2013 research outputs found
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Alternative phosphorus resources from urban waste as fertilization
Full text linkPhosphorus (P) is an essential macronutrient for plants. Plant roots assimilate P in soil mainly in the form of orthophosphates as H2PO4- and HPO42-. Due to the high reactivity, orthophosphates generally exist at low concentrations in soils that have high P sorption capacity. Besides the indigenous P in soil, fertilizers manufactured from phosphate rock are the main source of P to ensure a satisfactory yield in agricultural production. However, phosphate rock is a limited reserve with uneven quality and is geographically restricted. Technologies for recovering and reusing the P from waste streams were therefore developed to alleviate the dependency on this critical raw material and to promote sustainable solutions. Sewage sludge, which contains most of the P from wastewater, has great potential to produce P-rich products. However, the evaluation of their P availabilities to plants by simple chemical extraction of the product is difficult because they often contain different P species that do not easily dissolve in water. In the first chapter, three types of recycled P fertilizers derived from sewage sludge were tested first in the greenhouse using maize in two different substrates and were incubated in soil for 0, 22, and 56 days. Untreated sewage sludge ash (SSA), Na-treated SSA, and struvite were tested here. Untreated SSA failed to promote the growth of young maize, while Na-treated SSA and struvite achieved similar biomass as mineral P fertilizer. The pre-incubation time had a negative impact on the P use efficiency of recycled fertilizers. Although the P availability of untreated SSA was very low, it might be a potential substitute for phosphate rock to produce fertilizers. In Chapter II, the P availability and heavy metal contamination risk of superphosphate produced with untreated SSA in the lab were investigated. It was found that the superphosphate produced with the mixture of 25% SSA and 75% rock phosphate had a similar P use efficiency as the superphosphate produced with 100% rock phosphate, indicating untreated SSA could be a suitable substitution of rock phosphate in the P fertilizer production. Despite the heavy metal accumulations in soil and plant being minimal, the Pb and Cu concentration in untreated SSA exceeded the maximum limit according to the EU regulation on fertilizers and therefore its use is restricted in fertilizer production. The separation of industrial and municipal sludge before incineration is recommended to obtain SSAs with high P concentrations but less heavy metal.
In Chapter III, the P availability of granulated struvite as affected by fertilizer application methods in comparison to di-ammonium phosphate (DAP) was investigated under field conditions. The experiment was conducted in one field in 2020 and repeated in an adjacent field in 2021. Two-year maize results showed an increase of 30% in maize yield and P content when struvite was placed, indicating that fertilizer placement enhanced the efficiency of granulated struvite. Struvite-placed had similar P use efficiency as DAP-placed, and both treatments led to significantly higher yield and P content of maize than no-P control. The residual effect of fertilizer treatment was evaluated with faba bean (Vicia faba) and triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) as subsequent crops after maize. No significant difference in yield and P content was found between struvite-placed and DAP-placed. Nevertheless, this chapter demonstrated that placed struvite can replace DAP as P fertilizer in maize cultivation.
In Chapter IV, the sensitivity of three P extraction methods to different P species was investigated to provide insights into the characterization of current soil P tests to plant P availability. Three soil P tests were compared: calcium acetate-lactate (CAL), Olsen, and diffusive gradients in thin films (DGT). Results showed that a portion of added orthophosphates was immediately fixed in the soil and cannot be extracted by any of the methods. The acidic CAL method may overestimate immediately plant-available P of insoluble calcium phosphate like Ca3(PO4)2. The most suitable method to determine immediately available P might be the Olsen and DGT method.
To conclude, this dissertation demonstrated the P availability of recycled P fertilizers derived from sewage sludge and possible strategies to enhance their P use efficiencies. It provided agronomic evidence on the feasibility of replacing phosphate rock-derived P fertilizers with recycled fertilizers and insight into its land application. With the recently revised EU regulation on fertilizing products, it can be expected that recycled fertilizers will soon share the market with mineral fertilizers and help develop sustainable agriculture.Phosphor (P) ist ein wesentlicher Makronährstoff für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Pflanzenwurzeln assimilieren P im Boden hauptsächlich in Form von Orthophosphaten wie H2PO4- und HPO42-. Aufgrund der hohen Reaktivität liegen Orthophosphate in Böden, die eine hohe P-Sorptionskapazität haben, oft in geringen Konzentrationen vor. Neben dem bodeneigenen P sind aus Phosphorit hergestellte Düngemittel die wichtigste P-Quelle, um einen zufriedenstellenden Ertrag in der landwirtschaftlichen Produktion zu gewährleisten. Rohphosphat ist jedoch eine begrenzte Reserve mit uneinheitlicher Qualität und geografisch sehr ungleich verteilt mit nur geringen Vorkommen in Europa. Technologien zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von P aus Abfallströmen wurden entwickelt, um die Abhängigkeit von diesem wichtigen Rohstoff zu verringern und nachhaltige Lösungen zu fördern. Klärschlamm, der den größten Teil des P im Abwasser enthält, hat ein großes Potenzial zur Herstellung von P-reichen Produkten. Die Bewertung ihrer P-Verfügbarkeit für Pflanzen durch einfache chemische Extraktion des Produkts ist jedoch schwierig, da sie oft verschiedene P-Fraktionen enthalten, die sich nicht leicht in Wasser auflösen. Im ersten Kapitel wurden drei Arten von recyceltem P-Dünger aus Klärschlamm zunächst im Gewächshaus mit Mais in zwei verschiedenen Substraten getestet und 0, 22 und 56 Tage lang im Boden bebrütet. Hier wurden unbehandelte Klärschlammasche (SSA), Na-behandelte SSA und Struvit getestet. Unbehandeltes SSA förderte das Wachstum von jungem Mais nicht, während mit Na-behandeltem SSA und Struvit eine ähnliche Biomasse erreicht wurde wie mit mineralischem P-Dünger. Die Vorinkubationszeit wirkte sich negativ auf die P-Nutzungseffizienz der recycelten Düngemittel aus. Obwohl die P-Verfügbarkeit von unbehandeltem SSA sehr gering war, könnte es ein möglicher Ersatz für Rohphosphat zur Herstellung von Düngemitteln sein. In Kapitel II untersuchten wir die P-Verfügbarkeit und das Risiko einer Schwermetallverunreinigung von Superphosphat, das mit unbehandeltem SSA im Labor hergestellt wurde. Wir fanden heraus, dass das mit einer Mischung aus 25 % SSA und 75 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat fast die gleiche P-Nutzungseffizienz aufwies wie das mit 100 % Rohphosphat hergestellte Superphosphat, was darauf hindeutet, dass unbehandeltes SSA ein geeigneter Ersatz für Rohphosphat in der P-Düngerproduktion sein könnte. Obwohl die Anreicherung von Schwermetallen im Boden und in den Pflanzen minimal war, überstieg die Pb- und Cu-Konzentration in unbehandeltem SSA den Höchstwert gemäß der EU-Düngemittelverordnung, so dass seine Verwendung in der Düngemittelproduktion eingeschränkt ist. Die Trennung von Industrie- und Kommunalschlämmen vor der Verbrennung wird empfohlen, um SSA mit hohen P-Konzentrationen, aber weniger Schwermetallen zu erhalten.
In Kapitel III untersuchten wir die P-Verfügbarkeit von granuliertem Struvit im Vergleich zu Diammoniumphosphat (DAP) unter Feldbedingungen in Abhängigkeit von der Art der Düngung. Der Versuch wurde im Jahr 2020 auf einem Feld durchgeführt und 2021 auf einem benachbarten Feld wiederholt. Die Ergebnisse für zweijährigen Mais zeigten eine Steigerung des Maisertrags und des P-Gehalts um 30 %, wenn Struvit unterfußdüngt wurde, was darauf hindeutet, dass die Unterfußdüngung von Dünger die Effizienz von granuliertem Struvit erhöht. Bei der Unterfußdüngung, hatte Struvit eine ähnliche P-Nutzungseffizienz wie DAP, und beide Behandlungen führten zu einem signifikant höheren Ertrag und P-Gehalt von Mais als die Kontrolle ohne P. Der Residualeffekt der Düngerbehandlung wurde mit Ackerbohne (Vicia faba) und Triticale (Triticosecale Wittm. ex A. Camus.) als Folgekulturen nach Mais untersucht. Es wurde kein signifikanter Unterschied im Ertrag und P-Gehalt zwischen Struvit- und DAP-Düngung festgestellt. Dennoch hat dieses Kapitel gezeigt, dass unterfußdüngtes Struvit DAP als P-Dünger im Maisanbau ersetzen kann.
In Kapitel IV wurde die Empfindlichkeit von drei P-Extraktionsmethoden gegenüber verschiedenen P-Fraktionen untersucht, um Einblicke in die Vorhersage aktueller Boden-P-Tests zur P-Verfügbarkeit in Pflanzen zu erhalten. Drei Boden-P-Tests wurden verglichen: Calciumacetat-Lactat (CAL), Olsen und Diffusionsgradienten in dünnen Schichten (DGT). Die Ergebnisse zeigten, dass ein Teil der zugesetzten Orthophosphate sofort im Boden fixiert wurde und mit keiner der Methoden extrahiert werden kann. Die Extraktion mit der sauren CAL-Lösung kann den unmittelbar pflanzenverfügbaren P von unlöslichem Kalziumphosphat wie Ca3(PO4)2 überschätzen. Die geeignetste Methode zur Bestimmung des unmittelbar verfügbaren P dürfte die Olsen- und DGT-Methode sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation die P-Verfügbarkeit von rezyklierten P-Düngern aus Klärschlamm und mögliche Strategien zur Verbesserung ihrer P-Nutzungseffizienz aufgezeigt hat. Sie lieferte agronomische Beweise für die Durchführbarkeit des Ersatzes von aus Phosphorit gewonnenen P-Düngern durch rezyklierte Düngemittel und neue Erkenntnisse über deren Ausbringung. Mit der kürzlich überarbeiteten EU-Verordnung über Düngemittel ist zu erwarten, dass recycelte Düngemittel bald den Markt mit Mineraldüngern teilen und zur Entwicklung einer nachhaltigen Landwirtschaft beitrage
Immunomodulatory effects of resveratrol on human intestinal mast cell signaling in vitro and mast cell associated enteritis and colitis in mice
Full text linkBy releasing their pre-stored or de novo synthesized mediators, mast cells (MC) are important immunoregulatory cells responsible for a variety of inflammatory reactions. Although known to be major effector cells in immunoglobuline (Ig) E dependent allergic reactions, MC have been widely shown to play a role in various inflammations of the gut. Diseases of the gastrointestinal tract (GIT) are widespread and multicausal. Those affected suffer from the sometimes severe symptoms and may experience restrictions on their daily life. Even if conventional medication is applied routinely, aim of the past and current research is to establish supportive and/or alternative medication that is based on natural substances. These may be on the basis of small natural components like resveratrol, a stilbene mostly found in grapes. Numerous positive properties are attributed to resveratrol. These are anti-inflammatory, anti-cancerogenic, anti-oxidative, as well as neuroprotective effects. The use of substances of natural origin as so-called nutraceuticals can help to increase the acceptance of medication by those affected, but also to reduce and overcome the side effects associated with conventional treatment.
