University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna
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Spatial and spatio-temporal statistical (learning) models for low-flow estimation in Austria
No full textHydrologische Trockenheit und Niederwasser sind Naturereignisse, die enorme ökologische, wirtschaftliche und soziale Kosten verursachen. Ihre Auswirkungen reichen von Engpässen bei der Wasserversorgung, Reduktion der Stromerzeugung aus Wasserkraft, bis hin zu Ernteausfällen. Deshalb ist es wichtig Niederwasser präzise zu schätzen, um die Wasserbewirtschaftungsstrategien daran anpassen zu können. Diese Arbeit umfasst vier Publikationen mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten zur Modellierung von Niederwasser. Der erste Artikel untersucht die Eignung von standardisierten Trockenheitsindizes für die Modellierung von Niederwasser. Die Resultate verdeutlichen, dass unterschiedliche Berechnungsmethoden für Trockenheitsindizes zu großen Unterschieden in der Klassifizierung von Trockenereignissen führen. Der zweite Artikel bewertet die Güte verschiedener statistischer Lernmodelle zur Schätzung eines langjährigen Niederwasserkennwerts. Die Modelle werden getrennt für Winter- und Sommerniederwasser erstellt. Alle Modelle erreichen eine hohe Modellgüte für Niederwasser im Sommer und eine etwas geringere Genauigkeit für Niederwasser im Winter. Die dritte Publikation untersucht die Eignung eines baumbasierten Verfahrens für einen monatlichen Niederwasserindex. Dieses Raum-Zeit-Modell legt ein besonderes Augenmerk auf extreme Niederwasserereignisse. Dazu wird eine asymmetrische Verlustfunktion verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die allgemeine Modellgüte mit der verbesserten Prognose von Extremereignissen abnimmt. Eine Gewichtung verschiedener Fehlermaße kann jedoch verschiedene Stärken des Modells kombinieren, wie z.B. die allgemeine Modellgüte und die Genauigkeit der Vorhersage von Extremereignissen. Die abschließende Publikation verknüpft Modelle des statistischen Lernens mit geostatistischen Ansätzen. Das beste getestete Modell ist eine Kombination aus der Schätzung des saisonalen Niederwasserregimes mit einem nicht-linearen Modell und Topkriging der Residuen.Hydrological droughts and low-flows are natural hazards that cause enormous environmental, economic and social costs. Their impacts range from shortage in water supply, losses in hydropower production, to crop failure. Hence, accurate modeling of low-flow is a crucial task to increase the resilience of societies and to sharpen water management strategies. This thesis consists of four articles with different research focuses on modeling low-flow. First, the suitability of standardized drought indices for low-flow modeling is examined. Results reveal major uncertainties, leading to an unreliable drought classification. The second publication tests a variety of statistical learning models to predict the long-term average low-flow for the winter and summer hydrological seasons. All statistical learning models demonstrate high performance for summer low-flow, and a slightly lower performance for winter low-flow. The third article evaluates the prediction accuracy of a single space-time model on a monthly low-flow index. The flexibility of a tree-based boosting model is exploited to pay particular attention to extreme low-flows by assessing the value of asymmetric loss functions - in particular, expectile loss. Results indicate that there is a trade-off between overall model performance, performance for extreme low-flows and detection of extreme events. The last research aspect combines statistical learning models and geostatistical approaches in a hierarchical space-time framework for modeling monthly low-flows. The best tested model is a combination of estimating the seasonal low-flow regime using a model-based boosting approach and applying topkriging to the residuals. The model-based boosting method can provide a good approximation of the average seasonal low-flow conditions based on similarities in catchment characteristics. In contrast, topkriging uses spatial proximity structures of neighboring catchments to estimate deviations from the seasonal low-flow regime.submitted by Johannes LaimighoferDissertation Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit deutscher Zusammenfassun
Backfähigkeit von Weizen-Populationssorten (Ökologisch heterogenes Material) unter konventionellen und biologischen Anbaubedingungen
