utilization capacity of bacteria decreased from the more moist topsoil to the drier subsoil, fungi were able to increase their substrate utilization and thus to partially compensate the decrease in C input from other sources. Furthermore, the addition of root litter as a preferential C source of fungal decomposer communities led to a pronounced fungal growth in subsoil. The third study demonstrated the high importance of reactive soil minerals both in topsoil and in subsoil for microbial growth due to extensive exchange processes of OM and the associated high availability of labile C. In particular copiotrophic bacteria such as Betaproteobacteria benefited from the increased C availability under non-limiting water conditions leading to a pronounced increase in bacterial dominance in the microbial communities of these soil micro-habitats.
In conclusion, this thesis showed that subsoil exhibits great potential for both bacterial and fungal C turnover, albeit this potential is limited by various factors. This thesis, however, allowed to determine the specific effects of these factors on bacteria and fungi and their function in subsoil C-cycling and thus to identify those factors of critical importance. The micro-climate in subsoil, in particular soil moisture, was the primary factor limiting bacterial growth and activity, whereas fungi were more strongly restricted by substrate limitations.Böden sind der größte terrestrische Speicher von organischem Kohlenstoff (OC). Ein erheblicher Anteil des gespeicherten OC liegt hierbei in tieferen Bodenschichten in stabilisierter Form vor. Neben der Qualität und Quantität des Eintrages aus pflanzlicher Biomasse wird die C-Speicherung in Böden hauptsächlich durch die mikrobielle Abbauleistung gesteuert. Eine Vielzahl von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren (z.B. Substratverfügbarkeit, Temperatur, Wassergehalt, pH, Textur) variieren innerhalb von Bodenprofilen und beeinflussen direkt oder indirekt die Abundanz, Zusammensetzung und Aktivität mikrobieller Gemeinschaften und somit den mikrobiellen C-Umsatz. Während die bodenmikrobiologische Forschung bisher verstärkt auf Prozesse im Oberboden ausgerichtet war, sind die Mechanismen der Speicherung und des Umsatzes von C im Unterboden weitgehend unbekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, den spezifischen Einfluss von Substratverfügbarkeit und verschiedener Umweltfaktoren sowie ihrer Wechselwirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft und ihre regulierende Funktion im C-Kreislauf des Unterbodens zu untersuchen.
Dieses Ziel wurde durch drei Studien angegangen. In der ersten und zweiten Studie wurden jeweils einjährige Feldexperimente etabliert, in denen Mikroorganismengemeinschaften verschiedener Bodentiefen veränderten Habitatbedingungen ausgesetzt wurden, um entscheidende Einflussgrößen auf die räumliche und zeitliche Entwicklung ihrer Abundanz und Substratnutzung innerhalb von Bodenprofilen zu identifizieren. Dies wurde durch eine wechselseitige Translokation von Böden zwischen Unterbodenhorizonten (erste Studie) und Oberboden- und Unterbodenhorizonten (zweite Studie) in Kombination mit Zugabe von 13C-markierten Substraten und mehreren Probennahmezeitpunkten möglich. In der dritten Studie wurde ein Fluss-Kaskaden-Experiment mit Bodensäulen aus Ober- und Unterbodenhorizonten und mit 13C-markiertem organischen Material (OM) belegten Bodenmineralen (Goethit) etabliert. Mit diesem Laborexperiment wurde die Bedeutung von Austauschprozessen von OM mit reaktiven Bodenmineralen für die Qualität und Quantität von gelöstem OM sowie der Einfluss dieser Boden-Mikrohabitate auf die mikrobielle Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung mit zunehmender Bodentiefe untersucht.
