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A slow-fast trait continuum at the whole community level in relation to land-use intensification
Full text linkOrganismal functional strategies form a continuum from slow- to fast-growing organisms, in response to common drivers such as resource availability and disturbance. However, whether there is synchronisation of these strategies at the entire community level is unclear. Here, we combine trait data for >2800 above- and belowground taxa from 14 trophic guilds spanning a disturbance and resource availability gradient in German grasslands. The results indicate that most guilds consistently respond to these drivers through both direct and trophically mediated effects, resulting in a ‘slow-fast’ axis at the level of the entire community. Using 15 indicators of carbon and nutrient fluxes, biomass production and decomposition, we also show that fast trait communities are associated with faster rates of ecosystem functioning. These findings demonstrate that ‘slow’ and ‘fast’ strategies can be manifested at the level of whole communities, opening new avenues of ecosystem-level functional classification.Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation)https://doi.org/10.13039/50110000165
Status quo of fertilization strategies and nutrient farm gate budgets on stockless organic vegetable farms in Germany
Full text linkFertilizer management in stockless organic vegetable production is strongly affected by external nutrient purchases due to the high nitrogen (N) and potassium (K) requirements of vegetables. However, the database on nutrient flows and budgets in organic vegetable farming in Europe is very limited. Therefore, a survey based on semi-structured interviews was carried out comprising 12 organic horticultural farms in Germany. The results show that three different main fertilizer categories are used as inputs in different ratios by the inventoried farms: (1) base fertilizers (e.g., composts, solid farmyard manures), (2) commercial organic N fertilizers (e.g., keratins or plant products from food production or fermentation processes), and (3) commercial mineral fertilizers (e.g., potassium sulfate), all of which are approved for organic production. Ninety percent of the total nutrient inputs to the farms came from these fertilizers and biological N2 fixation, with the remaining 10% coming from other inputs, such as seeds or growing media. The estimated yearly average total farm budgets were nearly balanced across all farms with moderate surpluses (67.5 kg N ha−1, 2.06 kg P ha−1, and 0.26 kg K ha−1). However, large imbalances were found for most of the individual farms. These imbalances indicate the risk of nutrient accumulation or nutrient depletion in the soil, depending on the fertilization strategy and productivity of the farm. More specifically, increasing N share from base fertilizers led to increased P and K budgets, while strategies based on the use of large amounts of keratins led to the opposite—K and P depletion. We concluded that balanced nutrient management in organic vegetable production systems requires a thorough calculation and should combine the use of base fertilizers, commercial fertilizers with low P content, and increased N supply via BNF.Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL.Universität Hohenheim (3153
Weaving knowledge, innovation, and learning: a transdisciplinary pathway to circular bioeconomy through BioBeo
Full text linkThe bioeconomy represents a new way of life for people, but also a responsibility towards the future of the planet. Generating a significant socio-economic impact, it could be viewed as a key element of sustainable development, as the current and future solution for economic processes, based on new development models compelled by climate changes and the economy’s resilience to potential crises. In this context, the paper presents in its first part the Circular Economy description and the Circular Bioeconomy discussion from an interdisciplinary perspective. The second part of the paper aims to explore education as a tool for facilitating systemic changes supporting a real transition to a sustainable bioeconomy. The key aspects discussed refer to the following: (1) European policies, strategies, and action plans for bioeconomy; (2) Circular Economy as a solution for sustainable food systems; (3) main requirements and challenges for developing a (Circular) Bioeconomy, including indicators of sustainability; (4) the links between Circular Bioeconomy and the Sustainable Development Goals; (5) possibilities for integrating the agri-food industry’s needs into bioeconomy education; and (6) pathways for teach bioeconomy concepts effectively.Funded by the European Union. Views and opinions expressed are however those of the authors only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Research Executive Agency. Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them. This work was conducted as part of the BioBeo project under grant agreement No. 101059900.European Unio
Nomadic by nature – adaptation strategies to ecological and socio-economic change among mongolian herders in the Dzungarian Gobi
Full text linkWorldwide, pastoralism is the most common land use form practiced on extensive rangelands unsuitable for high-yielding agricultural production. For nomadic pastoralists, mobility is a key strategy since centuries to minimize grazing pressure on rangelands while providing nutritious forage resources to their livestock on pastures with high spatial-temporal resource variability. Herder mobility drastically declined in recent years due to changing socio-economic conditions, growing livestock numbers and climate change threating both ecological and socio-economic resilience of pastures and herding communities.