No full textFür eine effiziente und nachhaltige Getreideproduktion bedarf es neben der Optimierung von Anbaumethoden auch einer Optimierung der Getreidesorten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Eignung von Weizen-Populationssorten (ökologisch heterogenes Material, OHM). Bei der Populationszüchtung wird nicht auf das Genom eines Individuums selektiert, sondern es soll der Genpool einer ganzen Ausgangspopulation verbessert werden. Durch eine große genetische Variabilität innerhalb der Sorte und nur mäßiger phänotypischer Homogenität ist OHM in der Lage, sich besser an schwankende Umweltbedingungen anzupassen. Für diese Arbeit wurden aus dem Erntejahr 2021 12 Weizensorten (9 Linien- und 3 Populationssorten) sowie 3 Sortenmischungen an 3 Orten in 2 Ländern (AT, CH), konventionell und biologisch angebaut, untersucht. Die Proben wurden hinsichtlich der Mehl- und Backqualität charakterisiert. Es wurden chemische Parameter, rheologische Eigenschaften sowie das Backvolumen des österreichischen Semmelbackversuches (RMT) ermittelt. Die Resultate zeigten, dass Brandex Population und Mv Elit CCP gute Backergebnisse liefern und anhand der erhobenen Resultate, gemäß den Richtlinien der AGES und des Bundessortenamts, die Kriterien für die Qualitätsgruppe Mahlweizen erfüllen. Solibam Floriddia unterschied sich signifikant von den beiden anderen OHM und erfüllte nicht die Kriterien eines Qualitätsweizens. Weiters zeigte sich, dass die Sortenmischungen aus zwei Liniensorten im Vergleich zu den jeweiligen Liniensorten zwar keine signifikante qualitative Aufbesserung der Backwaren aufwiesen, jedoch im Mittel einen Trend der Ertragssteigerung verzeichneten. Die gewonnenen Informationen ergeben, dass geeignete und angepasste Populationssorten in der Zukunft eine brauchbare Alternative zu herkömmlichen Liniensorten darstellen könnten. Um einen verlässlichen und eindeutigen Schluss über die Backeignung von Populationssorten ziehen zu können, bedarf es weiterer Untersuchungen mehrerer Erntejahre.verfasst von Caroline HeidenMasterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit englischer Zusammenfassun
Einfluss verschiedener landwirtschaftlicher Bodenbearbeitungsmethoden auf Nitratauswaschung und oberflächliche Stickstoffausträge in Pyhra
No full textStickstoff wird in der Landwirtschaft durch Düngung ausgebracht, um die Produktivität zu steigern. Dieser kann jedoch durch Erosion und Oberflächenabfluss oder Nitratauswaschung in Oberflächengewässer oder ins Grundwasser gelangen und deren Wasserqualität beeinträchtigen. Langzeitversuche haben gezeigt, dass konservierende Bodenbearbeitung einen positiven Einfluss auf Erosion, oberflächliche Stickstoffverluste und Bodengesundheit hat. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der langjährigen Bodenbearbeitungsmethoden konventionelle Bodenbearbeitung, Mulchsaat und Direktsaat auf den Stickstoffverlust infolge Nitratauswaschung und oberflächlich durch Erosion und Oberflächenabfluss während des Maisanbaus im Frühling/Sommer in Pyhra zu untersuchen und zu vergleichen. Es wurde erwartet, dass die konservierende Bodenbearbeitung die Stickstoffverluste reduziert. Bodenproben wurden für bodenphysikalische und chemische Untersuchungen genommen. Saugkerzen wurden eingebaut und das Monitoring der Erosionsplots weitergeführt. Die Bodenbearbeitung zeigte einen Einfluss auf bodenphysikalische und chemische Größen, die mit Infiltrationsprozessen und der Stickstoffdynamik zusammenhängen. Die konventionelle Bodenbearbeitung wies mit 0,42 t/ha den größten Bodenabtrag und Direktsaat mit 33,6 mm den größten Oberflächenabfluss sowie mit 2,63 kg N/ha den größten oberflächlichen Stickstoffverlust auf. Mit dem unter Direktsaat größten Nitrat-N-Gehalt von 3,29 mg N/kg Boden in der auswaschungsrelevanten Schicht und die aus der Wasser-Isotopen-Methode hervorgehende am größten zu erwartende Versickerung, ist die größte Nitratauswaschung in der Wachstumsperiode 2023 unter Direktsaat zu erwarten. Somit ist entgegen der Hypothese, unter Direktsaat der größte Stickstoffverlust durch Nitratverlagerung und oberflächlichen Stickstoffverlusten zu erwarten, welcher einen negativen Effekt auf den Grundwasser- und Gewässerschutz hat.Nitrogen is applied in agriculture through fertilization to increase productivity. However, nitrogen can also get into surface water or groundwater through erosion and surface runoff or by nitrate leaching causing deterioration of water bodies. Long-term tillage experiments