2013 research outputs found
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Characterization of the rehydration behavior of food powders
Get PDFThe rehydration behavior of food powders is of high importance in terms of powder processing and product quality. Rehydration of powders mainly depends on the physical powder characteristics particle size, porosity and wettability, the latter being expressed by the contact angle between solid and rehydrating liquid. With focus on food powders, it could be shown that the rehydration behavior is strongly influenced by dynamic changes of these physical characteristics. This includes the initiation of dissolution and swelling directly after powder-liquid contact. Especially in case of biopolymers, which were investigated in detail by the example of xanthan gum, guar gum and alginate, these processes are important to describe their rehydration behavior. Due to the special characteristics of these biopolymers dissolution and swelling result in an increase of viscosity as well as in a decrease of bulk porosity. The kinetics and interactions of these processes significantly affect the individual steps of rehydration and have to be considered in describing the process of food powder rehydration.
For inert powder-liquid systems capillary liquid uptake into a powder bulk can be described by the Washburn equation which equates the capillary pressure and the hydrodynamic flow resistance. This approach was used as basic equation to describe capillary liquid uptake of food powders. The validity of the original approach is restricted to the case of constant powder and liquid properties. With regard to food powders, changes within the powder-liquid system were considered by a stepwise adaption of the variables of the Washburn equation. Thus, the first part of this thesis focused on establishing and defining methods to characterize the dynamics of the physical properties particle size, bulk porosity, viscosity and contact angle. This enabled a more detailed characterization of the interactions between food powder and liquid during rehydration. Wettability of food powders in contact with dist. water was assessed by contact angle measurements. Contact angles were 52° for alginate, 58.1° for xanthan gum and 70° for guar gum which confirmed their hydrophilic character. To describe the change of the bulk porosity a rheological measurement set-up was constructed to quantify the swelling behavior. Influence of viscosity on rehydration was determined by measuring the concentration dependent viscosity increase and the rate of viscosity increase over time. The change of viscosity as a consequence of dissolution allowed conclusions about the dissolution rate of biopolymers in highly concentrated situations. These results indicated that rehydration of guar gum is mainly influenced by viscosity effects whereas swelling has the highest impact on the rehydration behavior of xanthan gum and alginate. Further methods such as Nuclear Magnetic Resonance analysis enabled a more detailed characterization concerning the dynamics of powder-liquid interactions and the strength of water binding within these biopolymer gels. The strength of water binding was found to correlate with the stability of highly concentrated biopolymer aggregates. The aggregate stability was determined by rheological analyses and is of importance, particularly with regard to powder dispersability.
To predict food powder rehydration, a model was established using a VoF approach. To simulate capillary liquid rise based on physical characteristics, dynamic changes were resolved both spatial and temporally. To describe particle and liquid properties more precisely, a model system consisting of biopolymer coated glass beads was developed by fluid bed technology. By the variation of the coating layer thickness and the coating material, dynamic changes within the system could be controlled which enabled a more differentiated description.
A parameter variation study was conducted to simulate the influence and interaction of dynamic processes on capillary liquid uptake into such powder systems. Capillary liquid uptake into the coated glass beads was investigated experimentally. It could be shown that even with coating layers of 0.5 µm dynamic effects are sufficiently strong to cause a stop of capillary liquid uptake. It has been shown that viscosity development dominates guar gum rehydration whereas swelling is the prevalent mechanism in xanthan gum and alginate rehydration.
Simulation of capillary liquid rise demonstrated that the influence of the coating layer thickness is not significant. This result could be explained by the slow dissolution rates of the biopolymer samples. Calculations indicated that even a coating layer of 0.5 µm could only be dissolved partially after a dissolution time of 250 s. This explains the little impact of coating layer thickness on viscosity development and thus on capillary liquid uptake. Further explanations focus on biopolymer swelling. Simulation showed that coating layers of 0.5 µm are sufficient to cause swelling-induced pore-blocking conditions.Die Rehydratation von Pulvern wird hauptsächlich von physikalischen Eigenschaften, wie Partikelgröße, Porosität und Benetzbarkeit beeinflusst. Bei Lebensmittelpulvern müssen neben diesen Parametern weitere Faktoren berücksichtigt werden. Im Rahmen der Dissertation wurde gezeigt, dass insbesondere dynamische Prozesse, die eine Veränderung der Pulvereigenschaften zur Folge haben, die Rehydratation stark beeinflussen. Hier sind insbesondere Löse- und Quellvorgänge von Bedeutung, die direkt nach dem Kontakt zwischen Pulver und Flüssigkeit initiiert werden. Diese Vorgänge spielen bei Biopolymer-Pulvern, die am Beispiel von Xanthan, Guarkernmehl und Alginat untersucht wurden, eine wichtige Rolle zur Beschreibung des Rehydratation. Durch die speziellen Eigenschaften dieser Biopolymere resultieren Löse- und Quellvorgänge in einem Anstieg der Viskosität sowie in einer Abnahme der Schüttungsporosität. Die Dynamik und die gegenseitige Beeinflussung dieser Prozesse wirkt sich auf den Ablauf der einzelnen Rehydratationsschritte aus. Bei inerten Pulver-Flüssigkeit-Kombinationen lässt sich die kapillare Flüssigkeitsaufnahme in eine Pulverschüttung mithilfe der Washburn-Gleichung beschreiben, die den Kapillardruck mit den hydrodynamischen Fließwiderständen gleichsetzt. Die Gültigkeit des ursprünglichen Ansatzes beschränkt sich auf den Fall konstanter Pulver- und Flüssigkeitseigenschaften. Im Fall der untersuchten Lebensmittelpulver wurden daher die dynamischen Veränderungen durch schrittweise Anpassung der Washburn-Gleichung berücksichtigt. Daher wurden im ersten Teil der Arbeit Methoden zur Beschreibung der dynamischen Veränderungen der physikalischen Pulvereigenschaften etabliert. Die Benetzbarkeit der Pulver mit dest. Wasser wurde mithilfe der Sessile drop-Methode bestimmt. Die dabei gemessenen Kontaktwinkel betrugen 52° für Alginat, 58.1° für Xanthan und 70° für Guarkernmehl. Zur Beschreibung der Porositätsänderung der Pulverschüttung wurde eine rheologische Messanordnung zur Quantifizierung des Quellverhaltens aufgebaut. Der Einfluss der Viskosität wurde sowohl mithilfe der konzentrationsabhängigen Viskositätsänderung als auch dynamisch über die Zeit ermittelt, was Rückschlüsse auf die Lösegeschwindigkeit in hochkonzentrierten Systemen ermöglicht. Basierend auf diesen Ergebnissen zeigte sich, dass die Rehydratation von Guarkernmehl hauptsächlich durch Viskositätseffekte beeinflusst wird, wohingegen Quellprozesse die Haupteinflussfaktoren bei der Rehydratation von Xanthan und Alginat darstellen. Durch weitere Methoden, wie z.B. NMR-Spektroskopie, erfolgte eine Charakterisierung der dynamischen Wechselwirkungen zwischen Pulver und Flüssigkeit sowie der Wasserbindung innerhalb der Biopolymergele. Die Stärke der Wasserbindung korrelierte dabei mit der Stabilität hochkonzentrierter Biopolymeraggregate. Diese wurde mithilfe rheologischer Messungen bestimmt und ist insbesondere für das Dispergierverhalten relevant.
Zur Vorhersage der Rehydratation von Lebensmittelpulvern wurde ein Modell, basierend auf einem VoF-Ansatz, aufgestellt. Die physikalischen Eigenschaften sowie ihre dynamischen Änderungen wurden sowohl zeitlich als auch räumlich aufgelöst, um die kapillare Flüssigkeitsaufnahme in solche Pulversysteme zu simulieren. Um sowohl die Partikel- als auch die Flüssigkeitseigenschaften zu beschreiben, wurde ein Modellsystem aus Biopolymer-gecoateten Glaspartikeln aufgebaut. Durch Variation der Coatingschichtdicke und des -materials konnten die Eigenschaften und die dynamischen Änderungen kontrolliert und beschrieben werden. Der Einfluss von Viskositäts- und Quelleffekten auf den kapillaren Flüssigkeitsanstieg in Pulverschüttungen, wurde mithilfe einer Parameterstudie simuliert.
Die kapillare Flüssigkeitsaufnahme durch die gecoateten Glaskugeln wurde experimentell untersucht. Es zeigte sich, dass auch bei geringen Coatingschichten von 0.5 µm die dynamischen Effekte stark genug sind, um den kapillaren Flüssigkeitstransport zu stoppen. Es konnte zudem gezeigt werden, dass viskose Effekte die Rehydratation von Guarkernmehl dominieren, wohingegen Quellen der vorherrschende Mechanismus bei der Rehydratation von Xanthan und Alginat ist.