Durch die wechselseitige Translokation von Unterböden verschiedener Ursprungstiefen in der ersten Studie zeigte sich, dass aufgrund vergleichbarer mikroklimatischer Bedingungen und Bodentexturen innerhalb des Unterbodenprofils keine Veränderungen der mikrobiellen Biomasse, Gemeinschaftszusammensetzung und Aktivität auftraten. Die in Abhängigkeit von der Zugabemenge gesteigerte mikrobielle Substratnutzung verdeutlichte darüber hinaus, dass in tieferen Bodenschichten ein hohes Potential zum mikrobiellen C-Umsatz besteht. Dieses wurde jedoch durch die geringe Bodenfeuchtigkeit im Zusammenspiel mit der groben Bodentextur und einer daraus resultierenden kleinräumigen Fragmentierung im Unterboden stark eingeschränkt. Die bakterielle Substratnutzung war durch diese räumliche Trennung von Mikroorganismen und potentiell verfügbarem Substrat stärker betroffen als die pilzliche, was sich im Translokationsexperiment mit Ober- und Unterböden der zweiten Studie bestätigte. Während die absolute Substratnutzungskapazität der Bakterien vom feuchteren Oberboden zum trockeneren Unterboden abnahm, konnten Pilze diese steigern und somit die Abnahme des C-Eintrages aus anderen Quellen teilweise ausgleichen. Des Weiteren führte die Wurzelstreu-Zugabe als präferentielle C-Quelle pilzlicher Zersetzergemeinschaften zu einem deutlichen Pilzwachstum im Unterboden. Die dritte Studie verdeutlichte, dass reaktive Minerale sowohl im Oberboden als auch im Unterboden aufgrund ausgeprägter Austauschprozesse von OM und einer damit einhergehenden hohen Verfügbarkeit von labilem C von großer Bedeutung für mikrobielles Wachstum sind. Insbesondere profitierten kopiotrophe Bakterien wie Betaproteobacteria unter den nicht wasserlimitierten Bedingungen von der gesteigerten C-Verfügbarkeit, was zu einer deutlichen Steigerung der bakteriellen Dominanz in der mikrobiellen Gemeinschaft dieser Boden-Mikrohabitate führte.
Zusammenfassend wurde durch diese Arbeit deutlich, dass in Unterböden ein großes Potential sowohl zu bakteriellem als auch pilzlichem C-Umsatz vorhanden ist. Dieses Potential wird jedoch durch verschiedene Faktoren begrenzt. Es war durch diese Arbeit indes möglich, die spezifische Wirkung dieser Faktoren auf Bakterien und Pilze und ihre Funktion im C-Kreislauf des Unterbodens aufzuzeigen und somit jene von entscheidender Bedeutung zu identifizieren. So war das Mikroklima im Unterboden, insbesondere Bodenfeuchte, der primär limitierende Faktor bakteriellen Wachstums und Aktivität, wohingegen pilzliches Wachstum stärker durch Substratlimitierungen begrenzt wurde
The dietary quality of food pantry users from a socio-ecological perspective
Get PDFIn Germany, around 1.5 Mio people with a low income receive food for a small fee from one of around 940 so-called Tafel. In high-income countries like Germany, users of food pantries are a particularly vulnerable population group, as they are characterized by cumulative health risks. They often suffer from food insecurity and from chronic diseases such as hypertension, diabetes mellitus type 2 or obesity. Given that these diseases as well as food insecurity both relate to diet, the dietary quality plays a critical role in the health status of food pantry users. To illustrate the dietary quality and the different levels of factors influencing the dietary quality among food pantry users, this thesis has the following aims:
1. to provide a summary of the scientific evidence about the dietary quality of food pantry users in high-income countries;
2. to provide a summary of the scientific evidence about the nutritional quality of food provided by food pantries in high-income countries;
3. to examine the distribution of Tafel food pantries and food banks and to provide a representative picture of their resources (e.g. food, volunteers etc.), activities (e.g. provided programs) and users in Germany;
4. to examine the distribution of Tafel food pantries and to identify compositional and physical environmental correlates of food pantry use in Berlin.