In Mongolia, nomadic pastoralism is still practiced by one-third of the population. The country is sparsely populated and around 80% of the land is used for extensive livestock husbandry. While nomadic pastoralism was practiced on a subsistence level for centuries Mongolian herd-ers are nowadays living to the rules of a market economy with cashmere as most important cash crop. As a former satellite state of the Soviet Union, Mongolia initiated a transition to a market economy leading to a privatization of the market following the collapse of the USSR in 1991. Coupled with the international growing demand for cashmere, livestock numbers peaked at 70 million livestock heads in 2019. In combination with climate change, this may have lead to as much as 77% of Mongolia’s land now being considered degraded to a certain extent.
My study focused on the Dzungarian Gobi and the rangelands within and around the Great Gobi B Strictly Protected Area (SPA) in south-western Mongolia. This key biodiversity area is home to several threatened and endangered wildlife and plant species such as the Przewalski’s horse (Equus ferus przewalskii), the Asiatic wild ass (Equus hemionus), and the Gobi desert plant Saxaul (Haloxylon ammodendron). The habitat is shared by nomadic herders and their livestock (goats, sheep, cows, horses and camels) who seasonally use the pastures within the limited use zone and buffer zone of the Great Gobi B SPA.
Rangelands are considered being important social-ecological systems (SES). Therefore, I applied an integrative data analysis framework in my study, combining quantitative environmen-tal data with both quantitative and qualitative socio-economic information.
Achieving a deeper understanding of the mobility patterns of nomadic herders and the effects of grazing on Gobi pastures, I collected Global Positioning System (GPS) tracking data of 19 small livestock herds over 20 months. Mobility and flexibility emerged as important adaptive strategies for herder households in the Dzungarian Gobi. Herders in the Dzungarian Gobi adjust their mobility patterns, camp selection, and livestock grazing strategies in response to the spatio-temporal availability of plant biomass, reflecting their adaptation to fluctuating resource availability. Herders changed their camp locations on average 9 times per year, covering a max-imum distance between winter camps in the Gobi plains and summer camps in the Altai moun-tains of 70-123 km. Small livestock spent more than half of the day within a radius of 100 m from camp and livestock use intensity decreased steeply with distance from camp. Available plant biomass and season best explained camp use duration. Daily walking distance and maximum distance from camp increased with camp use duration. Pasture time increased with in-creasing plant biomass and rising temperatures.
I combined the GPS data with remotely-sensed environmental and climate data, and ground-based vegetation characteristics. Further, I determined herder preferences for camp selection in different plant communities based on focus group discussion data, and assessed the use and nutrient contents of the most important plant communities. In addition, I analysed plant species richness, vegetation cover, and plant biomass within different grazing radii around herder camps. Herders mainly selected their camp locations in Stipa spp. plant communities with high-est nutritional value. I found little evidence for a corresponding grazing gradient in plant species richness, plant biomass, and cover on the Gobi plains.
Understanding the importance of altitudinal migration, I compared climatic conditions along the elevation gradient and determined seasonal body weight changes of goats and sheep. Lower summer temperatures and higher precipitation in the Altai mountains, resulted in higher productivity on summer pastures. Body weight of sheep and goats was slightly higher than the Mongolian average and body mass loss in winter was lower than in other parts of Mongolia.
Further, I conducted semi-structured interviews with 125 herder households, three focus group discussions, and two expert interviews with PA rangers, to better understand the socio-economic challenges of herder households, and the interaction of protected area (PA) management and herder households in the Great Gobi B SPA. I combined interview data with secondary data on regional and national herder households to determine the importance of social networks, willingness to continue a herding lifestyle, and degree of involvement in PA management. My descriptive data confirmed that herding is no longer centred on a subsistence lifestyle but rather around cashmere production. Contrary to sustainability goals, especially in protected areas, herder households continue to increase livestock numbers in response to high expenditures in the economic reality of a market economy. I conclude that herders in the Great Gobi B SPA are reaching neither socio-economically nor ecologically sustainable livestock numbers which challenge herders’ livelihoods and PA management alike.
Fostering cooperation and communication between herder households in the PA management, I tested paper diaries and small digital cameras as a tool to involve livestock herders as community-based rangers in the Great Gobi B SPA. I report the results of one herder who collected wildlife data over seven months as an example to show that his frequent wildlife sightings provide complementary information to data collected by rangers or scientists.