Die Simulation der kapillaren Flüssigkeitsaufnahme hat gezeigt, dass der Einfluss der Coatingschichtdicke keinen signifikanten Einfluss auf das Rehydratationsverhalten ausübt. Dieses Ergebnis kann zum einen durch die niedrige Löserate der Biopolymere erklärt werden. Berechnungen ergaben, dass auch die geringste Schichtdicke von 0.5 µm nach einer Zeit von 250 s nur unvollständig gelöst werden konnte. Dies erklärt den geringen Einfluss der Schichtdicke auf die Viskositätsentwicklung und damit auf den kapillaren Flüssigkeitsanstieg. Zum anderen lässt sich dieses Ergebnis durch das ausgeprägte Quellverhalten der Biopolymere erklären. Auch hier sind Coatingschichten von 0.5 µm ausreichend, um einen quell-induzierten Zusammenbruch des Porensystems zu verursachen
Effects of nitrification inhibitors and application technique on trace gas fluxes from a maize field after cattle slurry fertilization
Get PDFIn a time of climate change and against the background of intensive animal husbandry and biogas production in Germany, strategies for mitigation of greenhouse gas (GHG) release and Nitrogen (N) losses from silage maize production become increasingly important, especially for organic fertilizers. Consequently, the main objective of this study was to determine the height of GHG release from silage maize production on a medium textured soil which is typical for this region in Southwest Germany and to evaluate useful fertilization opportunities to mitigate carbon dioxide (CO2) footprint per yield unit. To identify management factors improving GHG budget from silage maize, annual nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) measurements were carried out during maize growth and subsequent black fallow at least weekly. Investigations were conducted over two years on two adjacent fields (one for each study year). Amounts of ammonia (NH3) volatilizations after fertilization and nitrate (NO3-) leaching losses were also included in GHG balances. In dependence on available data, determined or estimated values were used. Additionally, yield and N removal from maize plants were quantified. The basic treatments of this study which investigated impact of fertilizer form and application techniques, were an unfertilized control (CON), a mineral fertilization (MIN), a banded cattle slurry application by trailing hose and subsequent incorporation (INC) and a cattle slurry injection (INJ). As confirmed repeatedly, in contrast to broadcast slurry incorporation, slurry injection efficiently reduced the risk of NH3 losses by direct slurry placement into the soil, but simultaneously provoked N2O formation more strongly, probably due to the anaerobic conditions in the injection slot favoring denitrification. For reducing N2O release from slurry injection, the applicability of six single or combined nitrification inhibitors (NIs) concerning potential GHG reduction were investigated. This N2O reduction should be reached through the desynchronized availability of carbon (C) and NO3-, derived from nitrified slurry ammonium (NH4+). Thus, in the period after slurry application, N2O losses from denitrification as well as from nitrification should be reduced through NIs. For final evaluation, collection of measured and estimated data (including direct and indirect N2O losses (NH3, NO3-), CH4 budget, pre-chain emissions from mineral fertilizer and fuel consumption) were converted into CO2 equivalents and summarized as area- or yield-related GHG balances. Except for one of the INJ treatments with NI (exclusively investigated in the first year) and one INC treatment with NI (exclusively investigated in the second year), all remaining treatments were tested in both experimental years. The height of NH3 emissions from INC treatment (12-23 % of applied NH4+-N) was more weather-dependent than those from INJ treatment (12-15 % of applied NH4+-N). In mean over both years, cumulative N2O emission from INJ treatment (13.8 kg N2O-N ha-1 yr-1), was significantly higher than from CON, MIN, and INC which recorded 2.8, 4.7, and 4.4 kg N2O-N ha-1 yr-1. NIs decreased the fertilization-induced N2O emissions from injection by 36 % (mean over all NIs and years) by an order of magnitude comparable to slurry incorporation. The NIs investigated tended to be categorized in inhibitors with prior and delayed inhibitory maximum. Whether low persistence, or poor biological degradability was an advantage, depended on environmental conditions. A combination of two NIs, one with putative prior and one with delayed release behavior reached the highest N2O reduction. In the additional INC treatment, this NI combination tended to reduce annual N2O release by 20 % in comparison to incorporation without inhibitor. Beside the potential of reducing fertilization-induced N2O emissions, NIs might also help to improve CH4 budgets in silage maize production. In general, CON, MIN and INC were net CH4 sinks in both years with mean uptakes of 460, 127, and 793 g CH4-C ha-1 yr-1, respectively. Conversely, slurry injection resulted in net CH4 emissions of 3144 g CH4-C ha-1 yr-1 (mean over both years). However, NIs tended to reduce CH4 emissions from injection by around 48 % and increased CH4 consumption from slurry incorporation by 20 %. Across all treatments and years, direct N2O emissions were the major contributor to total GHG balance. Yield-related GHG budgets from both years were lowest for CON, followed by INC or MIN treatment and significantly highest for sole slurry injection. NIs decreased fertilization-induced GHG release from injection in mean over both years by order of magnitude comparable with slurry incorporation. Consequently, alongside slurry incorporation and broadcast mineral fertilization, slurry injection combined with recommended NIs was evaluated as an equally appropriate fertilization strategy in terms of the atmospheric burden for livestock farmers.In Zeiten des Klimawandels und vor dem Hintergrund intensiver Tierhaltung und Biogasproduktion in Deutschland gewinnen Treibhausgas (THG)-Emissionen und Stickstoff (N)-Verluste in der Silomaisproduktion, insbesondere beim Einsatz organischer Düngemittel zunehmend an Bedeutung. Ziel dieser Studie war es daher, den THG-Ausstoß für die Silomaisproduktion in einer Region Südwestdeutschlands auf einem für diese Region typischen mittelschweren Boden zu quantifizieren und anhand unterschiedlicher Düngungsstrategien klimafreundliche Methoden mit möglichst geringem CO2-Fußabdruck herauszustellen. Zur Quantifizierung der THG-Bilanzen von Silomais mit unterschiedlichen Reduktionsansätzen, wurden durchgehend über zwei Jahre hinweg mindestens einmal wöchentlich Lachgas (N2O)- und Methan (CH4)-Flüsse gemessen. Zudem wurden indirekte N2O Emissionen (Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-)) erfasst oder geschätzt sowie Silomaiserträge und N-Abfuhren ermittelt. Jedes der beiden Versuchsjahre beinhaltete folgende Basis-Behandlungen: ungedüngte Kontrolle (CON), mineralische Düngung (MIN), Rindergülleapplikation mittels Schleppschlauch und anschließender Einarbeitung (INC) und Rindergülleinjektion (INJ). Im Gegensatz zur oberflächigen Gülleapplikation mit breitflächiger Einarbeitung ist die Gülleinjektion dafür bekannt, NH3-Verluste durch die direkte Platzierung in den Boden effektiver zu mindern, im Gegenzug allerdings die N2O-Bildung zu erhöhen. Um die vermehrte N2O-Produktion dieser Applikationstechnik zu vermindern, wurde der Einsatz sechs verschiedener Nitrifikationsinhibitoren (NIs) zur strategischen THG-Minderung zusätzlich untersucht. Abgesehen von einer INJ-Variante mit NI, die im zweiten Jahr durch eine zusätzliche INC-Variante mit NI ersetzt wurde, wurden alle übrigen Behandlungen in beiden Jahren untersucht. Für die abschließende Bewertung der getesteten Düngungsstrategien wurden die zur THG-Bilanz beitragenden Posten in CO2-Äquivalente umgewandelt und auf Flächen- oder Ertragseinheiten bezogen. Hierbei wurden direkte und indirekte N2O-Emissionen (NH3, NO3-), CH4-Budget, Vorketten-Emissionen für die Mineraldüngerbereitstellung und der Dieselverbrauch für Feldmaßnahmen berücksichtigt. Die Höhe der NH3-Emissionen der INC-Behandlung (12-23 % des gedüngten NH4+-N) war stärker von den Witterungsverhältnissen abhängig als die der INJ-Behandlung (12-15 % des gedüngten NH4+-N). Kumulative N2O-Emissionen der Gülleinjektion betrugen im Mittel über beide Jahre 13.8 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 und lagen damit signifikant über dem Mittel der CON-, MIN-, oder INC-Behandlung, die Emissionen in Höhe von 2.8, 4.7 und 4.4 kg N2O-N ha-1 Jahr-1 verzeichneten. Der Einsatz von NIs reduzierte die jährlichen N2O-Emissionen der Gülleinjektion im Durchschnitt über alle NIs und Jahre um 36 % und machte die Gülleinjektion mit der INC-Behandlung somit vergleichbar. Innerhalb dieser Studie konnten die verwendeten NIs tendenziell in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe mit vermeintlich geringerer Persistenz und früherem Inhibierungsmaximum im Boden und eine Gruppe, deren Substanzen ihre volle Wirkung erst zu einem späteren Zeitpunkt entfalteten. Welche Gruppe eine vermeintlich höhere Inhibierungswirkung aufwies, hing stark von den Umweltbedingungen des jeweiligen Versuchsjahres ab. Die INJ-Variante, die sowohl ein NI mit früherem und späterem Inhibierungsmaximum enthielt, verzeichnete tendenziell das höchste N2O-Reduktionspotential. Für die zusätzliche INC-Behandlung mit NI, wurde ebenfalls diese Wirkstoffkombination angewendet, sie erzielte eine N2O-Reduktion von 20 % im Vergleich zur Gülleeinarbeitung ohne Hemmstoff. Der Einsatz von NIs stellte sich auch für das CH4-Budget als vorteilhaft heraus. Die Behandlungen CON, MIN und INC zeigten in beiden Jahren eine Netto-CH4-Aufnahme mit durchschnittlich 460, 127 und 793 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Im Gegensatz dazu führte eine Gülleinjektion in beiden Jahren zu Netto-CH4-Emissionen mit durchschnittlich 3144 g CH4-C ha-1 Jahr-1. Der Einsatz von NIs reduzierte die Höhe dieser CH4-Emissionen allerdings um rund die Hälfte. Außerdem führte eine inhibierte Nitrifikation bei breitflächiger Gülleeinarbeitung tendenziell zur Erhöhung der CH4-Aufnahme um 20 %. Die direkten N2O-Emissionen hatten, unabhängig von Behandlung oder Jahr, den größten Anteil an der THG-Bilanz. Die geringste ertragsbezogene THG-Bilanz ergab sich für die Variante CON, gefolgt von INC oder MIN, die höchste ergab sich für die INJ-Variante. Allerdings konnten die rein auf die Düngungsmaßnahme bezogenen THG-Emissionen der Gülleinjektion durch den Einsatz von NIs im Mittel über beide Jahre auf ein THG-Niveau abgesenkt werden, das mit der breitflächigen Gülleeinarbeitung vergleichbar war. Somit stellte sich neben einer mineralischen oder oberflächigen Gülleapplikation mit möglichst zeitnaher Einarbeitung, auch die Gülleinjektion als vergleichsweise THG-freundliche Applikationstechnik heraus, vorausgesetzt einer der empfohlenen NIs wurde vorab zugegeben