Effects of resveratrol were examined on the reactivity of MC isolated from patients tissue undergoing bowel resection. The results of this work show that resveratrol exhibited potent inhibitory effects on high affinity IgE receptor mediated activation of MC, strongly inhibiting not only MC degranulation, but also gene expression of the pro-inflammatory cytokines C-X-C motif chemokine ligand (CXCL) 8, C-C motif chemokine ligand (CCL) 2, CCL3, CCL4 and tumor necrosis factor (TNF-) α. Ultimately, the intracellular signaling cascade triggered during MC activation via IgE receptor leads to mediator release. Following IgE receptor mediated activation, phosphorylation of signaling molecules like extracellular signal-regulated kinase (ERK) 1/2 and signal transducer and activator of transcription (STAT) 3, occurs. ERK1/2 was found to be responsible for phosphorylation of mitochondrial STAT3, which contributes significantly to MC degranulation. Treatment with resveratrol was able to inhibit the phosphorylation of STAT3 by more than 50 % and that of ERK1/2 by almost 100 %. Furthermore, the experiments performed succeeded in isolating the mitochondrial fraction from relatively low human intestinal MC (hiMC) numbers. Also, in this fraction we could detect phosphorylation of STAT3 and ERK1/2 after MC activation, which was reduced after treatment with resveratrol.
Having shown the strong inhibitory effects in vitro, we set out to examine immunomodulatory effects of resveratrol in vivo. Presence and activity of MC are closely related to intestinal inflammations in consequence of food allergy (FA) and inflammatory bowel disease (IBD). In mice, FA can be studied using the ovalbumin (OVA)-induced allergic enteritis model and colitis can be studied using the IL-10 knockout (-/-) mice, which develop a spontaneous form of chronic colitis. We could show that the oral application of resveratrol inhibited the increase of MC numbers in the colon and duodenum of affected animals in both experimental settings. Less pronounced but still visible effects of resveratrol administration were observed in the colon with regard to epithelial damage, cell infiltration and reduction of goblet cell numbers. In all cases, based on a scoring system, the damage decreased to the level of the corresponding controls receiving no additive and in which no allergic enteritis was induced or nor colitis developed. Overall, allergic enteritis resulted in a weaker symptomatology, and IL-10-/- animals showed a delayed appearance of the typical symptoms.
The results of this thesis show a strong inhibitory effect of resveratrol on hiMC. This could be detected for mediator release as well as on gene expression levels and in the phosphorylation of the signaling molecules ERK1/2 and STAT3, which we could also identify in the mitochondria of hiMC. We observed positive influences on MC-associated parameters in the OVA enteritis and IL-10-/- colitis mouse models. With regard to its use as nutraceutical, resveratrol could therefore come more of a focus in the future.Mastzellen sind wichtige immunregulatorische Zellen, die durch Freisetzung ihrer in den Granula gespeicherten oder der de novo synthetisierten Mediatoren für eine Vielzahl von Entzündungsreaktionen verantwortlich sind. Mastzellen, die in erster Linie als Haupteffektorzellen bei von Immunoglobulin (Ig) E abhängigen allergischen Reaktionen bekannt sind, spielen auch bei diversen Entzündungen des Darmes eine Rolle. Erkrankungen des Gastrointestinaltraktes sind weit verbreitet und multikausal. Betroffene leiden aber immer mit unter der teils stark auftretenden Symptomatik und erfahren Einschränkungen im alltäglichen Leben. Auch wenn die herkömmliche Medikation zur Behandlung dieser Störungen routinemäßig Anwendung findet, ist es Ziel der Wissenschaft, eine unterstützende sowie Alternativmedikation zu entwickeln, die auf natürlichen Ausgangssubstanzen, wie z.B. dem in Trauben vorkommenden Stilben Resveratrol, basiert. Resveratrol werden zahlreiche positive Eigenschaften zugeschrieben. Darunter fallen anti-inflammatorische, anti-kanzerogene, antioxidative, als auch neuroprotektive Eigenschaften. Ein Einsatz von Substanzen natürlichen Ursprungs als sogenanntes Nutraceutical kann einerseits dazu dienen, die Akzeptanz der Medikation bei Betroffenen zu erhöhen, aber auch, die mit der herkömmlichen Behandlungsmethode verbundenen, Nebenwirkungen zu mindern und zu überwinden.
Effekte von Resveratrol wurden auf die Reaktivität von Mastzellen, isoliert aus humanen intestinalen Resektionspräparaten (hiMC), geprüft. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass das Stilben starke inhibitorische Wirkung auf IgE-Rezeptor vermittelte Aktivierung von Mastzellen zeigt und dabei nicht nur die Mastzelldegranulation, sondern auch die Genexpression der pro-inflammatorischen Zytokine C-X-C motif chemokine ligand (CXCL) 8, C-C motif chemokine ligand (CCL) 2, CCL3, CCL4 und tumor necrosis factor (TNF-) α stark hemmt. Die, im Zuge der Mastzellaktivierung via IgE-Rezeptor, ausgelöste intrazelluläre Signalkaskade führt letztlich zur Mediatorausschüttung. Im Verlauf der Signalkaskade kommt es zur Phosphorylierung, d.h. der Aktivierung der Signalmoleküle extracellular signal-regulated kinase (ERK) 1/2 und signal transducer and activator of transcription (STAT) 3. Dabei ist ERK1/2 für die Phosphorylierung von mitochondrialem STAT3 verantwortlich, welches maßgeblich zur Mastzelldegranulation beiträgt. Die Behandlung mit Resveratrol führte dabei zur Hemmung der Phosphorylierung von STAT3 um mehr als 50 %, sowie die von ERK1/2 um fast 100 %. Des Weiteren gelang es uns, die mitochondriale Fraktion aus relativ geringen Mengen humaner intestinaler Mastzellen (hiMC) zu isolieren. Auch in dieser Fraktion konnten wir die Phosphorylierung von ERK1/2 und STAT3 nach Mastzellaktivierung detektieren, die nach einer Behandlung mit Resveratrol ebenfalls verringert war.
Nachdem die stark hemmende Wirkung von Resveratrol in vitro gezeigt wurde, sollten die immunmodulatorischen Wirkungen auch in vivo überprüft werden. Das Vorhandensein und die Aktivität von MC stehen in engem Zusammenhang mit Entzündungen des Darms als Ursache von Nahrungsmittelallergien sowie chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen (CED). Im Mausmodell kann man Nahrungsmittelallergie mit Hilfe einer Ovalbumin (OVA)-induzierten allergischen Enteritis und CED mit Hilfe der IL-10 knockout (-/-) Maus, bei der es zu einer spontan auftretenden chronischen Colitis kommt, experimentell untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die orale Gabe von Resveratrol bei betroffenen Tieren im Allergiemodell (OVA) als auch im Modell der murinen Colitis (IL-10-/-) zu einer Hemmung des Anstiegs der Mastzellanzahl im Gewebe von Colon und Duodenum betroffener Tiere führte. Weniger stark ausgeprägte, aber dennoch sichtbare Effekte bei einer Resveratrol-Gabe konnten im Colon im Hinblick auf Epithelschädigung und bei der IL-10-/- Colitis auch im Hinblick auf Zellinfiltration sowie Reduktion der Anzahl an Gobletzellen beobachtet werden. In allen Fällen verringerten sich die Schädigungen auf das Level der jeweiligen Kontrolltiere ohne allergische Enteritis bzw. Colitis. Insgesamt kam es bei der allergischen Enteritis zu einer schwächer ausgeprägten Symptomatik, bei IL-10-/- Tieren kam es insgesamt zu einem verzögerten Auftreten der typischen Symptomatiken.
Die Ergebnisse dieser Promotionsarbeit zeigen eine stark inhibitorische Wirkung von Resveratrol auf hiMC. Diese ließen sich sowohl bei der Mediatorfreisetzung als auch auf Genexpressionslevel und in der Phosphorylierung der Signalmoleküle ERK1/2 und STAT3 zeigen, bei denen es gelungen ist, sie auch in den Mitochondrien von hiMC nachzuweisen. Auch im Mausmodell bei der Untersuchung einer allergisch induzierten Enteritis sowie einer murinen Colitis aufgrund eines IL-10-/- konnten wir positive Einflüsse auf Mastzell-assoziierte Parameter beobachten. Im Hinblick auf die Verwendung als Nutraceutical könnte Resveratrol deshalb zukünftig mehr in den Fokus rücken
Sustainable interaction with digital technologies : fostering pro-environmental behavior and maintaining mental health
Full text linkOne of the most essential challenges of the twenty-first century is to realize sustainability in everyday behavior. Daily, partly unconscious decisions influence environmental sustainability. Such everyday choices are increasingly shifted toward digital environments, as digital technologies are ubiquitous in a wide variety of everyday contexts. This yields the great potential to positively influence the users behavior toward more environmental sustainability when interacting with digital technologies, for example, through the use of digital nudging. But besides these benefits, research indicates that interacting with digital technologies can lead to a specific form of stress, also known as technostress, that can cause adverse health outcomes. Individuals increasingly suffer from or are at risk of mental health issues like depression or burnout. This demonstrates that it is essential to ensure a sustainable interaction with digital technologies that is both environmentally friendly and healthy, especially for the mind. Addressing individuals interaction with digital technologies requires a broad understanding from all perspectives. The Human-Computer-Interaction (HCI) framework represents a guiding structure for studying the interaction of humans with digital technologies. Along with the guiding structure of the HCI framework, the seven research articles included in this dissertation aim to contribute to sustainable interaction with digital technologies. The focus is on two outcomes resulting from the interaction: First, fostering pro-environmental behavior and, second, maintaining mental health. After an introductory first chapter, Chapter 2 focuses on the outcome of fostering pro-environmental behavior when interacting with digital technologies using digital nudging. Chapter 2.1 contributes to a deeper understanding of the effectiveness of DNEs in different behavioral contexts (HCI perspective context) that influence the individuals pro-environmental behavior (e.g., e-commerce shopping behavior). Chapters 2.2 and 2.3 zoom in on two of the behavioral contexts described in Chapter 2.1 to investigate and test the design and effectiveness of specific DNEs in an e-commerce shop and a smart home app (HCI perspective technology) through online experiments. While prior research concentrated on the effectiveness of different feedback nudge features (FNFs) (e.g., different update frequencies), Chapter 2.4 investigates the influence of 25 identified FNFs on user satisfaction in a smart home app through a card sorting approach followed by an online survey based on the Kano model (HCI perspective human). Chapter 3 puts focuses on the outcome of maintaining mental health when interacting with digital technologies, thus avoiding technostress. Chapter 3.1 concentrates on the role of the organization in preventing technostress among their employees (HCI perspective context). It introduces and characterizes 24 primary and secondary technostress prevention measures and determines the relevance of primary prevention measures in reducing different sources of technostress (technostress creators). Out of the 24 technostress prevention measures, two specific measures (adopt a stress-sensitive digital workplace design and use gamification) are addressed in Chapters 3.2 and 3.3. Through a large-scale online survey, Chapter 3.2 derives an understanding of the