To reach these aims, two systematic reviews were conducted (first and second publication). In addition, an explorative cross-sectional study consisting of an analysis of secondary data and a comprehensive survey among all Tafel belonging to the federal association Tafel Deutschland was performed (third publication). Finally, an ecological study was conducted by analyzing and mapping food pantry use and compositional and physical characteristics of areas in Berlin (fourth publication).
The first review revealed that the dietary quality among the reviewed food pantry users tended to be low as reflected by an inadequate intake of energy, fruit and vegetables, dairy products and calcium compared to national recommendations. The reviewed food pantry users had, in particular, a lower consumption of dairy products compared to the general populations. The second review demonstrated that the nutritional quality of reviewed pre-packed food bags provided by food pantries was highly variable within and between included studies. It also showed that the nutritional quality of most of the food bags was low, reflected, in particular, by a low provision of dairy products, vitamins A and C and calcium compared to national recommendations. None of the studies included in the reviews were nationally representative.
The third publication showed that the German food bank system Tafel Deutschland provided a comprehensive net of food pantries, social supermarkets, food banks and other services. However, the number of Tafel per 10,000 welfare recipients was lower in eastern Germany (M = 1.37) compared to western Germany ((M = 2.12), t(162.54) = 4.2424, p < 0.0001). In contrast to the results of the studies included in the second review, the Tafel mainly provided perishable food such as fruits and vegetables (41.42% of the amount of food distributed), bakery products (19.85%) and dairy products (13.39%). However, due to the dependence on donors such as retailers, the amount of food distributed varied widely. The assistance of most local Tafel is based on volunteer labor as 89.97% of Tafels staff were volunteers. In 79 districts, in which all Tafel participated in the survey, there was an average of 179 Tafel beneficiaries per 1000 welfare recipients and 17 Tafel beneficiaries per 1000 residents overall. An even lower usage was found by the fourth publication which revealed that only two out of 1000 adult inhabitants and six out of 1000 children received assistance from one of the 44 investigated Tafel food pantries in Berlin. Tafel use by adults (A) or by children (B) was related to the percentage of welfare recipients (A, β = 0.17, p < 0.001 und B, β = 0.16, p = 0.002), the percentage of inhabitants with migration background (A, β = - 0.08, p = 0.002), the number of discount grocery percentage stores per 1000 children (B, β = 5.65, p = 0.010), and the number of stops of the public transport within a radius of 500 meters (A, β = - 0.24, p = 0.020). The most important limitation of both studies was the unknown reliability of the data collected from the Tafel.
The dietary quality of food pantry users in high-income countries was seen to be low. Although food pantries did not provide a full meal plan for a healthy diet, they may have a positive impact on the dietary quality of its users. However, to better understand the role of food pantries in the complex interplay of individual, social and environmental influences on the diet of food pantry users, multi-level approaches should be used in the future. Moreover, researchers are strongly recommended to investigate the mechanisms by which using a food pantry might impact users dietary quality. In addition to these implications for researchers, this thesis makes several recommendations to practitioners at food pantries in Germany and other high-income countries. Following these recommendations could make the position of food pantries in civil society into an important entry point for health promotion among a part of the food insecure population in the future.Allein in Deutschland erhalten regelmäßig etwa 1,5 Mio. Menschen mit einem niedrigen Einkommen gegen einen geringen Beitrag Lebensmittel von einer der rund 940 Tafeln. Nutzer/innen solcher Lebensmittelausgabestellen (NLMA) stellen eine besonders vulnerable Bevölkerungsgruppe dar, da sie von kumulativen Gesundheitsrisiken betroffen sind. So haben sie im Vergleich zu anderen Bevölkerungsgruppen mit einem niedrigen Einkommen ein höheres Risiko von Ernährungsunsicherheit betroffen zu sein. Zudem leiden sie häufig an ernährungsassoziierten Erkrankungen wie Adipositas, Diabetes und/oder Hypertonie. Daher kommt dem Ernährungsverhalten eine besondere Bedeutung für die Gesundheit von NLMA zu. Um die Ernährungsqualität von NLMA und die unterschiedlichen Einflussebenen auf die Ernährung der NLMA zu illustrieren, ergaben sich für die vorliegende Arbeit folgende Ziele:
1. Eine Zusammenfassung der wissenschaftlichen Evidenz zu der Ernährungsqualität von NLMA in Hocheinkommensländern zu bieten,
2. Eine Zusammenfassung der wissenschaftlichen Evidenz zu der Nährwertqualität der von LMA in Hocheinkommensländern angebotenen Lebensmittel zu bieten,
3. Die Verteilung der Tafeln in Deutschland zu untersuchen und ein repräsentatives Abbild der Ressourcen (z.B. Lebensmittel, Freiwillige), Aktivitäten (z.B. angebotene Programme) und Nutzer/innen der Tafeln zu bieten
4. Die Verteilung der LMA der Berliner Tafel e.V. zu untersuchen und kompositionelle und strukturelle Korrelate der Nutzung der LMA in Berlin zu identifizieren.