Knowledge networks in the German bioeconomy : network structure of publicly funded R&D networks
Get PDFAiming at fostering the transition towards a sustainable knowledge-based Bioeconomy (SKBBE), the German Federal Government funds joint and single research projects in predefined socially desirable fields as, for instance, in the Bioeconomy. To analyse whether this policy intervention actually fosters cooperation and knowledge transfer as intended, researchers have to evaluate the network structure of the resulting R&D network on a regular basis. Using both descriptive statistics and social network analysis, I investigate how the publicly funded R&D network in the German Bioeconomy has developed over the last 30 years and how this development can be assessed from a knowledge diffusion point of view. This study shows that the R&D network in the German Bioeconomy
has grown tremendously over time and thereby completely changed its initial structure. While from a traditional perspective the development of the network characteristics in isolation seems harmful to knowledge diffusion, taking into account the reasons for these changes shows a different picture. However, this might only hold for the diffusion of mere techno-economic knowledge. It is questionable whether the artificially generated network structure also is favourable for the diffusion of other types of knowledge, e.g. dedicated knowledge necessary for the transformation towards an SKBBE
United we stand, divided we fall : essays on knowledge and its diffusion in innovation networks
Get PDFKnowledge is a key resource, allowing firms to innovate and keep pace with national and international competitors. Therefore, the management of this resource within firms and innovation networks is of utmost importance. As the collection and generation of (new) knowledge gives such competitive advantage, there is a strong interest of firms and policy makers on how to foster the creation and diffusion of new knowledge. Within four studies, this doctoral thesis aims at extending the literature on knowledge diffusion performance by focussing on the effect of different network structures on diffusion performance as well as on knowledge types besides mere techno-economic knowledge.
Study 1 analyses the effect of different structural disparities on knowledge diffusion by using an agent-based simulation model. It focuses on how different network structures influence knowledge diffusion performance. This study especially emphasizes the effect of an asymmetric degree distribution on knowledge diffusion performance. Study 1 complements previous research on knowledge diffusion by showing that (i) besides or even instead of the average path length and the average clustering coefficient, the (symmetry of) degree distribution influences knowledge diffusion. In addition, (ii) especially small, inadequately embedded agents seem to be a bottleneck for knowledge diffusion in this setting, and iii) the identified rather negative network structures on the macro level seem to result from the myopic linking strategies of the actors at the micro level, indicating a trade-off between optimal structures at the network and at the actor level.
Study 2 uses an agent-based simulation model to analyse the effect of different network properties on knowledge diffusion performance. In contrast to study 1, this study analyses this relationship in a setting in which knowledge is diffusing freely throughout an empirical formal R&D network as well as through four benchmark networks. In addition, the concept of cognitive distance and differences in learning between agents in the network are taken into account. Study 2 complements study 1 and further previous research on knowledge diffusion by showing that (i) the (asymmetry of) degree distribution and the distribution of links between actors in the network indeed influence knowledge diffusion performance to a large extend. In addition, (ii) the extent to which a skewed degree distribution dominates other network characteristics varies depending on the respective cognitive distance between agents.
Study 3 analyses how so called dedicated knowledge can contribute to the transformation towards a sustainable, knowledge-based Bioeconomy. In this study, the concept of dedicated knowledge, i.e. besides mere-techno economic knowledge also systems knowledge, normative knowledge and transformative knowledge, is first introduced. Moreover, the characteristics of dedicated knowledge which are influencing knowledge diffusion performance are analysed and evaluated according to their importance and potential role for knowledge diffusion. In addition, it is analysed if and how current Bioeconomy innovation policies actually account for dedicated knowledge. This study complements previous research by taking a strong focus on different types of knowledge besides techno-economic knowledge (often overemphasized in policy approaches). It shows, that i) different types of knowledge necessarily need to be taken into account when creating policies for knowledge creation and diffusion, and ii) that especially systems knowledge so far has been insufficiently considered by current Bioeconomy policy approaches.
Study 4 analyses the effect of different structural disparities on knowledge diffusion by deducing from theoretical considerations on network structures and diffusion performance. The study tries to answer whether the artificially generated network structures seem favourable for the diffusion of both mere techno-economic knowledge as well as dedicated knowledge. Study 4 especially complements previous research on knowledge diffusion by (i) analysing an empirical network over a long period of time, and (ii) by indicating a potential trade-off between structures favourable for the diffusion of mere techno-economic knowledge and those for the diffusion of other types of dedicated knowledge.
Summing up, it is impossible to make general statements that allow for valid policy recommendations on network structures optimal for knowledge diffusion. Without knowing the exact structures and context, politicians will hardly be able to influence network structures. Especially if we call for knowledge enabling transformations as the transformation towards a sustainable knowledge-based Bioeconomy, creating structures for the creation and diffusion of this knowledge is quite challenging and needs for the inclusion and close cooperation of many different actors on multiple levels.Wissen ist eine Schlüsselressource. Daher ist die Verwaltung dieser Ressource in Unternehmen und Innovationsnetzwerken von größter Bedeutung. Da das Sammeln und Generieren von (neuem) Wissen einen derartigen Wettbewerbsvorteil bietet, besteht ein starkes Interesse seitens Unternehmen und politischen Entscheidungsträgern, die Schaffung und Verbreitung von neuem Wissen zu fördern. Im Rahmen dieser Doktorarbeit soll in vier Studien die Literatur zu Wissensdiffusion erweitert werden, indem die Auswirkungen verschiedener Netzwerkstrukturen sowie die verschiedener Wissensarten in den Mittelpunkt gestellt werden.
Studie 1 analysiert die Auswirkungen struktureller Unterschiede auf die Wissensdiffusion unter Verwendung eines agentenbasierten Simulationsmodells. Der Fokus liegt hierbei darauf, wie verschiedene Netzwerkstrukturen die Leistung der Wissensverbreitung beeinflussen. Diese Studie betont insbesondere den Effekt einer asymmetrischen Gradverteilung auf die Wissensdiffusionsleistung. Studie 1 ergänzt bisherige Arbeiten zu Wissensdiffusion, indem sie zeigt, dass (i) neben oder sogar anstelle der durchschnittlichen Pfadlänge und des durchschnittlichen Clustering-Koeffizienten die (Symmetrie der) Gradverteilung die Wissensdiffusion stark beeinflusst. Außerdem scheinen (ii) besonders kleine, unzureichend eingebettete Akteure ein Engpass für die Wissensverbreitung in diesem Umfeld zu sein.
Studie 2 verwendet ein agentenbasiertes Simulationsmodell, um die Auswirkungen verschiedener Netzwerkeigenschaften auf die Leistung der Wissensdiffusion zu analysieren. Im Gegensatz zu Studie 1 analysiert diese Studie die freie Verbreitung von Wissen in einem empirischen, formalen FuE-Netzwerk sowie in vier Benchmark-Netzwerken. Darüber hinaus werden das Konzept der kognitiven Distanz und Unterschiede beim Lernen zwischen Agenten im Netzwerk berücksichtigt. Studie 2 ergänzt Studie 1 und weitere Forschung, indem sie zeigt, dass (i) die (Asymmetrie) der Gradverteilung und die Verteilung der Verbindungen zwischen den Akteuren des Netzwerks tatsächlich die Leistung der Wissensdiffusion stark beeinflussen. (ii) Das Ausmaß, in dem eine Verteilung der Verbindungen andere Netzwerkcharakteristiken dominiert, variiert in Abhängigkeit von der jeweiligen kognitiven Entfernung zwischen den Agenten.