have also shown that conservation tillage has a positive effect on soil erosion, surface nitrogen losses and soil health. A reduction in nitrate leaching by conservation tillage has also been demonstrated in studies at other sites, but not at Pyhra. The objective of this work is to investigate and compare the effects of the long-term tillage methods conventional tillage, mulch tillage and no-till on nitrogen loss by nitrate leaching from the vadose zone and surface nitrogen loss by erosion and surface runoff during spring/summer maize cultivation in Pyhra. Conservation tillage was expected to reduce nitrogen losses. Disturbed and undisturbed soil samples were collected in March before tillage for soil physical analysis and in March, April, and June for chemical analysis. Suction cups were installed and erosion monitoring continued. Tillage was found to have effects on soil physical and chemical parameters which are related to infiltration processes and soil nitrogen dynamics. Conventional tillage had the greatest soil loss at 0.42 t/ha, no-till had the greatest surface runoff at 33.6 mm, and no-till had the greatest surface nitrogen loss at 2.63 kg N/ha. With the largest nitrate-N content under no-till of 3.29 mg N/kg soil in soil water in the leaching-relevant layer and the largest expected infiltration determined by the water stable isotope method, the potentially largest nitrate leaching during the 2023 growing season is expected under no-till. Contrary to the hypothesis, the greatest total nitrogen loss from nitrate leaching and surface nitrogen losses is expected under no-till. Thus, no-till has a negative effect on groundwater and water quality protection.verfasst von Ann-Kathrin PeschkeMasterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit englischer Zusammenfassun
Zukunftsoptionen für Einkaufsstraßen am Beispiel der Währinger Straße : quantitative und qualitative Untersuchungen zum Einfluss der Verkehrsmittelwahl auf das Einkaufsverhalten
No full textAktuelle wirtschaftliche Entwicklungen sowie die Digitalisierung und Globalisierung stellen für den lokalen Einzelhandel eine große Herausforderung dar, am Markt überleben zu können. Für ein gutes Fortbestehen lokaler Einkaufsmöglichkeiten ist es daher unerlässlich, herauszufinden, welche Ansprüche die Kundschaft hat und wie sich diese verändern. Bereits bei der Anreise der Kund:innen zu den Geschäften sollte im Sinne des Klimaschutzes in allen Bereichen auf Nachhaltigkeit geachtet werden. In dieser Arbeit wird am Beispiel der Äußeren Währinger Straße untersucht, mit welchen Verkehrsmitteln Kund:innen zum Einkaufen kommen, welche Faktoren für die Verkehrsmittelwahl entscheidend sind und welche Verbesserungsmaßnahmen aus Sicht der Kund:innen möglich wären, um das Einkaufserlebnis zu verbessern. Dazu wurden sowohl eine quantitative als auch eine qualitative Erhebung mittels Fragebogen und vertiefenden Interviews durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mehrheit der Kund:innen bereits öffentliche Verkehrsmittel oder den Fußweg nutzt, während der Anteil der Autofahrer:innen gering ist. Die Untersuchung zeigt auch, dass Personen zwischen 30 und 59 Jahren, aus Mehrpersonenhaushalten und mit höherem Bildungsabschluss die Hauptkund:innengruppe der Währinger Straße bilden. Die wichtigsten Bereiche für Verbesserungen aus Sicht der Befragten sind Verkehrsorganisation, Aufenthaltsqualität und das gastronomische Angebot. Es ist jedoch zu beachten, dass eine Neugestaltung unterschiedliche Auswirkungen auf die verschiedenen Geschäfte in der Straße haben wird, auch eine Veränderung des Branchenmixes wäre denkbar. Die Untersuchung zeigt Unterschiede zwischen umweltfreundlich orientierten und autoaffinen Personen. Umweltverbund-nutzende Personen sind tendenziell jünger und haben vielfältigere Einkaufsgewohnheiten. Insgesamt betont die Arbeit die Bedeutung der Förderung umweltfreundlicher Verkehrsmittel und der Verbesserung der Aufenthaltsqualität in Einkaufsstraßen.Current economic developments as well as digitalisation and globalisation pose a great challenge for local retailers to survive in the market. In order to ensure the continued existence of local shopping opportunities, it is therefore essential to find out what the demands of customers are and how they are changing. Starting with the customers' journey to the shops, sustainability should be taken into account in all areas. This thesis uses the example of Äußere Währinger Straße to investigate the modes