Um diese Ziele zu erreichen, wurden zwei systematische Reviews (erste und zweite Publikation), eine Querschnittstudie bestehend aus der Analyse sekundärer Daten und einem umfangreichen Survey (dritte Publikation) sowie eine ökologische Querschnittstudie (vierte Publikation) durchgeführt.
Gemäß der in dem ersten Review inkludierten Studien ist die Ernährungsqualität von NLMA in Hocheinkommensländern insbesondere durch einen verglichen mit nationalen Empfehlungen unzureichenden Verzehr von Obst und Gemüse, Milchprodukten und Kalzium charakterisiert. Im Vergleich zu der Allgemeinbevölkerung berichteten die untersuchten NLMA insbesondere einen niedrigeren Verzehr von Milchprodukten. Die in dem zweiten Review inkludierten Studien zeigten, dass die in den von LMA in Hocheinkommensländern angebotenen, in der Regel vorsortierten Lebensmittel-Körbe enthaltenen Energie- und Nährstoffmengen sowohl innerhalb einer Stichprobe als auch zwischen den Stichproben starken Schwankungen unterliegen. Die meisten Körbe enthalten im Vergleich zu nationalen Empfehlungen insbesondere unzureichende Mengen an Milchprodukten, Vitamin A und C sowie Kalzium. Allerdings war keine der in einem der beiden Reviews inkludierten Studienstichproben auf nationaler Ebene repräsentativ.
Die dritte Publikation zeigte, dass Tafel Deutschland über ein deutschlandweites Netz an Lebensmittelbanken, -ausgabestellen, sozialen Supermärkten und anderen Services verfügt, die Dichte der Tafeln je 10 000 Transferleistungsempfänger/innen (TE) in Ostdeutschland jedoch niedriger (M = 1,37) als in Westdeutschland (M = 2.12) ist (t(162.54) = 4.2424, p < 0.0001). Anders als viele LMA in anderen Hocheinkommensländern (zweite Publikation), verteilen die Tafeln überwiegend frisches Obst und Gemüse (41.42% der verteilten Lebensmittelmenge), Backwaren (19.85%) und Milchprodukte (13.39%). Aufgrund der Abhängigkeit der Tafeln von Spendern ist das Lebensmittelangebot der Tafeln starken Schwankungen unterworfen. Insgesamt sind 89.97% der Tafel-Mitarbeitenden Freiwillige. Basierend auf Daten von 79 Landkreisen, in denen alle Tafeln an dem Survey teilnahmen, ergab die Studie eine durchschnittliche Nutzeranzahl von 179 Nutzer/innen pro 1000 TE bzw. 17 Nutzer/innen je 1000 Einwohner/innen. Eine noch niedrigere Nutzungsrate wurde durch die vierte Publikation aufgedeckt, die aufzeigte, dass lediglich zwei von 1000 Erwachsenen und sechs von 1000 minderjährigen Einwohner/innen Lebensmittel von einer der 44 untersuchten LMA der Berliner Tafel e.V. erhalten. Multiple Regressionsmodelle zeigten, dass die LMA-Nutzung von Erwachsenen (A) bzw. Kindern (B) signifikant mit dem Anteil der TE (A, β = 0.17, p < 0.001 und B, β = 0.16, p = 0.002 ), dem Anteil der Einwohner/innen mit Migrationshintergrund an der Wohnbevölkerung (A, β = - 0.08, p = 0.002), der Anzahl der Discounter je 1000 Kinder (B, β = 5.65, p = 0.010) und der Anzahl an Haltestellen des öffentlichen Personennahverkehrs innerhalb eines Radius von 500 Metern um eine LMA (A, β = - 0.24, p = 0.020) zusammenhängt. Die wichtigste Einschränkung beider Originalstudien ist die unbekannte Reliabilität der Daten, die von den Tafeln erhoben wurden.