In Studie 3 wird analysiert, wie sogenanntes dediziertes Wissen zur Transformation hin zu einer nachhaltigen, wissensbasierten Bioökonomie beitragen kann. In dieser Studie wird zunächst das Konzept des dedizierten Wissens eingeführt, d. H. neben rein techno-ökonomischem Wissen auch Systemwissen, normatives Wissen und transformatives Wissen. Darüber hinaus werden die Merkmale des dedizierten Wissens analysiert und entsprechend ihrer Bedeutung und möglichen Rolle für die Wissensverbreitung bewertet. Darüber hinaus wird analysiert, ob und wie die aktuelle Innovationspolitik der Bioökonomie tatsächlich dediziertes Wissen berücksichtigt. Diese Studie ergänzt die bisherigen Forschungsarbeiten, indem sie neben technoökonomischem Wissen (das in politischen Ansätzen oft überbewertet wird) einen starken Fokus auf verschiedene Arten von Wissen legt. Es zeigt sich, dass i) unterschiedliche Arten von Wissen notwendigerweise bei der Erstellung von Strategien zur Schaffung und Verbreitung von Wissen berücksichtigt werden müssen, und ii) dass insbesondere Systemwissen bislang in aktuellen Bioökonomiepolitikstrategien nicht ausreichend berücksichtigt wurde.
Studie 4 analysiert die Auswirkungen verschiedener struktureller Ungleichheiten auf die Wissensdiffusion, indem aus theoretischen Überlegungen die Diffusionsleistung hergeleitet wird. Die Studie versucht zu beantworten, ob die künstlich erzeugten Netzwerkstrukturen für die Verbreitung von rein technoökonomischem Wissen sowie von dediziertem Wissen günstig erscheinen. Studie 4 ergänzt insbesondere die bisherigen Forschungsarbeiten, indem sie (i) ein empirisches Netzwerk über einen langen Zeitraum analysiert und (ii) einen potenziellen Zielkonflikt aufzeigt zwischen Strukturen, die für die Verbreitung von rein technoökonomischem Wissen günstig sind, und solchen für die Verbreitung anderer Arten von dediziertem Wissen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es nicht möglich ist, allgemein gültige Aussagen und politische Handlungsempfehlungen zu optimalen Netzwerkstrukturen zu treffen. Ohne die genauen Strukturen und Zusammenhänge zu kennen, kann die Politik kaum Einfluss auf Netzwerkstrukturen und Wissensverbreitung nehmen. Insbesondere wenn wir nach Wissen verlangen, das eine Transformation zu einer nachhaltigen, wissensbasierten Bioökonomie ermöglicht, stellt die Schaffung von Strukturen für die Verbreitung dieses Wissens eine große Herausforderung dar und erfordert die Einbindung und enge Zusammenarbeit vieler verschiedener Akteure auf mehreren Ebenen
Nitrous oxide emissions and mitigation strategies in winter oilseed rape cultivation
Get PDFAfter carbon dioxide and methane, nitrous oxide, is the third most important greenhouse gas in the atmosphere. Nitrous oxide contributes to the greenhouse gas effect as well as to ozone depletion. The major portion of anthropogenic N2O emissions are stimulated by the use of nitrogen fertilizers in agriculture. The main processes for N2O production in soils are nitrification and denitrification. Various environmental and management factors such as precipitation, soil type, tillage, and crop residues affect these processes. N2O emissions can occur substantially in the post-harvest period. In Germany, approximately 50 % of the annual N2O emissions can occur during winter. This exhibits the importance and necessity of annual data sets which prevent misinterpretations instigated by investigations
limited to the vegetation period. Winter oilseed rape is the most important raw material for biodiesel in Germany. As of 2018, the framework of the European Renewable Energy Directive requires that the use of biofuels achieve GHG savings of at least 50 % compared to fossil fuels. Feedstock production for biodiesel contributes more than half of the total GHG emissions. To close the nutrient cycle with renewable energy, digestate from biogas plants can be used as a substitute for mineral N fertilizer permitting the reduction of GHG emissions in the production process of synthetic fertilizers. When compared to other crops, OSR has a high N demand. The low N removal by the seeds results in inefficient use of nitrogen and therefore a high N surplus in the soil which is susceptible to gaseous or leaching losses to the environment. Another potential risk for N2O losses are crop residues after harvest. The type of soil cultivation can have both positive and negative implications on N2O emissions which depend, among other things, on tillage depth, soil type and moisture. Results from studies measuring N2O emissions from different tillage systems are contradicting and site dependent.
This study aims to investigate the effect of (a) N fertilization (mineral and organic), (b) nitrification inhibitors, (c) crop residues and (d) tillage on direct N2O emissions and, inter alia, yield and soil nitrogen dynamics in OSR production. N2O emissions were monitored for three years over a range of N fertilization levels at five study sites chosen so as to best represent typical winter oilseed rape production in Germany. Furthermore, the effect of the nitrification inhibitor (NI) TZ+MP (1H-1,2,4-triazole and 3- methylpyrazole) with digestate is investigated. Additional experiments for 15N labelled crop residues, nitrification inhibitor DMPP (3,4-dimethylepyrazole phosphate) with mineral fertilizer and soil tillage were implemented.
A high spatial and temporal variability in N2O fluxes over all sites was observed. At each site, increased N2O fluxes were often detected after N fertilization in conjunction with rainfall events. During the first six weeks after harvest we frequently observed increased N2O fluxes following rainfall. In this postharvest period of winter oilseed rape, nitrate contents in the top soil were generally elevated. There were no considerable N2O pulses observed during thawing of frozen soil. Winters were mild without any severe frost periods in all three surveyed years which could be a reason for the generally low N2O winter fluxes observed in this study. On
all examined sites, increasing N fertilization significantly enhanced N2O flux rates. Data obtained during the study were used to augment an existing model, wherefrom a new emission factor for OSR can be calculated. Assuming a quantity of 200 kg N ha-1 the global fertilizer-related emission factor derived from the exponential model was 0.6 %. This factor
is within the uncertainty range of the EF1 IPCC emission factor (0.3 % 3.0 %), but about 40 % lower than the 1 % IPCC default. The nitrification inhibitor (NI) TZ+MP combined with digestate mitigated the N2O fluxes
significantly across all study sites and experimental years. As already noted in the fertilizer experiment, a high spatial and temporal variability in N2O fluxes over all sites was observed. The magnitudes of the N2O fluxes also showed similar trends. Over the entire investigation, the application of the NI significantly reduced annual N2O emission by a factor of three. During the fertilization period this mitigation effect was six times significant. This clearly emphasizes the importance of annual data sets to avoid overestimating NI effects.Lachgas ist nach Kohlendioxid und Methan das drittwichtigste klimawirksame Spurengas in der Atmosphäre. N2O ist am Treibhauseffekt, sowie am Ozonabbau beteiligt. Der größte Anteil der anthropogenen N2O-Emissionen wird durch die Landwirtschaft verursacht, hier hauptsächlich durch den Einsatz von Stickstoffdüngern. Stickstoff (N) in unterschiedlichen Verbindungen, ist das Ausgangssubstrat aller N2O bildenden Prozesse in Böden. Die wichtigsten Prozesse sind hierbei die Nitrifikation und die Denitrifikation. Verschiedene Steuergrößen wie beispielsweise die Niederschlagsintensität, Bodenart, Bodenbearbeitung, sowie Ernterückstände, beeinflussen die Größenordnung der gebildeten N2O-Emissionen. Die Bewirtschaftung beeinflusst jedoch nicht nur die Bildung von N2O während der Vegetationsperiode, sondern hat auch Auswirkungen auf die drauffolgenden Nachernteemissionen. In Deutschland können Winteremissionen bis zu 50 % der gesamten N2O-Jahresemission betragen. Dies macht deutlich, wie bedeutend ganzjährige Messkampagnen für eine aussagekräftige Klimawirksamkeit von Anbausystemen sind. Winterraps (Brassica napus L.) ist der wichtigste Rohstoff für die Biodieselproduktion in Deutschland. Die im Jahr 2009 von der Europäische Union verabschiedete Richtlinie für erneuerbare Energie (Renewable Energy Directive; RED, 2009), zählt zu den wichtigsten Nachhaltigkeitsbestimmungen rund um die Produktion von Biokraftstoffen. In dieser Richtlinie erfolgte unter anderem die Festlegung, dass Biodiesel ab 2018 gegenüber fossilen Brennstoffen ein Treibhausgasminderungspotential von mind. 50 % aufweisen muss. Mehr als die Hälfte der Treibhausgase in der Biodieselherstellung entstehen während der Rohstoffproduktion in der Landwirtschaft, N2O kann bis zu 88 % daran beteiligt sein (Hoefnagels et al., 2010). Winterraps ist im Vergleich zu anderen Kulturpflanzenarten durch einen hohen Stickstoffbedarf charakterisiert. Durch eine ungünstige NAusnutzung besteht überdies ein besonderes Risiko von Umweltbelastungen durch NAusträge in die Umwelt. In der Literatur werden von Stickstoffüberschüssen bis zu 90 kg N ha-1 berichtet, welche ein hohes Potential für N2O missionen, sowie Nitratauswaschung darstellen. Eine weitere potenzielle Quelle für Lachgasemissionen bilden die auf dem Feld zurück belassenen Ernterückstände. In dieser Studie wird der Einfluss der Stickstoffdüngung (mineralisch und organisch), Nitrifikationsinhibitoren (zu mineralischem und organischem N-Dünger), Ernterückständen und Bodenbearbeitung auf direkte N2O-Emissionen, Ertrag und der Bodenstickstoffdynamik im Rapsanbau untersucht. Über drei Jahre hinweg wurden in mindestens wöchentlichen Abständen an fünf verschiedenen Standorten in Deutschland N2O-Flussraten in Winterraps, so wie in den Folgekulturen Winterweizen und Wintergerste, gemessen. An den jeweiligen Standorten wurde ein Parzellenversuch mit einheitlichen Versuchsvarianten angelegt, an welchen der Einfluss von unterschiedlicher Stickstoffmenge als Mineraldünger auf annuelle N2OEmissionen untersucht wurde. Zusätzlich wurden Untersuchungsvarianten