characteristic profiles of technologies used at the digital workplace, their interplay, and how they influence technostress (HCI perspective technology). Chapter 3.3 focuses on the individuals appraisal (HCI perspective human) of a demanding situation when interacting with digital technologies. After conducting an online experiment, Chapter 3.3 finds that the integration of gamification elements (e.g., points or levels) in digital technologies can reduce the individuals threat appraisal. Lastly, Chapter 4 discusses the results of the seven included research articles and provides an outlook for future research. In summary, this dissertation aims to provide research and practice with new insights into creating a sustainable interaction with digital technologies to foster pro-environmental behavior and maintain mental health.Die nachhaltige Gestaltung des Lebens eine der zentralen Herausforderung des einundzwanzigsten Jahrhunderts. Alltägliche, teils unterbewusste Entscheidungen haben Einfluss auf die ökologische Nachhaltigkeit. Diese Entscheidungen werden durch die Allgegenwärtigkeit digitaler Technologien zunehmend in digitalen Umgebungen getroffen. Dies birgt das Potenzial, die Entscheidungen und somit das Verhalten der Nutzer:innen bei der Interaktion mit digitalen Technologien, beispielsweise durch Digital Nudging, positiv in Richtung ökologischer Nachhaltigkeit zu beeinflussen. Doch neben diesen Vorteilen zeigt die Forschung, dass die Interaktion mit digitalen Technologien eine spezifische Form von Stress, bekannt unter dem Begriff Technostress, auslösen kann, die zu negativen gesundheitlichen Folgen führen kann. Immer mehr Menschen leiden unter psychischen Krankheiten wie Depressionen oder Burnout oder sind akut gefährdet, diese zu entwickeln. Das zeigt, dass eine nachhaltige Interaktion mit digitalen Technologien sowohl umweltfreundlich als auch gesund, insbesondere für die Psyche, sein sollte. Das erfordert zunächst ein umfassendes Verständnis für die Problematik und muss deshalb aus allen relevanten Perspektiven betrachtet werden. Das Human-Computer-Interaction (HCI) Framework stellt eine Struktur für die Untersuchung der Interaktion von Menschen mit digitalen Technologien bereit. Das Framework stellt einen ganzheitlichen Ansatz zur Strukturierung und Klassifizierung der Forschung entlang der drei verschiedenen Perspektiven dar. Orientiert an dieser Struktur zielen die sieben Forschungsartikel dieser Dissertation darauf ab, einen Beitrag zur nachhaltigen Interaktion mit digitalen Technologien zu leisten. Dabei liegt der Fokus auf den beiden Ergebnissen der Förderung des umweltfreundlichen Verhaltens und der Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit. Nach dem einleitenden ersten Kapitel fokussiert Kapitel 2 die Förderung eines umweltfreundlichen Verhaltens bei der Interaktion mit digitalen Technologien durch die Verwendung von Digital Nudging. Durch eine strukturierte Literaturanalyse und der anschließenden Entwicklung eines Frameworks trägt Kapitel 2.1 zu einem tieferen Verständnis und einem Überblick der Effektivität von DNEs in verschiedenen Verhaltenskontexten (HCI Perspektive Kontext), die umweltfreundliches Verhalten bestimmen (z.B. Einkaufsverhalten), bei. In den Kapiteln 2.2 und 2.3 werden zwei der in Kapitel 2.1 betrachteten Kontexte vertieft und sowohl das Design als auch die Effektivität spezifischer DNEs in einem E-Commerce-Shop (Kapitel 2.2) und einer Smart Home App (Kapitel 2.3) in Online-Experimenten untersucht (HCI Perspektive Technologie). Kapitel 2.4 konzentriert sich das gut erforschte und wirksame DNE Feedback zur Förderung von energiesparendem Verhalten. Während sich bisherige Forschung auf die Effektivität verschiedener Feedback Nudge Features (FNFs) konzentriert (z.B. unterschiedliche Aktualisierungsfrequenzen), wird in Kapitel 2.4 der Einfluss von 25 identifizierten FNFs auf die Nutzerzufriedenheit mit Hilfe eines Card Sortings und einer Online-Befragung basierend auf dem Kano Modell untersucht (HCI Perspektive Mensch). In Kapitel 3 liegt der Schwerpunkt auf dem Ziel der Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit und somit der Vermeidung von Technostress. Kapitel 3.1 konzentriert sich auf die Rolle der Organisation bei der Prävention von Technostress bei Mitarbeiter:innen (HCI Perspektive Kontext). Basierend auf einer Delphi-Studie werden 24 primäre und sekundäre Technostress-Präventionsmaßnahmen vorgestellt und charakterisiert, sowie deren Relevanz zur Vermeidung von Technostress eingeschätzt. Von den 24 Maßnahmen werden zwei spezifische Maßnahmen (Gestaltung eines stresssensiblen digitalen Arbeitsplatzes" und Einsatz von Gamification) in Kapitel 3.2 und 3.3 behandelt. Kapitel 3.2 trägt durch eine groß angelegte Umfrage zu einem Verständnis für die Charakteristika der am digitalen Arbeitsplatz eingesetzten Technologien und deren Einfluss auf Technostress bei (HCI Perspektive Technologie). Kapitel 3.3 konzentriert sich auf das Individuum und dessen Wahrnehmung einer potenziellen Technostress-Situation bei der Interaktion mit digitalen Technologien (HCI Perspektive Mensch). Durch ein Online-Experiment zeigt sich, dass die Integration von Gamification-Elementen in digitalen Technologien die bedrohende Wahrnehmung der gegebenen Situation des Einzelnen reduzieren kann.
Zusammenfassend zielt diese Dissertation darauf ab, Forschung und Praxis mit neuen Erkenntnissen zu einer nachhaltigen Interaktion von Menschen mit digitalen Technologien zu bereichern, die sowohl umweltfreundliches Verhalten fördert als auch die psychische Gesundheit aufrechterhält und somit zu den aktuellen Nachhaltigkeitsbemühungen beiträgt
Professions of media psychology
No full textBerufe, in denen das Thema Medienpsychologie adressiert wird, gibt es viele. Im Gegensatz zur Interessenlage sind diese Berufe aber noch nicht klar definiert, es liegen keine Studien zu Einstiegsmöglichkeiten oder Berufsbildern vor. Nur selten gibt es die Berufsbezeichnung Medienpsychologe/Medienpsychologin. Nichtsdestotrotz zeigen unsere Gespräche mit Unternehmen, dass das Fach in vielen Branchen und Unternehmensbereichen sehr gefragt ist. Es gibt eine Vielzahl von Berufsfeldern, in denen Medienpsychologie relevant ist; eigentlich immer, wenn es darum geht, die emotionalen, kognitiven und konativen Prozesse rund um die Mediennutzung zu beschreiben, zu erklären und vorherzusagen. In den Berufsfeldern, die wir hier vorstellen, geht es genau um diese Prozesse und aus der Medienpsychologie können dort wertvolle Beiträge geleistet werden: Marketing, Mediaforschung, Kommunikationsmanagement, Unternehmensberatung, User-Experience und Content-Management, Medienpädagogik und Wissenschaft. Die Beschreibung der Berufsfelder in dieser Publikation erfolgt anhand von typischen Aufgabenstellungen und Aufträgen. Nach einer Definition des jeweiligen Berufsfeldes zeigen wir den medienpsychologischen Bezug auf und beschreiben, was die einzelnen Berufsfelder beinhalten, welche Aufträge oder Aufgaben bearbeitet werden und schließlich in welchen Unternehmen und Institutionen sie anzutreffen sind.There are many professions in which the topic of media psychology is addressed. However, in contrast to the interest, these professions are not yet clearly defined, and there are no studies available on entry-level opportunities or job descriptions. Only rarely does the job title media psychologist exist.
Nevertheless, our conversations with companies show that the subject is in high demand in many industries and business sectors. There is a wide range of occupational fields in which media psychology is relevant; in fact, whenever it is a matter of describing, explaining, and predicting the emotional, cognitive, and behavioral processes surrounding media use. Media psychology can make valuable contributions in these areas: marketing, media research, communication management, management consulting, user experience and content management, media education and science.
The description of the occupational fields in this publication is based on typical tasks and assignments. After a definition of the respective occupational field, we describe what the individual occupational fields entail, which assignments or tasks are handled and, finally, in which companies and institutions they can be found
Managing crop health by mineral nitrogen fertilization and use of different chemical nitrogen forms
Full text linkMaintaining plant health is one of the most difficult but crucial challenges in crop production to realize plants full genetic potential. It is lowered by a variety of abiotic and biotic stresses that are becoming more severe and unpredictable due to climate change and its consequences.
In addition, the use of chemical synthetic pesticides is increasingly criticized for endangering sensitive natural resources and possible pesticide residues in food and environment. Avoiding or reducing the use of chemical synthetic plant protection products makes the control of phytopathogenic pests even more difficult. Therefore, in addition to optimizing various management measures such as tillage, sowing time, row spacing or crop rotation, mineral nitrogen (N) fertilization and the targeted application of N forms must be utilized to reduce abiotic stress factors and the infestation pressure of certain pests to ensure high yield performance. Consequently, several experiments were conducted to better understand how mineral nitrogen fertilization and forms can improve plant health by increasing plant resistance to abiotic stressors, particularly repeated drought stress and nutrient (P) deficiency, and to biotic stressors, such as relevant phytopathogenic fungi.
It was found that with respect to repeated drought stress, maize plants receiving supplemental nitrogen during the recovery period after an early drought stress were better able to cope with late drought stress. In this context, N fertilization could help the plant to maintain its photosynthetic activity under drought stress. Additionally, plants repeatedly exposed to drought stress recovered faster with N fertilization due to transiently higher antioxidant levels and higher production of reactive oxygen species.
A further experiment revealed that depending on the maize genotype, ammonium as a form of nitrogen has a positive effect on the availability and uptake of phosphorus compared to nitrate, depending on the maize genotype. This observation could be attributed not only to the acidifying effect on the pH of the rhizosphere, but also to the increased abundance of various phosphorus-solubilizing bacteria and arbuscular mycorrhizal fungi under ammonium nutrition. Together this could provide an enhanced P availability, which ultimately reduces plant stress and improves physiologically resistance leading to a reduction in disease risk. Nevertheless, studies revealed that high N fertilization in most cases promotes disease attack and makes the plant more susceptible to pathogens. Scrutinization of this observation indicated that N fertilization enhances infestations of biotrophic pathogens, especially in wheat, while necrotrophic fungi were attenuated. Overall, the complex relationship between plant pathogens
and nitrogen nutrition appears to be highly variable due to dynamic factors such as the soil, microorganisms in the rhizosphere, environmental factors, and the host plant, making it difficult to give definite statements about the effects of nitrogen nutrition on pathogen occurrence. Thus,
the form of nitrogen could be a promising way to target nitrogen fertilization against individual pathogens.