Obgleich LMA keine Vollversorgung im Sinn einer ausreichenden Lebensmittelmenge für eine gesunde Ernährung bieten, könnten sie die Ernährung der NLMA positiv beeinflussen. Um die Rolle der LMA in dem komplexen Wechselspiel zwischen individuellen, sozialen und umweltbezogenen Einflussfaktoren der Ernährung besser zu verstehen, sind Mehrebenen-Ansätze notwendig. Zudem wird eine detailliertere Untersuchung der Mechanismen, über die eine LMA-Nutzung auf die Ernährung einwirkt, empfohlen. Würden die in dieser Arbeit herausgegebenen Empfehlungen für Mitarbeitende in LMA umgesetzt, könnten sich LMA zukünftig als wichtige zivilgesellschaftliche Gesundheitsförderer für einen Teil der ernährungsunsicheren Bevölkerung etablieren
Spatial combination of sensor data deriving from mobile platforms for precision farming applications
Get PDFThis thesis combines optical sensors on a ground and on an aerial platform for field measurements in wheat, to identify nitrogen (N) levels, estimating biomass (BM) and predicting yield. The Multiplex Research (MP) fluorescence sensor was used for the first time in wheat. The individual objectives were: (i) Evaluation of different available sensors and sensor platforms used in Precision Farming (PF) to quantify the crop nutrition status, (ii) Acquisition of ground and aerial sensor data with two ground spectrometers, an aerial spectrometer and a ground fluorescence sensor, (iii) Development of effective post-processing methods for correction of the sensor data, (iv) Analysis and evaluation of the sensors with regard to the mapping of biomass, yield and nitrogen content in the plant, and (v) Yield simulation as a function of different sensor signals.
This thesis contains three papers, published in international peer-reviewed journals. The first publication is a literature review on sensor platforms used in agricultural research. A subdivision of sensors and their applications was done, based on a detailed categorization model. It evaluates strengths and weaknesses, and discusses research results gathered with aerial and ground platforms with different sensors. Also, autonomous robots and swarm technologies suitable for PF tasks were reviewed.
The second publication focuses on spectral and fluorescence sensors for BM, yield and N detection. The ground sensors were mounted on the Hohenheim research sensor platform Sensicle. A further spectrometer was installed in a fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV). In this study, the sensors of the Sensicle and the UAV were used to determine plant characteristics and yield of three-year field trials at the research station Ihinger Hof, Renningen (Germany), an institution of the University of Hohenheim, Stuttgart (Germany). Winter wheat (Triticum aestivum L.) was sown on three research fields, with different N levels applied to each field. The measurements in the field were geo-referenced and logged with an absolute GPS accuracy of ±2.5 cm. The GPS data of the UAV was corrected based on the pitch and roll position of the UAV at each measurement. In the first step of the data analysis, raw data obtained from the sensors was post-processed and was converted into indices and ratios relating to plant characteristics. The converted ground sensor data were analysed, and the results of the correlations were interpreted related to the dependent variables (DV) BM weight, wheat yield and available N. The results showed significant positive correlations between the DVs and the Sensicle sensor data.