zur organischen Düngung (Gärsubstrat) mit und ohne Nitrifikationshemmstoff (NI) angelegt. Am Standort Hohenheim (Versuchsstation Ihinger Hof) wurden ergänzend Versuche mit Ernterückständen mittels 15N-Isotopentracer durchgeführt. Zudem wurde der Einfluss eines NI zur mineralischen Düngung und der Einfluss der Bodenbearbeitung auf N2OEmissionen untersucht. Die N2OFlussraten der Standorte zeigten über die Studie hinweg eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität. Erhöhte Flüsse wurden häufig nach der Düngung in Zusammenhang mit Niederschlagsereignissen gemessen. Auch in den ersten sechs Wochen der Nachernteperiode wurden vielfach erhöhte N2O-Raten nach Niederschlag gemessen. Während dieses Zeitraums waren die Nitratgehalte des Oberbodens allgemein erhöht. Innerhalb der Projektlaufzeit wurden an keinem Standort nennenswerte Frost-Tau-induzierte N2OEmissionen beobachtet. Allgemein waren die gemessenen N2OFlussraten der gesamten Studie niedrig. Über alle Standorte hinweg konnte ein Effekt der Düngung nachgewiesen werden. Am Standort Merbitz (toniger Boden) wurden die höchsten, an den sandigen Standorten Berge und Dedelow die niedrigsten Flussraten gemessen. Eine Ausnahme stellte der Standort Hohenschulen, welcher trotz hohem Sandanteil, deutlich höhere N2OEmissionen aufwies als die übrigen sandigen Standorte. Die erhobenen düngerinduzierten N2O-Emissionen wurden in ein bestehendes Modell (Walter et al. 2015) implementiert, wodurch ein neuer Emissionsfaktor für Winterraps berechnet werden konnte. Bei einer Düngermenge von 200 kg N ha-1 ermittelte das Exponentialmodell einen düngerbezogenen Emissionsfaktor von 0,6 %. Dieser Wert liegt innerhalb des Unsicherheitsbereichs (0,3 % 3,0 %) des IPCC Emissionsfaktor EF1, liegt jedoch 40 % niedriger als der vom IPCC ausgegebene Standardwert von 1 %
Negative affective states in customers service experience : investigating antecedents and mitigations
Get PDFPrevious research has provided various insights into the potential benefits and competitive advantages of customer participation (Bendapudi and Leone 2003). For instance, customer participation can lower production costs and improve productivity (Lovelock and Young 1979; Mills and Morris 1986), service quality, customer satisfaction (Bendapudi and Leone 2003; Chan et al. 2010; Dong et al. 2015), and opportunities for promotion (Bettencourt 1997). Hence, many companies create a new customer experience by making the customer a co-creator of value (Ramaswamy and Gouillart 2010). However, observing people trying to print their own luggage tags and checking in at an airport or assembling IKEA furniture reveals emotions that are not always positive. Customers appear to be overtaxed, irritated, unhappy, and distressed. This phenomenon is especially relevant for services that are crucial for customers and that cause them to feel some kind of pressure (e.g., time), that are hard to understand, or are in any way upsetting. For instance, in one of their studies, Berry et al. (2015) found that patients in hospitals experienced such stress due to the service process and newspapers often also report on the problem of customers feeling helpless at banks (Adamu 2015). Attributable to the growing number of tasks that customers have to fulfill, yet, they are not driven by failures in the process but by stressors within the service process. Such stressors could arise from industry-specific knowledge that customers often do not have (e.g., financial expertise), the high relevance of the service to a customers life (e.g., medical services), or high time pressure (e.g., the need to catch a flight). However, organizations might not be aware of such stressors, and research about negative emotions, particularly stress due to physical and mental overload and strain in customer participation, is lacking. Service organizations, however, might benefit from such research, as managers must be aware of potential stressors and the possibility that customers could become stressed due to the characteristics of the service itself. Greater knowledge in this area would enable managers to respond to customer stress appropriately, e.g., by altering the service design or process and by training their employees to intervene when necessary.
This thesis seeks to fill in this gap within two empirical studies (chapter 2 and 3). As a means of investigating negative customer emotions in services with flawless delivery, customer participation stress (CPS) is introduced as a new construct to service marketing research. The definition of CPS builds on established definitions of stress from general and organizational psychology and links them to the behavioral aspects of customer participation.
While CPS is a negative emotion that occurs within the service process, some services are affected by negative emotions that have already emerged before the actual service encounter and/or are the initial reason the customer has come to the service provider. These services, such as medical or funeral services, can be summarized as negative services (Dasu and Rao 1999; Morgan and Rao 2006). It might be a challenge for service organizations to actively engage customers in such services, yet their professional reputations are vital to their ability to remain in business; methods of how such service providers may increase customer engagement are outlined in chapter 3.
While previous studies have presented valuable insights into positive emotions in the customer experience, negative emotions due to service failure, and the service process of negative services, research to date has not covered knowledge about negative customer emotions in flawless customer experiences with a focus on jointly created value of employee and customer and a comprehensive definition and boundaries of negative services. This thesis seeks to fill in these gaps with three distinct but related studies, two quantitative and one conceptual; answering to the following research questions:
1. Which demands and resources of the participation process cause CPS and how does CPS influence customer participation behavior?
2. What are the consequences of CPS and how do they influence customers evaluation of a service?
3. How can the characteristics of the participation process and customers predispositions mitigate unwanted psycho-physical and behavioral outcomes of CPS?
4. What characterizes negative services and how can providers of such service be more successful by engaging customers?In der bisherigen Forschung haben zahlreiche Studien gezeigt, dass Kundenintegration im Dienstleistungssektor positive Auswirkungen hat, darunter bspw. eine höhere Servicequalität und eine Erhöhung der Kundenzufriedenheit. Im Gegensatz dazu haben die negativen Aspekte der Kundenintegration bisher wenig Beachtung in der Forschung wie auch in der Unternehmenspraxis gefunden. Die Dissertation umfasst zwei Beiträge, die Einflussfaktoren und Auswirkungen von Kundenintegrationsstress untersuchen und Möglichkeiten aufzeigen, die unerwünschten Auswirkungen von Kundenintegrationsstress zu reduzieren. Ein dritter Beitrag befasst sich mit negativen Dienstleistungen, welche für den Kunden bereits vor Inanspruchnahme der Leistung mit negativen Emotionen verknüpft sind
Bio-effectors for improved growth, nutrient acquisition and disease resistance of crops.- 2nd unrevised edition
No full textRecent scientific approaches to sustain agricultural production in face of a growing world food demand, limited natural resources, and ecological concerns have been focusing on biological processes to support soil fertility and healthy plant growth. In this context, the use of bio-effectors, comprising living (micro-) organisms and active natural compounds, has been receiving increasing attention. In contrast to conventional fertilizers and pesticides, the effectiveness of bio-effectors is essentially not based on the substantial direct input of mineral plant nutrients, neither in inorganic nor organic forms, nor of a-priori toxic compounds. Their direct or indirect effects on plant performance are rather based on the functional implementation or activation of biological mechanisms, in particular those interfering with soil-plant-microbe interactions.
The general objective of the present research work was to improve the empirical and conceptual understanding concerning the utilization of bio-effectors in agricultural practice, following the principles of plant growth stimulation, bio-fertilization and bio-control.
One main aspect of investigation was the application of bio-effectors to improve the efficiency of phosphorus (P) acquisition by the plant. Promising bio-preparations based on microbial inoculants (e.g. Bacillus, Pseudomonas, Trichoderma species) as well as natural compounds (e.g. algae extracts, humic acids) were tested in screening assays, greenhouse, and field experiments to characterize their potential effectiveness under varying environmental conditions. The most significant effects on plants appeared under severely low phosphate availability, but even under controlled conditions, bio-effectors required a narrow range of conductive environmental settings to reveal their potential effectiveness.
Another focus of research was the application of bio-effectors to control soil borne pathogens, which typically appear in unsound crop rotations. Emphasis was set on take-all disease in wheat induced by the fungus Gaeumannomyces graminis. While the effectiveness of oat precrops to control take-all in subsequent wheat has been attributed to microbial changes and enhanced manganese (Mn) availability in soils, the take-all fungus is known to decrease the availability of Mn by oxidation. Against this background, the effectiveness of oat precrops and alternative crop management strategies to improve the Mn status and suppress the severity of take-all in wheat was investigated under controlled and field conditions. In conclusion, none of the tested supplemental treatments, such the application of microbial bio-effectors, stabilized ammonium or manganese fertilizers, could fully substitute for the multiple effectiveness of oat precrops, which was further confirmed by the results of a field experiment.