With regards to the previous research, experiments on the influence of N form on pathogen infection, revealed that wheat leaves inoculated with the foliar pathogen Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) were comparatively less infested when fertilized with nitrate or cyanamide compared to ammonium. After contact with the pathogen, an enhanced defense response in form of increased production of protective substances, indicated by increased concentrations of hydrogen peroxide and superoxide dismutase, and increased antioxidant potential, was detected. Further, it was observed that ammonium fertilization resulted in lower bacterial richness in the plant rhizosphere and higher fungal richness compared to nitrate supplementation. Additionally, a pronounced effect of ammonium fertilization on rootcolonization by important fungal pathogens such as Gaeumannomyces graminis var. tritici
(Ggt) and Bgt was found. Regarding the experiment with maize under low P conditions, it appears that ammonium is able to promote both pathogenic and beneficial fungi in cereal crops. Thus, nitrate fertilization appears not only to suppress the occurrence of fungi, but may also promote pathogen-antagonistic bacteria, which in turn have a positive effect on fungal disease suppression.Die Erhaltung der Pflanzengesundheit ist eine der schwierigsten, aber wichtigsten Herausforderungen im Pflanzenbau, um das volle genetische Potenzial von Pflanzen auszuschöpfen. Diese wird durch eine Vielzahl von abiotischen und biotischen Stressfaktoren beeinträchtigt, die aufgrund des Klimawandels und seiner Folgen immer gravierender und unvorhersehbarer werden. Darüber hinaus wird der Einsatz von chemisch-synthetischen Pestiziden zunehmend kritisiert, weil empfindliche natürliche Ressourcen gefährdet und Pestizidrückstände in Lebensmitteln und der Umwelt hinterlassen werden. Der Verzicht oder die Reduzierung des Einsatzes chemisch-synthetischer Pflanzenschutzmittel erschwert die Bekämpfung phytopathogener Schädlinge zusätzlich. Neben der Optimierung verschiedener Bewirtschaftungsmaßnahmen wie Bodenbearbeitung, Aussaatzeitpunkt, Reihenabstand oder Fruchtfolge muss daher die mineralische Stickstoffdüngung (N Düngung) und der gezielte Einsatz von N Formen genutzt werden, um abiotische Stressfaktoren und den Befallsdruck bestimmter Schädlinge zu reduzieren und eine hohe Ertragsleistung sicherzustellen. Daher wurden mehrere Versuche durchgeführt, um besser zu verstehen, wie mineralische Stickstoffdüngung und -formen die Pflanzengesundheit verbessern können, indem sie die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber abiotischen Stressfaktoren, insbesondere wiederholtem Trockenstress und Nährstoff (P)-Mangel, und gegenüber biotischen Stressfaktoren, wie wichtige phytopathogene Pilze, erhöhen.
In Bezug auf wiederholten Trockenstress wurde festgestellt, dass Maispflanzen, die während der Erholungsphase nach einem frühen Trockenstress zusätzlichen Stickstoff erhielten, besser in der Lage waren, einen späteren Trockenstress zu bewältigen. Diese zusätzliche Stickstoffdüngung konnte der Pflanze unter anderem helfen ihre photosynthetische Aktivität unter Trockenstress aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wiesen Pflanzen, die wiederholt Trockenstress ausgesetzt waren, vorübergehend höhere Werte an Antioxidantien und reaktiven Sauerstoffspezies auf und erholten sich deswegen bei N Zugabe schneller.
In einem weiteren Versuch wurde herausgefunden, dass Ammonium als Stickstoffform im Vergleich zu Nitrat je nach Maisgenotyp eine positive Wirkung auf die Verfügbarkeit und Aufnahme von Phosphat hat. Dies konnte nicht nur auf die versauernde Wirkung des pH-Wertes der Rhizosphäre zurückgeführt werden, sondern auch auf die erhöhte Abundanz verschiedener phosphorlösender Bakterien und arbuskulärer Mykorrhizapilze. Zusammengenommen konnte dies zu einer verbesserten P-Verfügbarkeit führen, die letztlich den durch Nährstoffmangel entstehenden Pflanzenstress reduzieren, die physiologische Widerstandsfähigkeit verbessern und das Krankheitsrisiko verringern könnte.
Generell lässt sich feststellen, dass eine hohe N Düngung in den meisten Fällen den Krankheitsbefall fördert und die Pflanze anfälliger für Krankheitserreger macht. Bei näherer Betrachtung zeigte sich, insbesondere bei Weizen, dass die N Düngung den Befall mit biotrophen Krankheitserregern, nachweislich fördert, während nekrotrophe Pilze von ihr abgeschwächt wurden. Insgesamt scheint die komplexe Beziehung zwischen Pflanzenpathogenen und Stickstoffgabe aufgrund dynamischer Faktoren wie Boden, Mikroorganismen in der Rhizosphäre, Umweltfaktoren und Wirtspflanze sehr variabel zu sein, was es schwierig macht, die Auswirkungen der Stickstoffdüngung auf das Auftreten von Pathogenen zu verallgemeinern. Deswegen könnte die Form des Stickstoffs eine vielversprechende Möglichkeit darstellen, die Stickstoffdüngung gezielt gegen einzelne Krankheitserreger einzusetzen.
In diesem Zusammenhang zeigten Versuche mit Weizenpflanzen, die mit dem Blatterreger Blumeria graminis f. sp. tritici inokuliert wurden, vergleichsweise geringeren Befall, wenn sie mit Nitrat oder Cyanamid gedüngt wurden als mit Ammonium. Nitratgedüngte Pflanzen zeigten nach dem Kontakt mit dem Erreger eine verstärkte Abwehrreaktion, und es wurde eine erhöhte Bildung von verschiedenen Schutzsubstanzen in der Pflanze beobachtet, was sich in erhöhten Konzentrationen von Wasserstoffperoxid und Superoxiddismutase, sowie in einem höheren antioxidativen Potenzial zeigte. Ferner wurde festgestellt, dass die Bakterienabundanz in der Rhizosphäre der Pflanze bei Ammoniumdüngung geringer und die Pilzabundanz höher war als bei Nitratdüngung. Außerdem wurde bei Ammoniumdüngung eine erhöhte Abundanz von wichtigen pilzlichen Krankheitserregern wie Gaeumannomyces graminis var. tritici (Ggt) und Bgt in der Rhizosphäre festgestellt. In Verbindung mit dem Maisversuch unter niedrigen P-Bedingungen scheint es, dass Ammonium sowohl pathogene als auch nützliche Pilze fördern kann. Die Nitratdüngung hingegen scheint nicht nur das Auftreten von Pilzen zu unterdrücken, sondern auch antagonistische, pathogen-unterdrückende Bakterien zu fördern, die sich zusätzlich positiv auf die Unterdrückung von Pilzerkrankungen auswirken können
The influence of L-carnitine on hematology and functional blood parameters of dairy cows with special focus on high resolution data around parturition
Full text linkThe transition period, defined as three weeks before to three weeks after parturition, is one of the most critical times in the production cycle of dairy cows. On the one hand, cows have to cope with increased energy demand, while on the other hand, feed intake decreases due to stress and pain during parturition. This results in an negative energy balance and, consequently, at the beginning of body fat tissue mobilization. Lipomobilization increases the blood concentration of NEFA. This is accompanied by an increase in the blood concentration of ketone bodies, such as BHB. In addition to changes in energy metabolism, alterations in the immune function of dairy cows occur during the transition period. Stress and pain during calving lead to elevated blood levels of glucocorticoids, such as cortisol, which affect the immune system. Furthermore, the immune system is affected by increased concentrations of NEFA and BHB. At the same time, oxidative stress occurs due to an imbalance between the production of reactive oxygen species (ROS) and the activity of the antioxidative system. In general, the period around calving and its consequences constitute a very complex process influenced by many interdependent factors. One key factor in energy production is the quaternary amine L-carnitine (LC), which is necessary for the transport of short-chain fatty acids from the cytosol to the mitochondrial matrix. Furthermore, several studies have demonstrated the antioxidant and membrane-stabilizing effects of LC.
This study aimed to investigate the effects of dietary LC supplementation on energy metabolism, hematology, and immune functions of dairy cows during the transition period. In addition, the first 72 h after calving were observed at high resolution to show the characteristic courses of the examined parameters, which, to the best of our knowledge, have not yet been analyzed.
To attain this aim, 60 pluriparous Holstein Friesian cows were assigned to two groups based on their lactation number, body weight, body condition score, and fat-corrected milk yield from previous lactation. The LC group (CAR) received 25 g of rumen-protected LC. The study started 42 days before excepted calving and ended 110 days after parturition.
To evaluate the performance and health of the animals, feed and milk samples were collected regularly, and feed intake, milk yield, body weight, and BCS were documented (Manuscript I). Additionally, NEB was calculated, and NEFA, BHB, and triglyceride concentrations in the blood were determined (Manuscript I). Also, the concentration of LC in the blood as well as that of the precursors γ-butyrobetaine (γBB), Nε-trimethyllysine (TML), and acetylcarnitine (ACA) was examined (Manuscript I). Red blood cell counts and antioxidant enzyme activity were measured to obtain more information on the oxygen supply and antioxidant status of the animals (Manuscript II). To evaluate the immunological status and inflammatory response, white blood cell count, phagocytic activity, ROS production, and lymphocyte populations were analyzed (Manuscript III).
Dietary supplementation with LC increases blood LC, γBB, and ACA concentrations. Furthermore, LC supplementation resulted in better utilization of NEFA and TG. This was manifested by an increased blood concentration of triglycerides and a lower concentration of NEFA. Moreover, increased levels of platelets and eosinophils were detected in the CAR group, confirming the membrane-stabilizing effect of LC and the associated longer cell lifespan.
Additionally, immunological functions were affected by LC supplementation. The ability of polymorphonuclear cells (PMN) to phagocytose bacteria was analyzed by the mean fluorescence intensity (MFI) of ROS-producing PMN, and the phagocytic capacity decreased compared to the CON group. Simultaneously, the efficiency of ROS production by PMN increased in CAR cows. These results suggest an altered immune function around calving, but not suppression, as is often described in the literature.
In addition, this study showed that calving affected almost all analyzed data. The strongest changes in hematology and cell function were found four hours after calving. Furthermore, the influence of LC supplementation on immunological parameters was observed in the first few hours after parturition, indicating that LC supplementation may have an effect at energetically critical times.
In conclusion, the present study showed that dietary LC supplementation affected energy metabolism, cell vitality, and cell function during the critical period around calving. However, this study also showed the clear influences of calving, which may be even more pronounced than animal-specific differences. Future studies should record the LC supply of cells to enable a more detailed description of the energetic situation of cells such as blood cells.Die Transitphase ist eine der kritischsten Zeiten im Reproduktionszyklus einer Milchkuh. Zum einen müssen die Kühe einen erhöhten Energiebedarf bewältigen, zum anderen ist die Futteraufnahme aufgrund von Schmerzen und Stress reduziert. Hieraus resultiert eine negative Energiebilanz und der Körper beginnt Fettreserven abzubauen. Durch die Lipomobilisation erhöht sich die Konzentration an NEFA im Blut. Dies geht einher mit einem Anstieg der Blutkonzentration von Ketonkörpern wie BHB. Zusätzlich kommen in der Transitphase der Milchkuh massive Veränderungen in der Immunfunktion hinzu. Durch Stress und Schmerzen während der Geburt steigt der Blutspiegel der Glucocorticoide wie Cortisol, die das Immunsystem beeinflussen. Darüber hinaus wird das Immunsystem durch die erhöhten Konzentrationen von NEFA und BHB beeinflusst. Gleichzeitig entsteht oxidativer Stress durch eine Imbalance in der Produktion von ROS und der Aktivität des antioxidativen Systems. Insgesamt ist die Periode um die Kalbung ein sehr komplexer Prozess, welcher von vielen verschiedenen voneinander abhängigen Faktoren beeinflusst wird. Eine wichtige Schlüsselfunktion für die Energiegewinnung könnte dabei das quartäre Amin L-Carnitin (LC) einnehmen, das für den Transport von kurzkettigen Fettsäuren aus dem Zytosol in die mitochondriale Matrix notwendig ist. Des Weiteren konnte in mehreren Studien eine antioxidative und membranstabilisierende Wirkung von LC nachgewiesen werden.