For the third paper, the UAV sensor data was included into the evaluations. The UAV data analysis revealed low significant results for only one field in the year 2011. A multirotor UAV was considered as a more viable aerial platform, that allows for more precision and higher payload. Thereby, the ground sensors showed their strength at a close measuring distance to the plant and a smaller measurement footprint.
The results of the two ground spectrometers showed significant positive correlations between yield and the indices from CropSpec, NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) and REIP (Red-Edge Inflection Point). Also, FERARI and SFR (Simple Fluorescence Ratio) of the MP fluorescence sensor were chosen for the yield prediction model analysis. With the available N, CropSpec and REIP correlated significantly. The BM weight correlated with REIP even at a very early growing stage (Z 31), and with SAVI (Soil-Adjusted Vegetation Index) at ripening stage (Z 85). REIP, FERARI and SFR showed high correlations to the available N, especially in June and July. The ratios and signals of the MP sensor were highly significant compared to the BM weight above Z 85. Both ground spectrometers are suitable for data comparison and data combination with the active MP fluorescence sensor. Through a combination of fluorescence ratios and spectrometer indices, linear models for the prediction of wheat yield were generated, correlating significantly over the course of the vegetative period for research field Lammwirt (LW) in 2012. The best model for field LW in 2012 was selected for cross-validation with the measurements of the fields Inneres Täle (IT) and Riech (RI) in 2011 and 2012. However, it was not significant. By exchanging only one spectral index with a fluorescence ratio in a similar linear model, it showed significant correlations.
This work successfully proves the combination of different sensor ratios and indices for the detection of plant characteristics, offering better and more robust predictions and quantifications of field parameters without employing destructive methods. The MP sensor proved to be universally applicable, showing significant correlations to the investigated characteristics such as BM weight, wheat yield and available N.Diese Arbeit kombiniert optische Sensoren auf einer Sensorplattform (SPF) am Boden und in der Luft bei Messungen in Weizen, um die Stickstoff-(N)-Werte zu identifizieren, während gleichzeitig die Biomasse (BM) geschätzt und der Ertrag vorhergesagt wird. Erstmals wurde hierfür der Fluoreszenzsensor Multiplex Research (MP) in Weizen eingesetzt. Die Ziele dieser Dissertation umfassen: (i) Bewertung verfügbarer Sensoren und SPF, die in der Präzisionslandwirtschaft zur Quantifizierung des Ernährungszustandes von Nutzpflanzen verwendet werden, (ii) Erfassung von Daten mit zwei Spektrometern am Boden, einem Spektrometer auf einem Modellflugzeug (UAV) und einem Fluoreszenzsensor am Boden, (iii) Erstellung effektiver Nachbearbeitungsmethoden für die Datenkorrektur, (iv) Analyse und Evaluation der Sensoren für die Abbildung der BM, des Ertrags und des N-Gehaltes in der Pflanze, und (v) Ertragssimulation als Funktion von Merkmalen unterschiedlicher Sensorsignale.
Diese Arbeit enthält drei Artikel, die in international begutachteten Fachzeitschriften publiziert wurden. Die erste Veröffentlichung ist eine Literaturrecherche über SPF in der Agrarforschung. Ein detailliertes Kategorisierungsmodell wird für eine allgemeine Unterteilung der Sensoren und deren Anwendungsgebiete herangenommen, die Stärken und Schwächen bewertet, und die Forschungsergebnisse von Luft- und Bodenplattformen mit unterschiedlicher Sensorik diskutiert. Außerdem werden autonome Roboter und für landwirtschaftliche Aufgaben geeignete Schwarmtechnologien beschrieben.