Finally, some general conclusions and perspectives are summarized. Selected bio-effectors showed a strong capacity to improve the nutrient acquisition and healthy growth of crop plants under controlled conditions, but not in field experiments. However, even under controlled conditions the strongest effects occurred when plants were exposed to abiotic or biotic stresses, such as severely limited P availability or pathogen infestation of the soil substrate, still restricting plant growth to unproductive levels. Facing this situation, there is no perspective to improve the field efficiency of promising bio-effectors applications as a stand-alone approach. The only chance to develop viable alternatives to the conventional use of fertilizers or pesticides, for an ecological intensification of agriculture that maintains high yield levels, seems to be a reasonable integration of bio-effectors into the whole crop management of sound agricultural practice.Angesichts eines weltweit wachsenden Bedarfs an Nahrungsmitteln, begrenzter natürlicher Ressourcen und ökologischer Probleme streben neuere wissenschaftliche Ansätze zur nachhaltigen Gestaltung der Landwirtschaft verstärkt die Nutzung biologischer Prozesse zur Föderung der Bodenfruchtbarkeit und eines gesunden Kulturpflanzenwachstums an. In diesem Zusammenhang hat der Einsatz von Bio-Effektoren, einschließlich lebender (Mikro-)Organismen und wirkaktiver Naturstoffe, wachsendes Interesse gefunden. Im Gegensatz zu konventionellen Düngemitteln und Pestiziden beruht die Wirksamkeit von Bio-Effektoren nicht auf dem substantiellen Direkteintrag von Pflanzennährstoffen, weder in anorganischer noch organischer Form, noch von a priori toxischen Stoffen. Die direkten oder indirekten Wirkungen von Bio-Effektoren auf die Pflanze basieren vielmehr auf der Implementierung oder Aktivierung von biologischen Wirkungsmechanismen, insbesondere solcher die mit den Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismen interferieren.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das Verständnis zur Nutzung von Bio-Effektoren in der landwirtschaftlichen Praxis anhand der prinzipiellen Wirkungskategorien von direkter Stimulans des Pflanzenwachstums, biologischer Pflanzenernährung (bio-fertilization) und biologischem Pflanzenschutz (bio-control) zu erweitern.
Ein Hauptaspekt galt der Anwendung von Bio-Effektoren um die Aneignungseffizienz von Phosphor (P) durch die Pflanze zu steigern. Aussichtsreiche Präparate, basierend auf mikrobiellen Inokula (z.B. Bacillus, Pseudomonas, Trichoderma Spezies) als auch Naturstoffen (z.B. Algenextrakte, Huminsäuren), wurden in Screeningassays, Gewächshaus- und Feldversuchen getestet um ihr Wirkungspotential unter variablen Umweltbedingungen zu charakterisieren. Die stärksten Effekte traten unter Bedingungen mit sehr geringer Phosphatverfügbarkeit auf, jedoch selbst unter kontrollierten Bedingungen war der Einfluss förderlicher und teilweise eng bestimmter Umweltfaktoren notwendig um die Wirksamkeit von Bio-Effektoren zu zeigen.
Ein weiteres Thema war der Einsatz von Bio-Effektoren zur Bekämpfung bodenbürtiger Krankheitserreger, welche durch unausgewogene Fruchtfolgen gefördert werden. Die Untersuchungen befassten sich insbesondere mit der Schwarzbeinigkeit des Weizens, einer bedeutenden Wurzelkrankheit hervorgerufen durch den Pilz Gaeumannomyces graminis. Eine effektive Vorfrucht zur Bekämpfung der Schwarzbeinigkeit ist Hafer, was in Zusammenhang mit mikrobiellen Veränderungen im Boden und einer erhöhten Verfügbarkeit von Mangan (Mn) für die Folgefrucht Weizen gestellt wurde. Vor diesem Hintergrund wurde die Wirksamkeit von Hafer als Vorfrucht im Vergleich mit alternativen Maßnahmen des pflanzenbaulichen Managements zur Steigerung der Mn-Versorgung und Bekämpfung der Schwarzbeinigkeit in Weizen untersucht. Fazit war, daß keine der getesten Alternativmaßnahmen, wie die Anwendung mikrobieller Bio-Effektoren, stabilisierten Ammonium- oder Mangandüngers, die vielseitige Vorfruchtwirkung von Hafer vollständig substituieren konnte, was auch durch die Ergebnisse eines Feldversuches bestätigt wurde.
Abschließend folgen generelle Schlussfolgerungen aus der vorliegenden Arbeit und sich daraus ergebende Perspektiven zur Nutzung von Bio-Effektoren. Ausgewählte Bio-Effektoren zeigten unter kontrollierten Bedingungen ein hohes Wirkungspotential zur Förderung der Nährstoffaneignung und des gesunden Wachstums von Kulturpflanzen, nicht jedoch in Feldversuchen. Zudem waren die stärksten Effekte dann zu beobachten, wenn die Pflanzen abiotischen oder biotischen Stresssituationen, wie stark limitierter P-Verfügbarkeit oder einem pathogenbelasteten Bodensubstrat, ausgesetzt waren, welche das Pflanzenwachstum auch weiterhin auf ein unproduktives Maß beschränkten. Diese Ergebnisse eröffnen keine Perspektive den praktischen Nutzen von Bio-Effektoren durch Einzelmaßnahmen zu steigern. Vielmehr schein der einzig erfolgversprechende Ansatz leistungsfähige Alternativen zum konventionellen Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden für eine ökologische Intensivierung der Agrarproduktion auf hohem Ertragsniveau zu entwickeln, eine sinnvolle Integration von Bio-Effektoren in das gesamte pflanzenbauliche Management einer fachgerechten Landwirtschaft zu sein
Functional characterization of 9-O-acetyl esterases of enterohemorrhagic Escherichia coli
No full textEnterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) können während einer Infektion den menschlichen Dickdarm kolonisieren und konkurrieren mit kommensalen E. coli und anderen Darmbakterien um limitierte Nährstoffe. Gobletzellen des Dickdarms produzieren das Glykoprotein Muzin, wodurch eine mukosale Barriere entsteht, die kommensale Bakterien nicht durchbrechen können. Das am häufigsten vorkommende Glykoprotein im Mukus des Dickdarms ist Muzin 2 (MUC2). Dieses stark O-glykosylierte Protein enthält in seiner Glykanstruktur endständig Neuraminsäuren, welche an bis zu 4 C-Atomen O-Acetylierungen aufweisen können. Eine O-Acetylierung inhibiert die Aktivität von Glykosidasen, wodurch das Glykoprotein nicht degradiert werden kann. Viele apathogene und pathogene E. coli tragen chromosomal ein nanS Gen, welches für eine 9-O-Acetylesterase kodiert. NanS ist für den Neuraminsäurestoffwechsel von Neu5,9Ac2 notwendig. Durch die de-O-Acetylierung entstehen Neu5Ac und Acetat. Beide Verbindungen können als Energiequellen genutzt werden. Die beiden in dieser Arbeit verwendeten EHEC O157:H7 Stamm EDL933 und O104:H4 Stamm C227-11Φcu kodieren für weitere 9-O-Acetylesterasen, deren Gene sich auf Prophagen befinden. In der vorliegenden Arbeit wurden die enzymatischen Funktionen der Prophagen-kodierten 9-O-Acetylesterasen bezogen auf den Kohlenhydratmetabolismus und während der Infektion in vitro weiter charakterisiert. Da Neu5Ac nicht nur am C9, sondern auch an C4, C7 und C8 O-acetyliert sein kann, wurde mittels HPTLC und nanoESI MS Analysen das Substratspektrum rekombinant exprimierter NanS-p analysiert. Die Ergebnisse zeigten eine de-O-Acetylierung von bis zu dreifach O-acetylierten Neuraminsäuren aus Rinderdrüsenspeichelmuzin. Während an C4 keine de-O-Acetylierung stattfand, konnten O-Acetylgruppen an C7, C8 und C9 abgespalten werden. Diese enzymatische Aktivität fand auch bei Glykan-gebundenen Neuraminsäuren statt, wodurch diese zugänglich für Sialidasen wurden. Weitere Analysen zeigten einen NanS-p abhängigen Abbau von Muzin im Zellkulturversuch. Hierfür wurde die humane Epithelzelllinie LS 180 verwendet. Während der Wildtyp O157:H7 EDL933 das Muzin nach vierstündiger Infektion fast vollständig abbauen konnte, war die Deletionsmutante EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p7 nicht fähig, die Muzinschicht zu degradieren. Die Mutante EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p5 konnte während der Infektion lediglich einen geringen Anteil des Muzins abbauen. Da 9-O-Acetylesterasen anderer Organismen die Adhärenz an Epithelzellen vermitteln, wurde auch in der vorliegenden Arbeit überprüft, inwiefern NanS-p in vitro das Anheften von EHEC an Darmepithelzellen beeinflussen. Die Ergebnisse der durchgeführten Adhärenzassays mit HT-29 Zellen bestätigen den Einfluss von NanS-p auf die Adhärenz von O157:H7 EDL933 und O104:H4 C227-11Φcu an die Darmepithelzellen. Nach einstündiger Infektion adhärierten Deletionsmutanten EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p7 und C227-11ΦcuΔnanS-p11-nanS-p14 signifikant weniger als die Stämme O157:H7 EDL933 und O104:H4 C227-11Φcu. Während die Deletionsmutante O157:H7 EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p5 gleiches Adhärenzverhalten wie der Wildtyp aufweist, zeigt die Mutante C227-11ΦcuΔnanS-p11-nanS-p12 im durchgeführten Assay eine verringerte Adhärenz an Epithelzellen als der Wildtyp O104:H4 C227-11Φcu. Hier wurde erneut der Gendosiseffekt sichtbar. Durch die Zugabe von rekombinant exprimiertem und aufgereinigtem NanS-p1-His zur Infektion konnte die Deletionsmutante EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p7 