of transport customers use to do their shopping, which factors are decisive for their choice of transport and which improvement measures would be possible from the customers' point of view in order to improve the shopping experience. For this purpose, both a quantitative and a qualitative survey were conducted by means of questionnaires and in-depth interviews. The results show that the majority of customers already use public transport or walk, while the proportion of car drivers is low. The survey also shows that people between 30 and 59 years of age, from multi-person households and with a higher level of education form the main customer group of Währinger Straße. The most important areas for improvement from the respondents' point of view are traffic organisation, quality of stay and the gastronomic offer. However, it should be noted that a redesign will have an impact on the different shops in the street, which might require an adjustment of the retail mix. Analysis shows differences between environmentally friendly people and those with an affinity for cars. People who use environmentally friendly forms of mobility more often tend to be younger and have more diverse shopping habits. Overall, the work emphasises the importance of promoting environmentally friendly modes of transport and improving the quality of stay in shopping streets.verfasst von Julia BauerMasterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 2023 07/2023Mit englischer Zusammenfassun
Effects of weather and climate on Golden Eagle (Aquila chrysaetos) breeding performance in the Northern Limestone Alps
No full textDer Klimawandel macht sich in den europäischen Alpen bereits stärker als im globalen Mittel bemerkbar und wird sich voraussichtlich verstärken. Dies hat Folgen für Gebirgsökosysteme, in denen Steinadler (Aquila chrysaetos) als Top-Prädatoren eine Schlüsselrolle spielen. Um Auswirkungen des Klimawandels auf Schlüsselarten besser zu verstehen, untersuchte diese Studie Steinadler-Brutdaten der letzten 36 Jahre in den Nördlichen Kalkalpen. Effekte von Temperatur und Niederschlag auf die Brutwahrscheinlichkeit, sowie den Schlupf- und Nestlingserfolg wurden analysiert. Anschließend wurden Zeittrends einflussreicher Wetterfaktoren über den gesamten Studienzeitraum ausgewertet, um zu verstehen, wie das Klima die Brutparameter beeinflusst. Nach kalten, niederschlagsreichen Wintern begannen Steinadler wahrscheinlicher mit der Brut, während kaltes, regnerisches Wetter während der späten Inkubationsphase mit einem höheren Schlupferfolg korrelierte. Weder Temperatur noch Niederschlag konnten den Nestlingserfolg prognostizieren. Alle Brutparameter wiesen eine hohe jährliche Variabilität auf. Die Klimatrends konnten die Brutwahrscheinlichkeit nicht vorhersagen, jedoch stieg der Schlupferfolg mit zunehmender Niederschlagshäufigkeit über die Zeit. Der Nestlingserfolg und die Produktivität nahmen über die Zeit leicht ab. Wettereinflüsse bestimmen die Brutleistung wahrscheinlich nicht nur durch direkt, sondern auch indirekt, da Temperatur und Niederschlag die Ressourcenverfügbarkeit verändern. Zudem ist die standardisierte Erhebung solcher Langzeitdaten schwierig, weshalb ein Beobachtungsbias insbesondere bei der Beurteilung des Schlupferfolges nicht ausgeschlossen werden kann. Letztlich hat das Wetter einen komplexen Einfluss auf die Brutleistung der Steinadler, der sich im zukünftigen Klimawandel verstärken könnte. Besorgniserregend aufgrund der Ergebnisse ist die Zunahme von warmen Wintern und Extremwetterereignissen im Alpenraum.The European Alps experience a more rapid climate change than the global average, which is expected to continue to intensify. This affects mountain ecosystems, in which Golden Eagles (Aquila chrysaetos) play a key role as apex predators. To understand possible impacts of ongoing climate change on keystone species, this study examines 36 years of Golden Eagle breeding data from the Northern Limestone Alps. Effects of temperature and precipitation were assessed on breeding probability, hatching and nestling success. Identified influential weather predictors were thereafter assessed as time-trends over the entire study period, to understand how climate shapes breeding parameters. Following cold winters with high precipitation, eagles were more likely to breed, while a cold and rainy later incubation period correlated with increased hatching success. Neither temperature nor precipitation predicted nestling success. High