Die zweite Publikation fokussiert sich auf Spektral- und Fluoreszenzsensoren für die Erfassung von BM, Ertrag und N. In der Arbeit wurden die Bodensensoren auf der Hohenheimer Forschungs-SPF Sensicle und der Sensor auf dem UAV in dreijährigen Feldversuchen auf der Versuchsstation Ihinger Hof der Universität Hohenheim in Renningen für die Bestimmung von Pflanzenmerkmalen und des Ertrags eingesetzt. Auf drei Versuchsfeldern wurde Winterweizen ausgesät, und in einem randomisierten Versuchsdesign unterschiedliche N-Düngestufen angelegt. Die Sensormessungen im Feld wurden mit einer absoluten GPS Genauigkeit von ±2,5 cm verortet. Die GPS Daten des UAVs wurden mittels der Nick- und Rollposition lagekorrigiert. Im ersten Schritt der Datenanalyse wurden die Sensorrohdaten nachbearbeitet und in Indizes und Ratios umgerechnet. Die Bodensensordaten wurden analysiert, und die Ergebnisse der Korrelationen in Bezug zu den abhängigen Variablen (DV) BM-Gewicht, Weizenertrag, verfügbarer sowie aufgenommener N dargestellt. Die Ergebnisse zeigen signifikant positive Korrelationen zwischen den DVs und den Sensicle-Sensordaten.
Für die dritte Publikation wurden die Sensordaten des UAV in die Auswertungen miteinbezogen. Die Analyse der UAV Daten zeigte niedrige signifikante Ergebnisse für nur ein Feld im Versuchsjahr 2011. Ein Multikopter wird als zuverlässigere Luftplattform erachtet, der mehr Präzision und eine höhere Nutzlast ermöglicht. Die Sensoren auf dem Sensicle zeigten ihren Vorteil bedingt durch einen kürzeren Messabstand zur Pflanze und eine kleinere Messfläche.
Die Ergebnisse der beiden Sensicle-Spektrometer zeigten signifikant positive Korrelationen zwischen dem Ertrag und den Indizes von CropSpec, NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) und REIP (Red-Edge Inflection Point). Auch FERARI und SFR (Simple Fluorescence Ratio) des MP-Sensors wurden für die Analyse des Ertragsvorhersagemodells ausgewählt. Mit dem verfügbaren N korrelierten CropSpec und REIP hochsignifikant. Das BM-Gewicht korrelierte bereits ab einem sehr frühen Wachstumsstadium (Z31) mit REIP und im Reifestadium (Z85) mit SAVI (Soil-Adjusted Vegetation Index). REIP, FERARI und SFR zeigten hohe Korrelationen mit dem verfügbaren N, insbesondere im Juni und Juli. Die Ratios und Signale des MP Sensors sind vor allem ab Z85 gegenüber dem BM-Gewicht hochsignifikant. Durch eine Kombination von Fluoreszenzwerten und Spektrometerindizes wurden lineare Modelle zur Vorhersage des Weizenertrags erstellt, die im Verlauf der Vegetationsperiode für das Versuchsfeld Lammwirt (LW) im Jahr 2012 signifikant korrelierten. Das beste Modell für das Feld LW im Jahr 2012 wurde für die Kreuzvalidierung mit den Messungen der Versuchsfelder Inneres Täle (IT) und Riech (RI) in den Jahren 2011 und 2012 ausgewählt. Sie waren nicht signifikant, jedoch zeigten sich durch den Austausch nur eines Spektralindexes mit einem Fluoreszenzratio in einem ähnlichen linearen Modell signifikante Korrelationen.
Die vorliegende Arbeit zeigt erfolgreich, dass sich die Kombination verschiedener Sensorwerte und Sensorindizes zur Erkennung von Pflanzenmerkmalen gut eignet, und ohne den Einsatz destruktiver Methoden die Möglichkeit für bessere und robustere Vorhersagen bietet. Vor allem der MP-Fluoreszenzsensor erwies sich als universell einsetzbarer Sensor, der signifikante Korrelationen zu den untersuchten Merkmalen BM-Gewicht, Weizenertrag und verfügbarem N aufzeigte