das Adhärenzverhalten des Wildtypes O157:H7 EDL933 erreichen. Wurde zur Infektion mit C227-11ΦcuΔnanS-p11-nanS-p14 NanS-p15-His zugegeben, wurden im Vergleich zum Wildtyp O104:H4 C227-11Φcu signifikant mehr adhärente Bakterien detektiert. Weitere Analysen zeigten zudem einen Einfluss der NanS-p auf die Motilität. Stämme O157:H7 EDL933 und O104:H4 C227-11Φcu weisen im Schwimmversuch durch das Vorhandensein kleiner Mengen an Neuraminsäuren eine verringerte Motilität auf. Alle verwendeten Deletionsmutanten EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p5, EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p7, C227-11ΦcuΔnanS-p11-nanS-p12 und C227-11ΦcuΔnanS-p11-nanS-p14 zeigten ein erhöhtes Schwimmverhalten im Vergleich zu wildtypischen Stämmen O157:H7 EDL933 bzw. O104:H4 C227-11Φcu. Durch die Zugabe von 80 mM Acetat zu Schwimmplatten zeigten die Deletionsmutanten EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p7 und C227-11ΦcuΔnanS-p11-nanS-p14 eine verringerte Motilität. Durch die enzymatische Aktivität der O-Acetylesterasen entstehen Neu5Ac und Acetat. Beide Verbindungen können Genexpressionen in Bakterien beeinflussen und somit die Nischen-Kolonisierung unterstützen. Zusammengefasst bestätigen die Ergebnisse, dass O-Acetylesterasen aus EHEC eine wichtige Funktion während der Infektion aufweisen, indem sie die Motilität beeinflussen, notwendig zum Durchbrechen der mukosalen Barriere sind und dem Bakterium am Darmepithel die Adhärenz vermitteln.Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) colonize the human colon and compete against commensal E. coli for limited nutrition. Colonic goblet cells produce glycoproteins called mucin, which are part of the mucosal barrier. This barrier is free of bacterial penetration and is important for the protection of the epithelium. The main glycoprotein in the large intestine is mucin 2 (MUC2), which is heavily O-glycosylated with terminal glycan-bounded sialic acids. These aminosugars naturally exists with up to four O-acetylgroups at position C4, C7, C8 and C9. The grade of O-acetylation acts as a protection for enzymatic degradation by glycosidases. Commensal E. coli and the pathogenic strain O157:H7 EDL933 encodes the single chromosomal 9-O-acetylesterase NanS, which is important for the metabolismus of sialic acids by de-O-acetylation of Neu5,9Ac2 to the basic structure Neu5Ac and Acetate. Both can be used as an energy source. Pathogenic E. coli O157:H7 EDL933 and O104:H4 C227-11Φcu encode further several prophage-encoded 9-O-acetylesterases (NanS-p). Recent studies demonstrated that NanS-p producing EHEC bacteria reveal a higher replication rate in Neu5,9Ac2 containing medium compared with commensal E. coli. This could be an advantage during colonization in human large intestine, where Neu5,9Ac2 is the most common sialic acid in mucins. The aim of this study was to further characterize the enzymatic function of prophage-encoded 9-O-acetylesterases in carbohydrate metabolism and during infection in vitro. To analyze the NanS-p mediated cleavage of mucin-derived O-acetylneuraminic acids, HPTLC and nanoESI MS analyses were performed. The results revealed, that recombinant expressed NanS-p cleave-off acetyl residues from up to tri-O-acetylated Neu5Ac and Neu5Gc. While NanS-p were able to de-O-acetylate glycan-bounded sialic acids at positions C7, C8 and C9, the tested enzymes were not able to hydrolyze the acetyl ester from position C4. The lower specificity of the NanS-p leads to higher availability of mucin-derived substrates for sialidases of commensal bacteria B. thetaiotaomicron. Further analyses reveal a NanS-p dependent mucin degradation in cell culture assays. Mutant strains EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p7 and EDL933ΔnanSΔnanS-p1-nanS-p5 were not able to degrade the mucinlayer, while the wildtype strain O157:H7 EDL933 could disrupt the mucosal barrier of LS 180 cells. The NanS-p dependent adherence of O157:H7 EDL933 and O104:H4 C227-11Φcu to epithelial cells HT-29 was demonstrated by performing adherence assays. The deletion of nanS-p genes revealed less adhered bacteria compared to wildtype strains. Further performed swimming assays could show the impact of NanS-p on motility. The wildtype strains O157:H7 EDL933 and O104:H4 C227-11Φcu have shown less motility compared to nanS-p deletion mutants. Taken together, NanS-p show an important role during infection and could contribute to the preferred colonization of the large intestine due to their impact of the motility, disruption of the mucosal barrier and mediation of adherence of EHEC to the epithelium
Determination of potentially hazardous oxidation products in cosmetics containing lanolin or 1-(1,2,3,4,5,6,7,8-octahydro-2,3,8,8-tetramethyl-2-naphthalenyl)ethanone (OTNE)
Get PDFCosmetic products are important consumer goods in the "non-food" sector, which should not have negative effects of the human health. Critical compounds, however, can be formed by the oxidation of an unsaturated organic compound.Thereby formed oxidation products with potentially adverse properties are well known from the food sector. As the oxidation of cosmetic ingredients, however, has less been studied, the oxidation of selected cosmetic ingredients with respect to the formation of potentially critical compounds was investigated within the framework of this thesis.The oxidation of cholesterol to various cholesterol oxidation products (COPs) was investigated in a first step.COPs are known from the food sector and are suspected of causing certain diseases such as arteriosclerosis.Cosmetic products have not yet been tested for COPs, although a versatile ingredient used only in cosmetic products, lanolin, contains above-average levels of the cholesterol, which is the precursor.Total COPs contents in cosmetics containing lanolin, namely lip care products, fat creams and ointments for nursing women were in the low percent range (up to 3 %) and were thus several orders of magnitudes higher than the contents found in food.The oxidation of fragrances was studied in the second part of this work.The subject is not new as the oxidation of terpenes to contact allergens has been studied in earlier studies. The oxidation of other fragrances was hardly investigated. In order to extend our knowledge in this field, the oxidation of a synthetic fragrance frequently used in perfumes, octahydro tetramethyl naphthalenyl ethanone (OTNE) was studied. Obtained results indicated that peroxides of OTNE were formed during oxidation.It was found out that the OTNE oxidation even occurs, when perfumes are stored indoors under normal temperature and light conditions. An in-vivo test showed that OTNE oxidation can be expected on the skin after application of a perfume.Kosmetische Produkte sind wichtige Konsumgüter des Non-Food Sektors, die keine negativen Effekte auf die Gesundheit des Mensches haben soll. Kritische Verbindungen können jedoch auch durch Folgereaktionen aus kosmetischen Inhaltsstoffen gebildet werden. Ein Beispiel für eine Folgereaktion ist die Oxidation einer ungesättigten organischen Verbindung.Dabei gebildete Oxidationsprodukte mit potentiell gesundheitsgefährdenden Eigenschaften sind aus dem Lebensmittelbereich bekannt. Da die Oxidation von kosmetischen Inhaltsstoffen weniger untersucht ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Oxidation von ausgewählten kosmetischen Inhaltsstoffen im Hinblick auf die Bildung potentiell kritischer Verbindungen betrachtet.Im ersten Schritt wurde die Oxidation von Cholesterin zu verschiedenen Cholesterinoxidationsprodukten (COPs) untersucht. COPs sind aus dem Lebensmittelbereich bekannt und stehen im Verdacht, bestimmte Krankheiten wie Arteriosklerose hervorzurufen. Kosmetische Mittel wurden bisher nicht auf COPs untersucht, obwohl ein nur in kosmetischen Produkten vielseitig eingesetzter Inhaltsstoff, Lanolin, überdurchschnittlich hohe Gehalte am Vorläufer Cholesterin enthält. Gesamt COPs Gehalte in kosmetischen Mitteln mit Lanolin, nämlich Lippenpflegeprodukte, Fettcremen und Salben für stillende Frauen, waren im niedrigen Prozentbereich (bis 3 %) und lagen damit um einige Größenordnungen über den in Lebensmitteln gefundenen Gehalten.Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Oxidation von Duftstoffen untersucht. Frühere Studien thematisierten die Oxidation von Terpenen zu Kontaktallergenen. Die Oxidation anderer Duftstoffe wurde kaum untersucht. Um die Kenntnis in diesem Bereich zu erweitern, wurde die Oxidation eines häufig in Parfums eingesetzten, synthetischen Duftstoffes, Octahydrotetramethylnaphthalenylethanon (OTNE), untersucht.Erhaltene Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei der Oxidation Peroxide von OTNE gebildet wurden.Dass die OTNE Oxidation bereits bei Lagerung der Parfums im Innenraum unter normalen Temperatur- und Licht-Bedingungen erfolgt, wurde durch einen Lagerungstest herausgefunden. Ein in-vivo Test zeigte zudem, dass mit der OTNE Oxidation auf der Haut nach Anwendung eines Parfums zu rechnen ist