annual variability was observed in all breeding parameters, but climate trends could not predict breeding probability over time. However, hatching success over time became more likely with more frequent precipitation events. Nestling success and productivity decreased slightly over the study period. The breeding performance of Golden Eagles is likely not just determined by direct weather influences, but also indirectly as temperature and precipitation alter resources in terms of flight conditions and prey availability. Furthermore, such long-term data are difficult to gather in a standardized manner, why an observation bias, particularly in assessing hatching success, cannot be ruled out. To summarise, weather has complex and fine-scaled effects on Golden Eagle breeding performance which may become more pronounced under future climate change. Based on the findings, the predicted warming in mild winters and increase in extreme weather events in the Alps is of particular concern.Masterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit deutscher Zusammenfassun
Befriedigung von Wohnbedürfnissen als mögliche Diversifikation von Forstbetrieben
No full textDie langfristigen Entwicklungen im Kerngeschäft der Holzproduktion zwingen Forstbetriebe zu einer immer effizienteren Nutzung all ihrer Ressourcen und Erfolgspotentiale. Dabei sind diese im Sinne der Diversifikation auch hinsichtlich ihres Einsatzes in anderen Geschäftsfeldern zu evaluieren. Vor diesem Hintergrund befasst sich die gegenständliche Masterarbeit mit der Befriedigung von Wohnbedürfnissen, wobei neben der Verwertung des bestehenden Gebäudebestands auch die Optionen von Baurechtsvergabe, Ankauf und Neubau thematisiert werden. Dazu wird auf Basis einer Literaturrecherche ein kursorischer Überblick über die einschlägigen Rechtsmaterien von der Raumordnung über das Bau- und Mietrecht bis zum Denkmalschutz erarbeitet. Den verschiedenen steuerlichen Aspekten wird besonderes Augenmerk gewidmet. Auf Grundlage von insgesamt fünf Experteninterviews wird ein Einblick in die Praxis vermittelt. Dazu wurden drei Vertreter von Forstbetrieben sowie zwei einschlägig im steuerlichen Bereich versierte Personen befragt. Während einzelne Immobilien durchaus auch eine wirtschaftliche Belastung darstellen können, kommt Bauen im Grünland andererseits auch ein gewisses Maß an Exklusivität zu. Bei Nutzungsänderungen sind aus steuerlicher Sicht insbesondere das Aufdecken stiller Rücklagen sowie Auswirkungen im Bereich der Einheitsbewertung zu beachten.The economic developments in timber production require a continuously increasing efficiency in the utilization of resources and potentials for success. This not only in the forestry core business but also in terms of diversification. Satisfying permanent housing needs is investigated in this context. The thesis addresses options for existing buildings as well as issues like the leasing of sites for building, the purchase of buildings and the construction of new buildings on behalf of forest enterprises. Legal issues range from development laws, planning and building regulations, rent law to the regulations in regard to the protection of historical monuments. The various aspects of taxation are of special interest. Literature research is supplemented by a total of five interviews with experts in this field. Three respondents represent forest enterprises whereas the other two are specialists for tax issues. Individual buildings my pose an economic burden. Contrary, buildings in undeveloped areas are somewhat exclusive. A change in utilization may trigger the dissolving of undisclosed reserves as well as a higher level of assessed values.verfasst von Elisabeth Agnes DirnbacherMasterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit englischer Zusammenfassun
Impact of particle density on the mobility of microplastics in sediments