Die Hypothese dieser Arbeit war daher herauszufinden, ob eine LC Supplementierung einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel, die Hämatologie und die Immunfunktionen der Kuh während der Transitphase hat. Zusätzlich wurden, unserer Kenntnis nach zum ersten Mal, die ersten 72 Stunden nach der Kalbung hochaufgelöst untersucht, um charakteristische Verläufe einzelner untersuchter Parameter darstellen zu können.
Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden 60 pluripare Holstein Friesian Kühe in zwei Gruppen eingeteilt. Die L-Carnitin Gruppe (CAR) erhielt 25 g pansengeschütztes LC pro Kuh und Tag. Der Versuch begann 42 Tage vor der erwarteten Kalbung und endete 110 Tag nach der Geburt.
Zur Bewertung der Produktionsleistung und der Gesundheit der Tiere wurden regelmäßig Futter- und Milchproben genommen, Futteraufnahme und Milchleistung erfasst sowie Körpergewicht und BCS festgehalten (Manuskript I). Zusätzlich wurde die NEB berechnet und den Tieren Blut entnommen, um die NEFA-, BHB- und Triglycerid-Konzentrationen zu bestimmen (Manuskript I). Ebenfalls wurde die LC- Konzentration im Blut untersucht sowie die der Vorläufer γ-Butyrobetain (γBB), Nε-Trimethyllysin (TML) und Acetylcarnitin (ACA) (Manuskript I). Zusätzlich wurde das rote Blutbild und die Aktivität antioxidativer Enzyme bestimmt, um nähere Informationen zur Sauerstoffversorgung der Tiere und des antioxidativen Status zu erhalten (Manuskript II). Zur Bewertung von immunologischen Vorgängen und Entzündungsgeschehen wurde das weiße Blutbild, die Phagozytoseaktivität, die ROS-Produktion und die Lymphozytenpopulationen näher untersucht (Manuskript III).
Durch die Supplementierung mit LC konnte ein Anstieg der LC-Blutspiegel sowie auch der Vorläuferstufen γBB und ACA festgestellt werden. Die LC Supplementierung führte zudem zu einer besseren Verwertung von NEFA und TG. Dies äußerte sich in einer erhöhten Konzentration von TG im Blut und einer niedrigeren NEFA-Konzentration. Außerdem konnten in der CAR Gruppe erhöhte Anteile von Thrombozyten und Eosinophilen festgestellt werden. Dies bestätigte die membranstabilisierende Wirkung von LC und eine damit verbundene längere Lebensdauer der Zellen.
Die Immunfunktion wurde ebenfalls durch LC beeinflusst. Die Fähigkeit der polymorph-nukleären Zellen (PMN) Bakterien aufzunehmen, nahm im Vergleich zur CON-Gruppe ab. Neben dieser Fähigkeit schien in der CAR Gruppe zur gleichen Zeit auch die Phagozytosekapazität geringer zu sein, begleitet von einer effizienteren Produktion von ROS durch die PMN. Diese Ergebnisse deuten zwar auf eine veränderte Immunfunktion um die Kalbung herum hin, allerdings nicht auf eine in der Literatur oft beschriebene Supprimierung.
Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Kalbung nahezu alle erhobenen Daten beeinflusst hat. Die stärksten Veränderungen in der Hämatologie und der Zellfunktion wurden vier Stunden nach der Kalbung festgestellt. In dieser Zeit wurden auch die Effekte durch LC gefunden, was darauf hindeutet, dass LC durchaus einen Einfluss haben kann, allerdings nicht generell, sondern nur zu energetisch kritischen Zeiten.
Abschließend konnte diese Studie zeigen, dass eine diätetische LC Supplementierung in kritischen Zeiten einen Einfluss auf den Energiestoffwechsel hat und die Vitalität und Funktion von Zellen beeinflussen kann. Allerdings zeigten sich in dieser Studie auch deutliche Einflüsse der Kalbung, welche möglicherweise sogar stärker ausgeprägt sind als tierindividuelle Unterschiede
Importance of nitrogen turnover and external nitrogen sources for the development of FFH meadows in Baden-Württemberg
No full textDer Zustand der artenreichen und schützenswerten mageren Flachland-Mähwiesen (Lebensraumtyp 6510) in Deutschland verschlechtert sich zunehmend. Eine Ursache für die Verschlechterung stellt u. a. das Angebot von reaktivem Stickstoff (N) dar. Um der fortschreitenden Verschlechterung entgegenzuwirken, ist es notwendig, die Beziehungen zwischen externen N-Eintragen (über die Atmosphäre und Düngung), interner N-Umsetzung im Boden, Pflanzenaufnahme und -wachstum sowie mögliche Zusammenhänge mit dem Erhaltungsgrad dieses Lebensraumtyps zu verstehen. Übergeordnetes Ziel dieser Dissertation ist es daher, zu einem besseren Prozessverständnis des N-Kreislaufs von FFH (Fauna-Flora-Habitat)-Mähwiesen beizutragen. Der interdisziplinäre Aufbau dieser Arbeit beinhaltet verschiedene Ansätze zur Untersuchung der N-Problematik. Bezüglich des N-Eintrags über den luftbürtigen Pfad wurde der Fokus v. a. auf bis dato kaum untersuchte Zusammenhänge zwischen Ammoniak (NH3)-Konzentration und N-empfindlichen Artengruppen auf FFH-Mähwiesen gelegt. Diese wurden anhand Generalisierter Linearer Modelle (GLM) auf Basis landesweit verfügbarer Daten analysiert. Darüber hinaus wurden weitere Standortfaktoren mit maßgeblichem Einfluss auf den Erhaltungsgrad von FFH-Mähwiesen mittels GLM identifiziert. Zur Quantifizierung bodenbürtiger N-Umsetzungsprozesse und zur Erfassung der N-Dynamik wurde ein empirischer Ansatz gewählt, der die Bestimmung von Brutto-N-Umsatzraten mit der 15N-Isotopenverdünnungsmethode im Feldversuch beinhaltet. Hierfür wurde 2016 und 2017 ein intensives Monitoring der Brutto- und Netto-N-Flüsse (Mineralisierung, Nitrifizierung, Ammonium- und Nitrat-Verbrauch) in Böden aus unterschiedlichem Ausgangssubstrat und mit unterschiedlichem Erhaltungsgrad der FFH-Mähwiesen durchgeführt. Die Zusammenführung der Ergebnisse erfolgte mit Hilfe eines prozessbasierten Agrarökosystemmodells (EXPERT-N), das für den LRT 6510 an die erhobenen Daten angepasst wurde. Das angepasste Modell wurde auf landesweit verteilte Standorte des LRT 6510 in Baden-Württemberg übertragen, die der Untersuchung räumlicher und zeitlicher Muster der relevanten N-Flüsse über einen längeren Zeitraum (1996 bis 2012) dienten und ebenfalls boden- und vegetationskundlich charakterisiert worden waren. Die landesweiten Daten zeigen eine statistisch signifikante Abnahme von LRT-typischen Magerkeitszeigern und eine Zunahme von N-Zeigern mit zunehmender atmosphärischer NH3-Konzentration. Ob es sich dabei um eine Auswirkung der atmosphärischen NH3-Konzentration handelt oder nicht vielmehr agrarstrukturelle Unterschiede die entscheidende Rolle spielen, konnte mit den verfügbaren Daten nicht geklärt werden. Das intensive Monitoring auf FFH-Mähwiesen zeigt, dass sich die Brutto-Nitrifikationsraten in Böden aus kalkreichem Ausgangssubstrat (hoher pH) signifikant von denen in Böden aus entkalktem Substrat (niedriger pH-Wert) unterscheiden. Sowohl die Brutto-Mineralisation als auch die Brutto-Nitrifikation waren an allen Standorten durch eine hohe zeitliche Variabilität gekennzeichnet, die nicht durch die Messung der Bodentemperatur und des Bodenwassergehalts erklärt werden konnte. Die Bestimmung der Netto-N-Umsatzraten zeigte nahezu keine Variabilität und konnte nicht für Rückschlüsse auf die Brutto-Umsatzraten im Boden herangezogen werden. Das für den LRT 6510 angepasste N-Umsatzmodell war in der Lage, räumliche und zeitliche Muster auch über längere Zeiträume abzubilden. Die Simulationen zeigten eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität für die meisten Größen des N-Kreislaufs. Die Mineralisation von organischem N im Boden hat einen entscheidenden Einfluss auf den Anteil an pflanzenverfügbarem N und damit auch unmittelbare Auswirkungen auf den Ertrag und den N-Entzug. Auf stark tonigen Boden und Standorten mit hohem Anteil organischer Substanz zeigte sich eine Überschätzung der Mineralisation durch das Modell. Externe N-Eintrage, etwa eine moderate organische Düngung oder atmosphärische N-Deposition, waren weniger ausschlaggebend für den Ertrag. Ein zusätzlicher N-Eintrag ist kurzfristig immer ein treibender Faktor für den N-Umsatz im Boden. Bei bereits hohem Umsatzniveau steigen die N-Umsätze weiter an und damit steigt auch die Gefahr von Nährstoffungleichgewichten. Langfristig ist für den N-Haushalt der FFH-Mähwiesen entscheidend, ob die N-Zufuhr über der Abfuhr liegt, ob die mineralisierbaren organischen N-Pools damit erhöht werden oder ob ein Ausgleich zwischen Zufuhr und Abfuhr erreicht werden kann. Bei hohen bodeninternen N-Umsätzen, wie es auf einem Großteil der simulierten Flächen der Fall war, sollte eine längere Aushagerungsphase vorgeschaltet werden. Die Dissertation liefert einen Einblick in die Komplexität des N-Kreislaufs von FFH-Mähwiesen. Sie trägt mit unterschiedlichen Ansätzen (statistische Analysen, Feldversuche, Prozessmodellierung) dazu bei, die Rolle der N-Umsetzung und externer N-Quellen für die Entwicklung dieser Ökosysteme besser zu verstehen.1. AIM AND OBJECTIVES OF THE STUDY. The condition of the species-rich lowland hay meadows (habitat type 6510) in Germany is increasingly deteriorating. One cause of the deterioration is the supply of reactive nitrogen (N). To counteract the ongoing deterioration, it is necessary to understand the relationships between external N inputs via the atmosphere and fertilization, internal N turnover in the soil, plant uptake and growth, as well as possible links to the conservation degree of this habitat type. The overall objective of this dissertation is therefore to contribute to a better process-based understanding of the complete N cycle of Fauna-Flora-Habitat (FFH) meadows.
2. MATERIAL & METHODS. The interdisciplinary structure of this thesis includes different approaches to study inputs, turnover and outputs of N. With respect to N input via the airborne pathway, the focus was primarily placed on the hitherto poorly studied relationships between ammonia concentration and specific N-sensitive species groups in FFH lowland hay meadows. These relations were analyzed by means of generalized mixed models (GLM) based on nationwide data. In addition, further site-specific factors with a significant influence on the conservation degree of FFH meadows were identified using GLM. For the quantification of soil-borne N turnover processes, an empirical approach was chosen, including the determination of gross N turnover rates using the 15N isotope dilution method. To record these N dynamics, an intensive monitoring of gross and net N fluxes (mineralization, nitrification, ammonium consumption, nitrate consumption) in soils from different primary substrate and with different meadow conservation degree was carried out in 2016 and 2017. The results were merged using a process-based agroecosystem model (EXPERT-N), which was adjusted for habitat type 6510 to the collected data. The adapted model was applied to other sites of habitat type 6510 distributed throughout the state of Baden-Württemberg, which served to investigate spatial and temporal patterns of relevant nitrogen fluxes over an extended time period (1996 until 2012) and had been characterized in terms of soil and vegetation.