Radial tree growth dynamics and xylem anatomy along an elevational gradient in the El Sira Mountains, Peru
Get PDFThe explicit purpose of this study was to (1) characterize climate and vegetation along the western slope of the Cerros del Sira (Peru), (2) evaluate radial tree growth along this slope in response to seasonal rainfall anomalies, (3) reveal how the meteorological environment controls tree radial stem growth, and (4) to investigate how xylem anatomy relates to dynamics of tree growth. From May 2011 until September 2015, radial stem growth of 67 trees was monitored using point-dendrometers, and meteorological parameters were measured within five sites along an elevational gradient. Additionally, tree dimensions (stem diameter, stem height) and xylem anatomical traits (mean vessel diameter, vessel frequency, cumulative vessel area and potential hydraulic conductivity) were determined. The transect extends from lowland terra firme forests (ca. 250 m asl) over submontane forests, late and mid successional montane cloud forests up to exposed elfin forests (ca. 2200 m asl). Continuous rainfall records for remote tropical areas are extremely rare and measurements along this transect are also incomplete. Monthly rainfall estimates by the TRMM PR satellite ("product 3B42") were highly correlated with rain gauge observations, although they underestimate rainfall at high elevations. Different intra-annual tree growth patterns could be identified within each elevational forest type, showing species/individuals with seasonally independent continuous or alternating growth patterns and strictly seasonal growth. Stem growth at each site was typically higher during rainy seasons, except for in the elfin forest. The rainy season from October 2013 to March 2014 was extraordinarily dry, with only 73 % of long-term mean precipitation received, which resulted in reduced tree radial growth rates, again with the exception of the elfin forest. Different analytical approaches revealed that precipitation is the main growth-controlling factor at lower elevations, especially during rainy seasons. Growth within montane and cloud forests positively correlates to solar radiation. Tree growth within the elfin forest is only weakly correlated to meteorological parameters, but dry conditions during dry seasons promote growth. It was hypothesized that (1) individuals/species with large vessel diameters and low vessel frequencies have higher radial growth rates, but are more vulnerable to relatively dry periods. Therefore, (2) they are more likely to grow seasonally and predominantly during rainy seasons, (3) their growth during the exceptionally dry rainy season 2013/14 was more constrained, and (4) their growth is generally closer correlated to meteorological parameters. Larger trees tend to have larger vessel diameters, which positively relates to radial growth rates, and they also tend to grow more seasonal. As hypothesized, trees having large vessel diameters are more sensitive to droughts, as indicated by stronger positive correlations with rainfall and negative with solar radiation. However, in mountainous forests, relations between xylem anatomical traits and tree growth dynamics seem to be more complex. In late-successional cloud forests, growth of trees with large vessel diameter is positively, while of trees with small vessel diameter negatively related to solar radiation. Sensitivity to the dry rainy season 2013/14, expressed as relative reduction in growth compared to "normal" rainy seasons, could not be explained by xylem anatomical traits, contradicting the preceded hypothesis. Tropical lowland rainforest species, especially individuals with large vessels, will likely suffer from increasing drought frequencies and intensities. How montane forest ecosystems will react to a (globally) changing climate is rather uncertain, especially in exposed elfin forests. Results of this study suggest that species of late-successional tropical montane forests may profit from higher temperatures. While montane tropical rain forests may also suffer from prolonged droughts, exposed ridges covered by elfin forests still receive plenty of precipitation and may benefit from receiving more solar radiation for photosynthesis and, thus, grow faster.Der explizite Zweck dieser Studie bestand darin, (1) das Klima und die Vegetation entlang der westlichen Flanke des El Sira Gebirges (Peru) zu charakterisieren, (2) die Reaktion radialer Baumzuwächse auf saisonale Regenanomalien entlang des Höhengradienten zu bewerten, (3) die Abhängigkeit des radialen Stammzuwachses von Klimaparametern zu analysieren und (4) zu prüfen, inwiefern xylem-anatomische Eigenschaften des Baumes die Wachstumsdynamik beeinflussen. Von Mai 2011 bis September 2015 wurden radiale Stammzuwächse von 67 Bäumen mit vollautomatischen Punkt-Dendrometern erfasst und meteorologische Parameter an fünf Standorten entlang eines Höhengradienten gemessen. Zusätzlich wurden die Bäume vermessen (Stammdurchmesser, Stammhöhe) und xylem-anatomische Merkmale (mittlerer Gefäßdurchmesser, Gefäßfrequenz, kumulierte Gefäßfläche und potentielle hydraulische Leitfähigkeit) erfasst. Der Transsekt erstreckt sich von Terra-Firme Wälder des Tieflandes (ca. 250 m ü. NN) über submontane Wälder, montane Nebelwälder mittlerer und später Sukzessions-Stadien bis hin zu exponierten Elfenwäldern (ca. 2200 m ü. NN). Kontinuierliche Niederschlagsaufzeichnungen für entlegene tropische Regionen sind extrem selten, und auch Messungen entlang dieses Transekts sind unvollständig. Die monatlichen Niederschlagsschätzungen des TRMM PR-Satelliten (Product 3B42) ließen sich allerdings in hohem Maße mit direkten Niederschlagsmessungen korrelieren, unterschätzten jedoch den Niederschlag in höheren Lagen. Innerhalb eines jeden Waldtypes konnten unterschiedliche jährliche Baumzuwachsmuster identifiziert werden. Es gibt Arten/Individuen mit kontinuierlichen oder alternierenden Zuwachsmustern unabhängig von den Jahreszeiten und streng saison-gebundenen Wachstumsverhalten. Im Allgemeinen war das Wachstum der Bäume an allen Standorten während den Regenzeiten größer, mit Ausnahme des Elfenwaldes. Die Regenzeit von Oktober 2013 bis März 2014 war außergewöhnlich trocken. Lediglich 73% der langfristigen mittleren Niederschläge wurden ermittelt, was wiederum zu geringeren radialen Zuwächsen führte, außer im Elfenwald. Verschiedene analytische Ansätze haben gezeigt, dass Niederschlag in niedrigeren Lagen der Hauptwachstumsfaktor ist, insbesondere während den Regenzeiten. Das Wachstum in Montan- und Nebelwäldern korreliert positiv mit der Globalstrahlung. Das Baumwachstum im Elfenwald ist nur schwach mit meteorologischen Parametern korreliert, aber trockene Bedingungen während der Trockenzeit fördern das Wachstum. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass (1) Individuen/Arten mit großen Gefäßdurchmessern und geringer Gefäßdichte größere radiale Wachstumsraten aufweisen, jedoch anfälliger für Trockenstress sind. Daher ist es wahrscheinlich, (2) dass diese saisonal und vorwiegend während der Regenzeit wachsen, (3) das Wachstum während der außergewöhnlich trockenen Regenzeit 2013/14 geringer war, und (4) das Wachstum in der Regel enger mit meteorologischen Parametern korreliert ist. Größere Bäume weisen in der Regel größere Gefäßdurchmesser, sowie höhere Zuwachsraten auf und wachsen eher saisonal. Wie angenommen, reagieren Bäume mit großem Gefäßdurchmesser empfindlicher auf niederschlagsarme Phasen, was durch stärkere positive Korrelationen mit Niederschlag und negative mit Sonneneinstrahlung angezeigt wird. In Bergwäldern scheinen jedoch die Beziehungen zwischen den anatomischen Eigenschaften des Xylems und der Wachstumsdynamik der Bäume komplexer zu sein. In spät-sukzessionalen Nebelwäldern ist das Wachstum von Bäumen mit großem Gefäßdurchmesser positiv, und von Bäumen mit kleinen Gefäßdurchmessern negativ korreliert mit der Globalstrahlung. Die Empfindlichkeit gegenüber der trockenen Regenzeit 2013/14, ausgedrückt als relative Verringerung des Wachstums im Vergleich zu normalen Regenzeiten, konnte nicht durch xylem-anatomische Eigenschaften erklärt werden, was der vorangegangenen Hypothese widerspricht. Tropische Tieflandregenwälder, hier insbesondere Individuen mit weiten Gefäßen, werden wahrscheinlich unter zunehmenden Häufigkeiten und Intensitäten von trockenen Phasen leiden. Wie das Waldökosystem der Bergwälder auf ein sich (global) änderndes Klima reagieren wird, ist allerdings ziemlich ungewiss, vor allem in exponierten Elfenwäldern. Die Ergebnisse dieser Studie deuten jedoch darauf hin, dass tropisch montane Baumarten der späten Sukzession von höheren Temperaturen profitieren könnten. Während montane tropische Regenwälder auch unter längeren Trockenperioden leiden könnten, werden an exponierten Bergkämmen mit Elfenwäldern noch reichlich Niederschläge verzeichnet. Elfenwald-Arten könnten somit davon profitieren, dass sie mehr Sonnenstrahlung für die Photosynthese erhalten und somit auch für das Wachstum