No full textMikroplastik (MP) wird vermehrt in der Umwelt gefunden. Es kann durch den Boden bis ins Grundwasser gelangen. Die Bewegung von MP im Boden wird durch seine physikalischen Eigenschaften wie Form, Größe und Dichte beeinflusst, ist aber noch wenig untersucht. Diese Arbeit untersucht den Einfluss der Dichte von MP-Partikeln auf ihr Transportverhalten im Boden. Es wurden Säulenversuche mit zwei verschiedenen porösen Medien (Kies und Glaskugeln) durchgeführt, und fluoreszierendes Polyethylen (PE) MP (27-35 μm) mit unterschiedlicher Dichte (0,995 g/cm3, 1 g/cm3, 1,12 g/cm3) und einem konservativen Tracer verwendet. Aus den Konzentrationskurven und -profilen (RPs) wurde Information zur Mobilität der Partikel ermittelt. Die MP-Bewegung in beiden porösen Medien zeigte relativ ähnliche Muster, da die Körnungsverteilung ähnlich ist (2-4 mm für Kies, 3 mm für Glaskugeln). Mit 0.1% wurden nur wenige schwere Partikel (ρ ≈ 1,12 g/cm3) im Sickerwasser gefunden, verglichen mit 20-23% der Partikeln mit einer Dichte nahe dem Wasser (ρ ≈ 1 g/cm³), und 5-6% der leichtesten Partikeln (ρ ≈ 0,995 g/cm³). Rund 94-96% der schweren Partikel werden in den porösen Medien zurückgehalten, verglichen mit 73-76% für die mittleren Dichtepartikel und 86-87% für die leichteren Partikel. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Partikel mit einer Dichte nahe dem Wasser (ρ ≈ 1 g/cm³) am mobilsten zu sein scheinen, und schwerere Partikel (ρ ≈ 1,12 g/cm³) größtenteils in porösen Medien zurückgehalten werden und sehr wenig Mobilität zeigen. Partikel mit der niedrigsten Dichte (ρ ≈ 0,995 g/cm³) sind weniger mobil als Partikel mit einer Dichte nahe dem Wasser, aber mobiler als schwere Partikel. Mikroplastikdichte beeinflusst die Bewegung in porösen Medien, aber Boden und Fließraten spielen ebenfalls eine Rolle. Die Überwachung der MP-Verschmutzung im Boden ist für den Schutz des Grundwassers unerlässlich.submitted by Anastasiia BolshakovaMasterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 202
Nonlinear and nonparametric methods for statistical shape analysis
No full textDie Morphologie ist ein Kernteil der Evolutionsbiologie und beschreibt die Erforschung visueller Merkmale und deren Variabilität. Zur Analyse von solchen Merkmalen wurden Methoden entwickelt, welche beispielsweise auf definierte Schlüsselpunkte auf Organismen basieren. Für den Einsatz solcher Methoden werden manuell visuelle Merkmale extrahiert, was als fehleranfällige bzw. zeitaufwendige Prozedur gilt und die Nutzung zur Quantifizierung der Biodiversität einschränkt.Motiviert davon werden heute Modelle des maschinellen Lernens zur autonomen Verarbeitung eingesetzt. Anders als bei traditionellen Methoden basieren diese Modelle nicht auf in Studien vorgeschlagenen visuellen Merkmalen, übertreffen aber typischerweise die Genauigkeit von traditionellen Methoden. Dieser hohen Genauigkeit steht eine geringe Nachvollziehbarkeit gegenüber, was die Anwendung für biologische Probleme einschränkt. Um die Modelle des maschinellen Lernens gewinnbringend für die Biodiversitätsforschung einsetzen zu können, müssen erklärende Faktoren der Modelle aufgedeckt werden.In dieser Arbeit werden solche erklärenden Faktoren analysiert und deren Nutzbarkeit für biologische Problemstellungen untersucht. Die Hypothesen dieser Dissertation sind, dass Methoden des maschinellen Lernens biologisch relevante Merkmale lernen können und diese für die Erforschung der Biodiversität nutzbar sind. Um diese Hypothesen zu evaluieren wird eine neue Methode zur Extraktion von erklärenden Faktoren vorgestellt und mit traditionellen Ansätzen verglichen. Als Basis für die Experimente wurden Nilbuntbarsch (Oreochromis niloticus) sowie Nutzpflanzen-Datenbanken verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass faltende Autoencoder und Gauß’sche latente Variablemodelle morphologische Strukturen extrahieren, welche den in Studien genutzten Strukturen ähneln. Es wird basierend auf den Ergebnissen empfohlen weitere Forschungsarbeit im Bereich der Erklärbarkeit von Modellen des maschinellen Lernens durchzuführen.The processing of visual information in evolutionary biology is known as morphometrics and analyzes the diversity of morphological traits of specimens. One prominent approach involves the placement of two- or three-dimensional landmarks placed on diagnostic structures on organisms in digital images. Among existing approaches, the generalized Procrustes analysis is the most common method. However, recent progress in machine learning as well as the availability of large image databases lead to the development of novel models to address biological problems and give new possibilities for biologists. These new approaches differ from traditional approaches used in morphometrics. While the rise of deep machine learning has accelerated the development, the explainability of these models remains an unresolved problem and their biological explanatory power is limited.This thesis addresses the challenge of achieving biological explainability in machine learning models applied in evolutionary biology. For this challenge, Nile