3. RESULTS. The nationwide data show a statistically significant decrease of habitat-typical low-nutrient indicator species and an increase of N indicator species with increasing atmospheric ammonia concentration on lowland hay meadows in Baden-Württemberg. Whether this is an effect of the atmospheric ammonia concentration or whether differences in agricultural land use structure play the decisive role could not be clarified with the available data. The intensive monitoring on selected FFH lowland hay meadows showed that soil-borne gross nitrification rates on soils from calcareous parent substrate (high pH) differed significantly from those from decalcified substrate (low pH). Both gross mineralization and gross nitrification were characterized by high temporal variability at all sites, which could not be explained by measurements of soil temperature and soil water content. Determination of net N turnover rates showed almost no variability and could not be used to draw conclusions about actual gross turnover rates in soil. The N-turnover model adapted for habitat type 6510 was able to represent spatial and temporal patterns over an extensive period of time. Simulation results showed high spatial and temporal variability for most N cycle variables. Soil organic N mineralization has a critical influence on the amount of plant-available N and thus has a direct impact on yield and N removal. On high clay-content soils and sites with high organic matter content, the model overestimated mineralization. External N inputs, such as moderate organic fertilization or atmospheric N deposition, were less crucial for yield. Additional N input is always a driving factor for N turnover in soil in the short term. With already high turnover levels, N turnover continues to increase and thus the risk of nutrient imbalances also increases. In the long term, the decisive factor for the N balance of FFH lowland hay meadows is whether N supply exceeds removal, whether the mineralizable organic N pools are thus increased, or whether a balance between supply and removal can be achieved. If soil internal N turnover is high, as it was the case on most of the simulated sites, a longer depletion phase should be applied before.
In summary, this dissertation provides insight into the complexity of N cycling of FFH meadows. Using various approaches (statistical analyses, field trials, process-based modelling), it contributes to a better understanding of site-specific N turnover and the role of external N sources for the development of this ecosystem
Characterization of the aroma properties in fragrant rapeseed oil and aroma variation during critical roasting phase
Full text linkRapeseed oil is one of the third most-produced vegetable oil in the world, which is appreciated for its characteristic flavor and high nutritional value. Fragrant rapeseed oil (FRO) produced by a typical roasting process is popular for its characteristic aroma, which has an annual consumption exceeding 1.5 million tons. However, the changes in aroma blueprint of FRO during the typical roasting processing are still unclear, which challenges rapeseed oil quality and consumer acceptance. Accordingly, the aim of this work was to investigate the aroma characteristics and their precursors pyrolysis behavior of FRO to provide a basis and guidance for the control of FRO aroma quality during production processing.
First, a systematic review on summarizing, comparing, and critiquing the literature regarding the flavor of rapeseed oil, especially about employed analysis techniques (i.e., extraction, qualitative, quantitative, sensorial, and chemometric methods), identified representative/off-flavor compounds, and effects of different treatments during the processes (dehulling, roasting, microwave, flavoring with herbs, refining, oil heating, and storage) was performed. One hundred and thirty-seven odorants found in rapeseed oil from literature are listed, including aldehydes, ketones, acids, esters, alcohols, phenols, pyrazines, furans, pyrrolines, indoles, pyridines, thiazoles, thiophenes, further S-containing compounds, nitriles, and alkenes, and possible formation pathways of some key aroma-active compounds are also proposed. Nevertheless, some of these compounds require further validation (e.g., nitriles) due to lack of recombination experiments in the previous work. To wrap up, advanced flavor analysis techniques should be evolved toward time-saving, portability, real-time monitoring, and visualization, which aims to obtain a complete flavor profile of rapeseed oil. Aparting from that, studies to elucidate the influence of key roasting processing on the formation of aroma-active compounds are needed to deepen understanding of factors resulting in flavor variations of rapeseed oil.
Following, a systematic comparison among five flavor trapping techniques including solid-phase microextraction (SPME), SPME-Arrow, headspace stir bar sorptive extraction (HSSE), direct thermal desorption (DTD), and solvent-assisted flavor evaporation (SAFE) for hot-pressed rapeseed oil was conducted. Besides, methodological validation of these five approaches for 31 aroma standards found in rapeseed oil was conducted to compare their stability, reliability, and robustness. For the qualification of the odorants in hot-pressed rapeseed oil, SAFE gave the best performance, mainly due to the high sample volumes, but it performed worse than other methods regarding linearity, recovery, and repeatability. SPME-Arrow gave good performances in not only odorant extraction but also quantification, which is considered most suitable for quantifying odorants in hot-pressed rapeseed oil. Taking cost/performance ratio into account, SPME is still an efficient flavor extraction method. Multi-method combination of flavor capturing techniques might also be an option of aroma analysis for oil matrix.
Afterwards, by application of the Sensomics approach the key odorants in representative commercial FRO samples were decoded. On the basis of the aroma blueprint, changes of overall aroma profiles of oils and their key odorants were studied and compared in different roasting conditions. To better simulate industrial conditions, high temperatures (150-200 ºC) were used in our roasting study, which was rarely studied before. Identification and quantitation of the key odorants in FRO were well performed by means of the Sensomics concept. Glucosinolate degradation products were a special kind of key odorants existing in rapeseed oil. Most of the odorants showed first rising and then decline trends as the roasting process progressed. Aroma profile results showed that high-temperature-short time and low-temperature-long time conditions could have similar effects on the aroma profiles of roasted rapeseed oils, which could provide a reference for the time cost savings in industrial production.
To gain the fundamental knowledge of the aroma formation in FRO, the thermal degradation behavior of progoitrin (the main glucosinolate of rapeseed) and the corresponding generated volatile products were investigated in liquid (phosphate buffer at a pH value of 5.0, 7.0, or 9.0) and solid phase systems (sea sand and rapeseed powder). The highest thermal degradation rate of progoitrin at high temperatures (150-200 ºC) was observed at a pH value of 9.0, followed by sea sand and then rapeseed powder. It could be inferred that bimolecular nucleophilic substitution reaction (SN2) was mainly taken place under basic conditions. The highest degradation rate under basic conditions might result from the high nucleophilicity of present hydroxide ions. Under the applied conditions in this study, 2,4-pentadienenitrile was the major nitrile formed from progoitrin during thermal degradation at high temperature compared to l-cyano-2-hydroxy-3-butene, which might be less stable. The possible formation pathways of major S-containing (thiophenes) and N-containing (nitriles) volatile (flavor) compounds were proposed. Hydrogen sulfide, as a degradation product of glucosinolates, could act as a sulfur source to react further with glucose to generate thiophenes.
Overall, the present work comprehensively documented the effects of thermal conditions and matrices on the aroma characteristics, aroma profiles, and key odorants of hot-pressed rapeseed oil, which could provide data and theoretical basis for the flavor control of FRO under thermal treatment at actual production temperatures (150-200 °C).Rapsöl ist eines der am dritthäufigsten produzierten Pflanzenöle der Welt, welches für seinen charakteristischen Geschmack und hohen Nährwert geschätzt wird. Geröstetes Rapsöl (fragrant rapeseed oil, FRO), das durch ein typisches Röstverfahren hergestellt wird, ist wegen seines charakteristischen Aromas beliebt und jährlich werden mehr als 1,5 Millionen Tonnen produziert. Allerdings sind die Veränderungen im Aromaprofil von FRO während der typischen Röstverarbeitung noch unklar, was die Rapsölqualität und die Verbraucherakzeptanz herausfordert. Dementsprechend war das Ziel dieser Arbeit, die Aromaeigenschaften und das Pyrolyseverhalten der Vorläuferverbindungen von FRO zu untersuchen, um eine Grundlage und Anleitung für die Kontrolle der FRO-Aromaqualität während des Herstellungsprozesses zu liefern.
Zuerst wurde eine systematische Übersicht aus der Literatur über die Zusammenfassung, den Vergleich und die Kritik zum Aroma von Rapsöl, insbesondere zu den verwendeten Analysetechniken (d. h. Extraktion, qualitative, quantitative, sensorische und chemometrische Methoden), identifizierte repräsentative Verbindungen und Fehlaromen, und Auswirkungen verschiedener Prozesse während der Herstellung (Schälen, Rösten, Mikrowellenbehandlung, Aromatisierung mit Kräutern, Raffination, Ölerhitzung und Lagerung) durchgeführt. Einhundertsiebenunddreißig in Rapsöl beschriebene Aromastoffe sind aufgelistet, darunter Aldehyde, Ketone, Säuren, Ester, Alkohole, Phenole, Pyrazine, Furane, Pyrroline, Indole, Pyridine, Thiazole, Thiophene, weitere S-haltige Verbindungen, Nitrile und Alkene. Die mögliche Bildungswege einiger wichtiger aromaaktiver Verbindungen werden ebenfalls vorgeschlagen. Dennoch erfordern einige dieser Verbindungen eine weitere Validierung (z. B. Nitrile) aufgrund fehlender Rekombinationsexperimente in den vorherigen Arbeiten. Abschließend sollten fortschrittliche Aromaanalysetechniken in Richtung Zeitersparnis, Übertragung, Echtzeitüberwachung und Visualisierung weiterentwickelt werden, um ein vollständiges Aromaprofil von Rapsöl zu erhalten. Abgesehen davon sind Studien zur Aufklärung des Einflusses wichtiger Röstverfahren auf die Bildung aromaaktiver Verbindungen erforderlich, um das Verständnis der Faktoren zu vertiefen, die zu Aromavariationen von Rapsöl führen.
Im nächsten Schritt wurde in systematischer Vergleich zwischen fünf Techniken zur Extraktion von Aromastoffen, darunter Festphasen-Mikroextraktion (solidphase microextraction, SPME), SPME-Arrow, headspace sorptive extraction (HSSE), direkte thermische Desorption (DTD) und lösungsmittelunterstützte Aromaverdampfung (solvent assisted flavor evaporation, SAFE) für heißgepresstes Rapsöl durchgeführt. Außerdem wurde eine methodische Validierung dieser fünf Ansätze für einunddreißig in Rapsöl gefundene Aromastoffe durchgeführt, um ihre Stabilität, Zuverlässigkeit und Robustheit zu vergleichen. Bei der Qualifizierung der Aromasstoffe in heißgepresstem Rapsöl erzielte die SAFE, vor allem aufgrund der hohen Probenvolumina, die beste Performance, schnitt aber hinsichtlich Linearität, Wiederfindung und Reproduzierbarkeit schlechter ab als andere Methoden. SPME-Arrow zeigte gute Leistungen nicht nur bei der Extraktion von Aromastoffen, sondern auch bei der Quantifizierung. Sie wurde daher als am besten geeignet für die Quantifizierung von Aromastoffen in heißgepresstem Rapsöl angesehen. Unter Berücksichtigung des Preis-Leistungs-Verhältnisses ist die klassiche SPME aber immer noch eine effiziente Aromaextraktionsmethode. Eine Kombination aus mehreren Methoden zur Erfassung von Aromen könnte auch eine Option der Aromaanalyse für die Ölmatrix sein.