tilapia images as well as plant images from existing databases were processed. Specifically, the Gaussian process latent variable as well as the deep convolutional autoencoder were applied to extract features. In order to ensure biological interpretability, a novel explanation framework is presented. It is hypothesized, that machine learning models learn biologically interpretable features. Unlike previous research, the proposed approach focuses on the comprehensive analysis of explanatory factors coded in the models.The findings of this thesis show, that the proposed pipeline achieved similar performance metric values as the traditional generalized Procrustes analysis but is not able to achieve similar prediction accuracy values as deep learning models. It is concluded that the machine learning models are able to learn interpretable biological features. Moreover, these features were shown to be applicable for morphological diversity analysis.verfasst von Wilfried WöberDissertation Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit deutscher Zusammenfassun
Physikochemische und funktionelle Charakterisierung von Weizenkleieprotein-Konzentraten für Lebensmittelanwendungen
No full textBei der Verarbeitung von Weizen zu Weizenstärke fällt während des Vermahlungsprozesses von Weizenkörnern als Nebenprodukt die Weizenkleie (Wk) an, welche derzeit größtenteils als Futtermittel vermarktet wird. Durch einen Proteingehalt der Wk von rund 15 % hat diese Potential als Rohstoff für die Proteinextraktion, mit dem Ziel, pflanzliche Proteine für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie, herzustellen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des neuartigen Proteinprodukts aus der Wk. Dafür wurden die Nicht-Protein- und die Protein-Komponenten charakterisiert und mit dem Wk-Rohstoff verglichen. Weiters wurde das Weizenkleieprotein-Konzentrat (Wkpk) hinsichtlich seiner physikochemischen und funktionellen Eigenschaften mit sieben anderen pflanzlichen Proteinen, die bereits in der Lebensmittelindustrie vertreten sind, verglichen. Die Charakterisierung zeigte in erster Linie, was während der Extraktion mit den Komponenten der Wk passiert ist, genauer gesagt, welche Stoffe angereichert und welche abgetrennt wurden. Dabei wurde ersichtlich, dass der größte Anteil als unlösliche Proteinfraktion vorliegt. Die braune Farbe des Proteins ist ebenso ein Indikator, dass Verunreinigungen, welche die Proteinfunktionalität beeinflussen könnten, vorhanden sind. Bei den Funktionalitätstests, welche die Proteinlöslichkeit, Schaum-, Emulsions- und Gelbildung der pflanzlichen Proteine untersuchten, wies das Wkpk im Vergleich zu den anderen untersuchten Proteinproben eine verminderte Funktionalität. Aufgrund des hohen Proteingehaltes hat das Wkpk grundsätzlich Potential, in der Lebensmittelindustrie als funktionelles Protein zu fungieren. Es muss nur noch ein Weg gefunden werden, um den Extraktionsprozess so zu optimieren, damit das Protein seine Konformation währenddessen nicht verändert und die Verunreinigungen weitgehend abgetrennt werden.Wheat bran is a by-product of the milling process of wheat grains. Currently, wheat bran is mainly commercialised as animal feed. With a protein content of around 15 %, wheat bran has a high potential as a raw material for protein extraction with the aim of producing vegetable protein for usage in the food industry. This work dealt primarily with the characterization of the novel protein product. Therefore, the non-protein and the protein components of the novel protein product were compared to the raw material wheat bran. Furthermore, the physicochemical and functional properties of the wheat bran protein were compared to seven other plant proteins which are already used in the food industry. The protein characterization revealed what happened during the extraction, more precisely, which substances accumulated and which were separated or at least reduced. Apparently, the largest portion was present as an insoluble protein fraction. The brownish colour of the protein is also an indicator for impurities that could affect the protein functionality. The results of the functionality tests, which examined the protein solubility, foam formation, emulsion formation and gel formation, were inferior in the wheat bran protein concentrate in comparison to the other examined plant proteins. In principle, the protein concentrate has the potential to function as a functional protein. However, a way must be found to optimize the extraction process so that the proteins isolated from wheat bran do not change their conformation during the process and that the impurities are largely removed.verfasst von Sabrina HamakMasterarbeit Universität für Bodenkultur Wien 2023Mit englischer Zusammenfassun