Anschließend wurden durch Anwendung des Sensomics-Ansatzes die wichtigsten Aromastoffe in repräsentativen kommerziellen FRO-Proben entschlüsselt. Auf der Grundlage des Aroma-Blueprints wurden Änderungen im Gesamtaromaprofil der Öle und ihrer Schlüsselaromastoffe unter verschiedenen Röstbedingungen untersucht und verglichen. Um industrielle Bedingungen besser zu simulieren, wurden in unserer Röststudie hohe Temperaturen (150-200 ºC) verwendet, die zuvor selten untersucht wurden. Die Identifizierung und Quantifizierung der wichtigsten Aromastoffe in FRO wurde mithilfe des Sensomics-Konzepts gut durchgeführt. Glucosinolat-Abbauprodukte waren eine besondere Art von Hauptaromastoffen, die in Rapsöl vorhanden sind. Die meisten Aromastoffe zeigten mit fortschreitendem Röstvorgang zunächst steigende und dann fallende Tendenzen. Die Ergebnisse der Aromaprofile zeigten, dass Hochtemperatur-Kurzzeit- und Niedrigtemperatur-Langzeit-Bedingungen ähnliche Auswirkungen auf die Aromaprofile von gerösteten Rapsölen haben könnten, was eine Referenz für die Zeitkosteneinsparungen in der industriellen Produktion liefern könnte.
Um grundlegende Erkenntnisse über die Aromabildung bei FRO zu gewinnen, wurde das thermische Abbauverhalten von Progoitrin (dem Hauptglucosinolat in Rapssamen) und den entsprechend entstehenden flüchtigen Produkten in Flüssigkeits- (Phosphatpuffer bei einem pH-Wert von 5,0, 7,0 oder 9,0) und Festphasensystemen (Seesand und Rapspulver) untersucht. Die höchste thermische Abbaurate von Progoitrin bei hohen Temperaturen (150-200 ºC) wurde bei einem pH-Wert von 9,0 beobachtet, gefolgt von Seesand und Rapspulver. Es konnte gefolgert werden, dass die bimolekulare nukleophile Substitutionsreaktion (SN2) hauptsächlich unter basischen Bedingungen stattfand. Die höchste Abbaurate unter basischen Bedingungen könnte aus der hohen Nukleophilie der vorhandenen Hydroxidionen resultieren. Unter den angewandten Bedingungen in dieser Studie war 2,4-Pentadiennitril das Hauptnitril, das während des thermischen Abbaus bei hoher Temperatur aus Progoitrin gebildet wurde, verglichen mit l-Cyano-2-hydroxy-3-buten, das weniger stabil sein könnte. Die möglichen Bildungswege der wichtigsten S-haltigen (Thiophene) und N-haltigen (Nitrile) flüchtigen (Aroma-)Verbindungen wurden vorgeschlagen. Schwefelwasserstoff als Abbauprodukt von Glucosinolaten könnte als Schwefelquelle dienen, die dann weiter mit Glucose zu reagieren, um Thiophene zu erzeugen.
Insgesamt dokumentiert die vorliegende Arbeit umfassend die Auswirkungen thermischer Bedingungen und Matrizes auf die Aromaeigenschaften, Aromaprofile und Hauptaromastoffe von heißgepresstem Rapsöl, die Daten und theoretische Grundlagen für die Aromakontrolle von FRO unter thermischer Behandlung bei den in der Produktion tatsächlichen verwendeten Temperaturen (150-200 °C)
Empirical essays on agency problems in venture capital
Full text linkIn the first essay, we explore the potential agency conflict between limited partners and general partners in venture capital firms due to changes in investment style. Investment style refers to the characteristics of a venture capital funds portfolio, such as the portfolio companies stage of development, location, and industry. While investment style can significantly impact the risk and return profile of a fund, it is usually not explicitly agreed upon by limited and general partners. We argue that changes in investment style, known as style drifts, can reveal information about the risk-taking behavior of venture capitalists and present empirical evidence in support of this claim. To determine whether style drifts constitute an agency conflict, we consider two sets of hypotheses. The first set posits that style drifts are intentional decisions to take on more risk, potentially driven by incentives related to compensation or employment. The second set suggests that style drifts may occur because of competitive pressure and may not necessarily be indicative of an intent to increase risk. Our findings suggest that style drifts are likely to create an agency conflict, as the evidence supports the hypothesis that well-performing venture capitalists increase investment risk to benefit from higher compensation potential via carried interest when they feel confident, they will be able to raise a follow-on fund securing their base income via management fees. Additionally, we examine the impact of style drifts on individual investments and fund performance and find that overall, style drifts hurt a funds exit rate, indicating the potential for increased risk.
In the second essay, we examine the relationship between venture capitalists and entrepreneurs, specifically focusing on the role of information asymmetry in the funding process. Using text classification and text mining techniques we analyze the content and level of detail in capital allocation plans provided by entrepreneurs to investors, which serve as a proxy for private informational updates that are typically not widely available. Our analysis shows that investors do consider the content and specificity of these updates when making valuation decisions and that both positive information signals and more detailed information are related to higher valuations. We also investigate the effect of the relative level of information asymmetry between venture capitalists and entrepreneurs on the value of these updates, finding that they are more impactful in situations where there is a higher level of information asymmetry. The results of our study have practical implications for entrepreneurs, as we find that the negative impact of negative information signals can be offset by providing highly specific information and that the value of an informational update is influenced by the existing level of information asymmetry.
In the third essay, I explore the impact of university affiliations on the initial matching process between venture capitalists and founders, the involvement of the investor during the funding relationship, and the eventual startup performance and investment exit success. University affiliations can influence the funding relationship through two channels: first, attending a top university may serve as a signal of founder quality to venture capitalists, helping them to avoid adverse selection; second, shared alumni networks may establish trust and reduce information asymmetry between otherwise unknown individuals. Using a dataset of 42,101 investments involving 38,452 unique venture capitalists and founders, I find that educational ties between venture capitalists and founders have a positive effect on the funding relationship, including the initial matching, the level of involvement of the investor during the funding relationship, and the eventual startup performance and investment exit success. The effect of sharing an educational background between a venture capitalist and a founder is about five times larger than the effect of a founder attending a top university. Further, the results also show that educational ties are more valuable the more exclusive they are, and that redundant ties between the founding team and the investors have diminishing value for the investment decision.Im ersten Aufsatz wird der potenzielle Agency-Konflikt zwischen Limited Partners und Risikokapitalgebern in Risikokapitalgesellschaften aufgrund von Änderungen des Investitionsstils untersucht. Der Investitionsstil bezieht sich auf die Merkmale des Portfolios eines Risikokapitalfonds, wie z.B. das Entwicklungsstadium, den Standort und die Branche der Portfoliounternehmen. Der Anlagestil kann sich zwar erheblich auf das Risiko- und Ertragsprofil eines Fonds auswirken, wird aber in der Regel nicht ausdrücklich von den Limited Partners und Risikokapitalgebern vereinbart. Wir argumentieren, dass Veränderungen im Anlagestil, die so genannten Style Drifts, Aufschluss über das Risikoverhalten von Risikokapitalgebern geben können, und präsentieren empirische Belege zur Unterstützung dieser Behauptung. Um festzustellen, ob Style Drifts einen Agency-Konflikt darstellen, prüfen wir zwei Hypothesen. Die erste Hypothese besagt, dass Style Drifts absichtliche Entscheidungen zur Übernahme von mehr Risiko sind, die möglicherweise durch Anreize im Zusammenhang mit der Vergütung bedingt sind. Die zweite Hypothese besagt, dass Style Drifts als Folge von Wettbewerbsdruck auftreten können und nicht unbedingt auf eine beabsichtigte Risikoerhöhung hindeuten. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Style Drifts wahrscheinlich zu einem Agency-Konflikt führen, da die Ergebnisse die Hypothese stützen, dass leistungsstarke Risikokapitalgeber das Anlagerisiko erhöhen, um von einem höheren Vergütungspotenzial über Carried Interest zu profitieren, wenn sie sich sicher sind, dass sie in der Lage sein werden, einen Folgefonds einzuwerben, der ihr Grundeinkommen über Managementgebühren sichert. Darüber hinaus untersuchen wir die Auswirkungen von Style Drifts auf einzelne Investitionen und die Fondsperformance und stellen fest, dass Style Drifts insgesamt die Erfolgsquote eines Fonds beeinträchtigen, was auf ein erhöhtes Risiko hinweist.
Im zweiten Aufsatz untersuchen wir die Beziehung zwischen Risikokapitalgebern und Unternehmern und konzentrieren uns dabei insbesondere auf die Rolle der Informationsasymmetrie im Finanzierungsprozess. Mithilfe von Textklassifizierungs- und Textmining-Techniken analysieren wir den Inhalt und den Detaillierungsgrad von Kapitalallokationsplänen, die den Investoren von den Unternehmern zur Verfügung gestellt werden. Unsere Analyse zeigt, dass Investoren den Inhalt und die Spezifität dieser Informationsaktualisierungen bei ihren Bewertungsentscheidungen berücksichtigen und dass sowohl positive Informationssignale als auch detailliertere Informationen mit höheren Bewertungen verbunden sind. Wir untersuchen auch die Auswirkungen des relativen Ausmaßes der Informationsasymmetrie zwischen Risikokapitalgebern und Unternehmern auf den Wert dieser Informationsaktualisierungen und stellen fest, dass sie in Situationen mit einem höheren Maß an Informationsasymmetrie größere Auswirkungen haben. Die Ergebnisse unserer Studie haben praktische Auswirkungen für Unternehmer, da wir feststellen, dass die negativen Auswirkungen negativer Informationssignale durch die Bereitstellung hochspezifischer Informationen ausgeglichen werden können und dass der Wert einer Informationsaktualisierung vom bestehenden Grad der Informationsasymmetrie beeinflusst wird.
Im dritten Aufsatz untersuche ich die Auswirkungen von Universitätszugehörigkeiten auf den anfänglichen Matching-Prozess zwischen Risikokapitalgebern und Gründern, die Beteiligung des Investors während der Finanzierungsbeziehung und die letztendliche Performance des Start-ups und den Erfolg der Investition beim Ausstieg. Die Zugehörigkeit zu einer Universität kann die Finanzierungsbeziehung über zwei Kanäle beeinflussen: Erstens kann der Besuch einer Spitzenuniversität den Risikokapitalgebern als Signal für die Qualität des Gründers dienen und ihnen helfen, Adverse Selection zu vermeiden; zweitens können gemeinsame Alumni-Netzwerke Vertrauen schaffen und Informationsasymmetrien zwischen ansonsten unbekannten Personen verringern. Anhand eines Datensatzes von 42.101 Investitionen, an denen 38.452 Risikokapitalgeber und Gründer beteiligt waren, stelle ich fest, dass sich Bildungsbeziehungen zwischen Risikokapitalgebern und Gründern positiv auf die Finanzierungsbeziehung auswirken, einschließlich des anfänglichen Matchings, des Umfangs des Engagements des Investors während der Finanzierungsbeziehung und der letztendlichen Startup-Performance und des Erfolgs beim Ausstieg aus der Investition. Der Effekt eines gemeinsamen Bildungshintergrunds zwischen einem Risikokapitalgeber und einem Gründer ist etwa fünfmal so groß wie der Effekt eines Gründers, der eine Spitzenuniversität besucht hat. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass Bildungsbeziehungen umso wertvoller sind, je exklusiver sie sind, und dass redundante Beziehungen zwischen dem Gründerteam und den Investoren einen abnehmenden Wert für die Investitionsentscheidung haben
Evaluation and method development for the biosynthesis of microbial lipopeptides by bacillus species
Full text linkMicrobial lipopeptides are secondary metabolites produced by bacteria and single-celled microorganisms. They consist of a cyclic or linear peptide chain linked to a lipid residue. Due to their high-foaming biosurfactant properties, they have various industrial applications such as in detergents, food emulsifiers, bioremediation, and enhanced oil recovery. Additionally, they possess other functional properties such as antifungal activity, making them an environmentally friendly alternative to synthetic fertilizers and fungicides. Bacillus species produce cyclic lipopeptides known for their potent antifungal activity, which makes them a potential source of bio-fungicides in agriculture. However, the production titer of wild-type Bacillus species does not meet industrial needs. Thereby, genetic modification of producer strains and bioprocess engineering can help increase the production of lipopeptides. Nevertheless, the regulation and basis of biosynthesis for Bacillus lipopeptides are still not completely understood, and ongoing research aims to enhance their production. In general, three main lipopeptide families, including surfactins, iturins, and fengycins are produced by different Bacillus species. Among these, surfactin as the strong biosurfactant is the most extensively studied lipopeptide produced by Bacillus species.