Drought stress in banana : assessment tools and underlying carbon dynamics
No full textDie Banane ist eine wichtige Nahrungs- und Geldpflanze auf der ganzen Welt, wird aber durch Trockenstress stark beeinträchtigt. Die Widerstandsfähigkeit der Pflanze gegenüber Trockenheit kann durch die Verwendung trockenheitsresistenter Sorten oder Anbaumethoden verbessert werden, doch ihre Bewertung wird durch einen Mangel an Instrumenten zur Bewertung von Trockenstress behindert. Daher war das erste Ziel dieser Doktorarbeit die Entwicklung von Bewertungsinstrumenten für Trockenstress bei Bananen. Außerdem ist Banane eine mehrjährige Pflanze, die sich durch die Bildung von Tochterpflanzen vermehrt. Die Tochterpflanzen sind photosynthetisch aktiv, bleiben aber mit der Mutterpflanze verbunden. Es ist nicht bekannt, inwieweit die Mutterpflanze die Tochterpflanze noch mit Photosynthaten versorgt. Das zweite Ziel der Forschung bestand daher darin, die Kohlenstoffflüsse in Bananenpflanzen zu verstehen und zu quantifizieren und die Auswirkungen von Trockenstress auf diese Flüsse zu untersuchen. In Feldexperimenten in Arusha, Tansania, haben wir das Potenzial von Blatttemperatur und stabilen Kohlenstoffisotopen als Indikatoren für Trockenstress untersucht. Wir fanden heraus, dass beide ein großes Potenzial für diesen Zweck haben, aber auch stark von der Umgebung (insbesondere Licht) abhängig sind. Darüber hinaus haben unsere Untersuchungen gezeigt, dass Bananen-Mutterpflanzen ihre Tochterpflanzen mit Photosynthaten versorgen, dass diese Menge jedoch unter Stress reduziert wird. Tochterpflanzen verändern auch die Verteilung des Kohlenstoffs in der Bananenpflanze und verschlimmern die Auswirkungen von Trockenstress durch eine Verringerung der Langzeitspeicherung. Weitere Forschung zu den kombinierten Auswirkungen von Trockenstress und Licht auf Pflanzenwachstum und -ertrag, Blatttemperatur und δ13C wird empfohlen. Unsere Erkenntnisse über die Kohlenstoffverteilung unter Trockenstress sollten bei der Entwicklung klimagerechter Lösungen für Bananen berücksichtigt werden.Banana (Musa sp.) is an important food and cash crop around the world, but is strongly affected by drought stress. Plant's resilience towards drought can be improved through the use of drought-resistant varieties or by implementing alternative cultivation methods, but their evaluation is hindered by a lack of drought stress evaluation tools. As such, the first objective of this doctoral research was to develop assessment tools for drought stress in banana. Furthermore, banana is a perennial plant that propagates through the formation of so-called daughter plants. Daughter plants are photosynthetically active, but remain connected to the mother plant. It is not known to what extent the mother plant still supplies the daughter plant with photosynthates (carbon). The second objective of the research was therefore to understand and quantify carbon fluxes in banana plants and the effect of drought stress on these fluxes. We evaluated the potential of leaf temperature and stable carbon isotopes (δ13C) as indicators for drought stress through field experiments in Arusha, Tanzania. We found that both have a lot of potential for this purpose, but were also strongly environment (particularly light) dependent. We developed banana-tailored methods for the determination of leaf temperature and δ13C in bulk leaf and phloem sap samples. Furthermore, our research showed that banana mother plants supply daughter plants with photosynthates, but that this amount is reduced under stress. Daughter plants also alter the allocation of carbon in the banana plant and worsen the effect of drought stress by reducing long-term storage and consequently, a decrease in long-term stress resilience. Further research towards the combined effects of drought stress and light on plant growth and yield, leaf temperature and δ13C is recommended. Our findings regarding carbon allocation under drought stress should be considered when developing long-term climate-smart solutions for banana.Mathilde VantyghemDissertation Universität für Bodenkultur Wien 2023Dissertation KU Leuven 2023Mit deutscher und niederländischer Zusammenfassun