The focus of this doctoral thesis was mainly to evaluate the biosynthesis of iturin and fengycin families, which are strong antimicrobial lipopeptides produced by Bacillus subtilis and Bacillus velezensis. This involved developing strains through genetic engineering and enhancing the lipopeptide titer by evaluating the cultivation medium. Initially, the entire genome of the bacteria used in this thesis was examined in terms of lipopeptide biosynthesis, and the structure and yield of the different produced lipopeptides were analyzed. Regarding the lipopeptide producer derivatives of the domesticated laboratory model strain B. subtilis 168 and B. subtilis 3NA, a spore deficient strain appropriate for bioreactor cultivation, surfactin is the lipopeptide with the highest yield, while plipastatin which is a member of fengycin family, is produced in lower quantities. In the present thesis, the biosynthesis of plipastatin by B. subtilis BMV9 as the lipopeptide producer derivative of strain 3NA was evaluated. The study aimed to convert BMV9 to a constitutive plipastatin mono-producer strain. In this sense, overexpressing plipastatin biosynthesis operon using the stronger constitutive Pveg promoter led to a five-fold increase in plipastatin production. Interestingly, it was observed that deletion of srfAA-AD operon in BMV9 and the constructed constitutive plipastatin producer strain has not improved plipastatin production. Therefore, it can be stated that presumably the biosynthesis of plipastatin may be positively influenced in a post-transcriptional manner by the surfactin synthetase or some of its subunits. However, the regulatory mechanism behind this effect remained unknown and requires further research. Another attempt to enhance the plipastatin biosynthesis in strain BMV9 was repairing the degQ expression. One main genome characterization of strains with B. subtilis 168 and 3NA background is that the pleiotropic degQ gene expression, which is known to have a positive effect on plipastatin biosynthesis, is silenced due to a mutation in the promoter area. However, while repair of degQ expression in BMV9 increased the plipastatin production, combination of both repaired degQ expression and promoter exchange (Ppps::Pveg) has not significantly increased the plipastatin yield.
To further evaluate the impact of degQ expression on surfactin and plipastatin biosynthesis, two strains of B. subtilis were selected: JABs24, a lipopeptide producer derived from the 168 strain, and DSM10T, the wild-type strain expressing native degQ. The findings demonstrated that surfactin biosynthesis is negatively affected by DegQ-associated DegU regulation, while increased plipastatin biosynthesis is achieved in the presence of native degQ expression. In addition to production of lipopeptides, the DegU regulatory system also plays a role in the formation of secretory proteases. A comparison of extracellular protease activities between JABs24 and DSM10T showed that degQ expression led to DSM10T having five times higher protease activity than JABs24. Interestingly, production of extracellular proteases has not affected the stability of both plipastatin and surfactin during cultivation, suggesting that lipopeptides are less targeted by extracellular proteases.
The identification of proficient wild-type strains is critical to the advancement of bio-fungicide in agriculture. Therefore, the subsequent approach of this thesis centered on the production of microbial lipopeptide by wild-type B. velezensis strains. Here, the lipopeptide productivity and antifungal ability of B. velezensis UTB96 was higher than B. velezensis FZB42, as a well-established strain for biocontrol of plant pathogens in agriculture. Furthermore, addition of certain amino acids stimulated lipopeptide production, and using a bioreactor system resulted in enhancement of lipopeptide production, especially iturin A by UTB96.
Overall, the doctoral thesis evaluates the biosynthesis of antimicrobial lipopeptides produced by B. subtilis and B. velezensis. The study involves genetic engineering such as promoter exchange, deletion of genes involved in competing biosynthetic pathways and cultivation medium development with amino acid supplementation to enhance the lipopeptide titer. The thesis also identifies B. velezensis UTB96 as a promising candidate for further research to be used as a wild-type antifungal agent in agriculture.Mikrobielle Lipopeptide sind Sekundärmetabolite, die von Bakterien und einzelligen Mikroorganismen produziert werden. Sie bestehen aus einer zyklischen oder linearen Peptidkette, die an einen Lipidrest gebunden ist. Aufgrund der stark schäumenden Eigenschaften von Biotensiden, werden diese in der Industrie in verschiedenen Bereichen eingesetzt, wie z. B. in Reinigungsmitteln, Lebensmittele-mulgatoren, bei der Bioremediation und der verbesserten Ölgewinnung. Darüber hinaus besitzen sie weitere funktionelle Eigenschaften, wie z. B. eine antimykotische Wirkung, was sie zu einer sicheren und umweltfreundlichen Alternative zu synthetischen Düngemitteln und Pestiziden macht. Bacillus‐Arten produzieren zyklische Lipopeptide, die für ihre starke antimykotische Wirkung gegen Phytopathogene bekannt sind, was sie zu einer potenziellen Quelle für Bio‐Fungizide in der Landwirtschaft macht. Der Produktionstiter von Wildtyp‐Bacillus‐Arten entspricht jedoch nicht dem industriellen Bedarf. Durch genetische Veränderung und Bioverfahrenstechnik kann die Produktion von Lipopeptiden gesteigert werden. Dennoch sind die Regulierung und die Grundlagen der Biosynthese von Bacillus‐Lipopeptiden noch nicht vollständig geklärt, und die laufende Forschung zielt auf die Optimierung ihrer Produktion ab. Es ist bekannt, dass Bacillus‐Arten drei Hauptlipopeptidfamilien produzieren, darunter Surfactin, Iturin und Fengycin. Unter diesen ist Surfactin das am besten untersuchte Biotensid.
Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stand die Untersuchung der Biosynthese der Iturin- und Fengycin‐Familien. Diese stark antimikrobiellen Lipopeptide werden von Bacillus subtilis und Bacillus velezensis produziert. Dazu wurden gentechnisch modifizierte Stämme entwickelt und der Lipopeptid‐Titer durch Verbesserung des Kultivierungsmediums erhöht. Zunächst wurde das gesamte Genom der in dieser Arbeit verwendeten Bakterien im Hinblick auf die Lipopeptidbiosynthese untersucht, und die Struktur und Ausbeute der verschiedenen produzierten Lipopeptide wurden analysiert. Bei den lipopeptidproduzierenden Derivaten des domestizierten Labormodellstammes B. subtilis 168 und B. subtilis 3NA, einem für die Bioreaktorkultivierung geeigneten nicht sporulierenden Stamm, ist Surfactin das Lipopeptid mit der höchsten Ausbeute. Im Gegensatz dazu wird Plipastatin, ein Mitglied der Fengycinfamilie, in geringeren Mengen produziert. In der vorliegenden Arbeit wurde die Biosynthese von Plipastatin durch B. subtilis BMV9, dem Lipopeptidproduzenten‐Derivat des Stammes 3NA, untersucht. Der Regulationsmechanismus, der diesem Effekt zugrunde liegt, ist jedoch noch unerforscht und bedarf weiterer Forschung. Ein weiterer Versuch, die Plipastatin‐ Biosynthese im Stamm BMV9 zu verbessern, war die Reparatur der degQ‐Expression. Eine wesentliche Genomcharakterisierung von Stämmen mit B. subtilis 168 und 3NA-Hintergrund besteht darin, dass die pleiotrope degQ‐Genexpression, von der bekannt ist, dass sie sich positiv auf die Plipastatinbiosynthese auswirkt, aufgrund einer Mutation im Bereich des Promotors inaktiv ist. Während jedoch die Reparatur der degQ‐Expression in BMV9 die Plipastatinproduktion erhöhte, konnte die Kombination aus reparierter degQ-Expression und Promotoraustausch (Ppps::Pveg) die Plipastatinausbeute nicht signifikant steigern.
Um die Auswirkungen der degQ‐Expression auf die Surfactin‐ und Plipastatin‐Biosynthese weiter zu untersuchen, wurden zwei B. subtilis‐Stämme ausgewählt: JABs24, ein von Stamm 168 abgeleiteter Lipopeptidproduzent, und DSM10T, der Wildtyp‐Stamm, der natives degQ exprimiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Surfactin‐Biosynthese durch die DegQ‐assoziierte DegU‐Regulierung negativ beeinflusst wird, während die Plipastatin‐ Biosynthese bei Vorhandensein einer nativen DegQ‐Expression gesteigert wird. Neben der Produktion von Lipopeptiden spielt das DegU‐Regulationssystem ebenfalls eine Rolle bei der Bildung von sekretorischen Proteasen. Interessanterweise hat die Produktion von extrazellulären Proteasen die Stabilität von Plipastatin und Surfactin während der Kultivierung nicht beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass Lipopeptide kaum von extrazellulären Proteasen angegriffen werden. Die Identifizierung tauglicher Wildtyp‐Stämme ist für die Weiterentwicklung von Biofungiziden in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Daher konzentrierte sich der weitere Ansatz dieser Arbeit auf die Produktion von mikrobiellen Lipopeptiden durch Wildtyp‐B. velezensis‐Stämme. Dabei waren die Lipopeptidproduktivität und die antimykotische Fähigkeit von B. velezensis UTB96 höher als die von B. velezensis FZB42, einem etablierten Stamm zur Biokontrolle von Pflanzenpathogenen in der Landwirtschaft. Außerdem stimulierte die Zugabe bestimmter Aminosäuren die Lipopeptidproduktion, und die Verwendung eines Bioreaktorsystems führte zu einer Steigerung der Lipopeptidproduktion, insbesondere von Iturin A durch UTB96.
Zusammenfassend wird in der Dissertation die Biosynthese antimikrobieller Lipopeptide untersucht, die von B. subtilis und B. velezensis produziert werden. Die Studie umfasst gentechnische Eingriffe wie den Austausch von Promotoren, die Deletion von Genen, die an konkurrierenden Biosynthesewegen beteiligt sind, und die Entwicklung von Kultivierungsmedien mit Aminosäuresupplementierung zur Steigerung des Lipopeptid‐ Titers. In der Dissertation wird B. velezensis UTB96 als vielversprechender Kandidat für weitere Forschungen identifiziert, um als Wildtyp‐Antimykotikum in der Landwirtschaft eingesetzt zu werden