Rising livestock numbers, changing socio-economics, and climate change threaten pasture resources and the resilience of ecosystems and livelihoods dependent on these resources. This thesis provides an overview of Mongolian herders' adaption strategies to ecological and socio-economic change in the Dzungarian Gobi. Although there is only limited evidence of pasture degradation yet, high mobility and flexible pasture use combined with altitudinal migration is still a crucial practice in this system and should be fostered by policy-makers. Considering the effects of climate change and the socio-economic demands on herder households to raise live-stock numbers, efficient pasture management is essential. Long-term environmental evaluations are required both inside and outside the Great Gobi B SPA, to identify changes in pasture eco-systems. Frequent livestock population monitoring and control measures are necessary to avoid overusing pasture resources and competition with wildlife, endangering the conservation of biodiversity and the livelihoods of herders. Through participatory activities, the Great Gobi B SPA management can involve local herder communities in conservation to enhance their understanding and improve communication. While herders in the Dzungarian Gobi have adapted to current ecological and socio-economic changes, it is a national responsibility to supporting herding communities by ensuring mobility, access to markets and social services, and create opportunities for economic diversification.Weltweit ist die Weidewirtschaft die häufigste Form der Landnutzung, besonders auf Flächen, die für die intensive landwirtschaftliche Nutzung nicht geeignet sind. Für nomadische Hirten ist Mobilität seit Jahrhunderten eine Schlüsselstrategie, um den Weidedruck auf Weideflächen zu minimieren und gleichzeitig ihrem Vieh nahrhafte Futterressourcen zur Verfügung zu stellen. Die Mobilität der Hirten hat in den letzten Jahren aufgrund veränderter sozio-ökonomischer Bedingungen, wachsender Viehbestände und des Klimawandels drastisch abgenommen, was sowohl die ökologische als auch die sozioökonomische Resilienz von Weiden und Hirtengemeinschaften bedroht. In der Mongolei wird die nomadische Weidewirtschaft noch von einem Drittel der Bevölkerung ausgeübt. Das Land ist dünn besiedelt und rund 80 % der Fläche werden für die extensive Viehhaltung genutzt. Während die nomadische Weidewirtschaft jahrhundertelang auf Subsistenzniveau betrieben wurde, leben die mongolischen Hirten heute nach den Regeln der Marktwirtschaft, wobei Kaschmir die wichtigste Einnahmequelle ist. Als ehemaliger Satellitenstaat der Sowjetunion leitete die Mongolei mit dem Zusammenbruch der UdSSR im Jahr 1991 den Übergang zur Marktwirtschaft ein. Dies führte zu einer Privatisierung des Marktes. In Verbindung mit der international steigenden Nachfrage nach Kaschmir erreichte der Viehbestand im Jahr 2019 einen Höchststand von 70 Millionen Tieren. In Verbindung mit dem Klimawandel sind heute 77 % der mongolischen Böden bis zu einem gewissen Grad degradiert. Meine Studie konzentrierte sich auf die Dzungarische Gobiwüste und die Weideflächen inner- halb und um das streng geschützte Gebiet Great Gobi B Strictly Protected Area (SPA) im Süd- westen der Mongolei. Dieses Gebiet, reich an biologischer Vielfalt, beherbergt mehrere bedrohte und gefährdete Wildtier- und Pflanzenarten wie das Przewalski-Pferd (Equus ferus prze- walskii), den Asiatischen Wildesel (Equus hemionus) und die Wüstenpflanze Saxaul (Haloxylon ammodendron). Der Lebensraum wird von nomadischen Viehzüchtern und ihrem Vieh (Ziegen, Schafe, Kühe, Pferde und Kamele) genutzt, die saisonal die Weideflächen innerhalb der begrenzten Nutzungszone und der Pufferzone der Great Gobi B SPA nutzen. Weideland wird als wichtiges sozial-ökologisches System (SES) betrachtet. Daher habe ich in meiner Studie einen integrativen Datenanalyserahmen angewandt, der quantitative Umweltdaten mit quantitativen und qualitativen sozioökonomischen Informationen kombiniert. Um die Mobilitätsmuster nomadischer Hirten und die Auswirkungen der Beweidung auf die Gobi-Weiden besser zu verstehen, sammelte ich ökologische Daten mit Hilfe von Global Positioning System (GPS). Dabei habe ich 19 Kleinviehherden über 20 Monate hinweg verfolgt. Mobilität und Flexibilität erwiesen sich als wichtige Anpassungsstrategien für Hirtenhaushalte in der Dsungarischen Gobi. Die Hirten in der Dsungarischen Gobi passen ihre Mobilitätsmuster, die Wahl ihres Lagers und ihre Weidestrategien an die räumlich-zeitliche Verfügbarkeit von Pflanzenbiomasse an, was ihre Anpassung an die schwankende Verfügbarkeit von Ressourcen widerspiegelt. Die Hirten wechselten ihre Lagerplätze im Durchschnitt 9 Mal pro Jahr und legten dabei eine maximale Entfernung zwischen den Winterlagern in den Gobi-Ebenen und den Sommerlagern im Altai-Gebirge von 70-123 km zurück. Das Kleinvieh verbrachte mehr als die Hälfte des Tages in einem Umkreis von 100 m vom Lager entfernt, und die Intensität der Viehnutzung nahm mit der Entfernung vom Lager steil ab. Die verfügbare Pflanzenbiomasse und die Jahreszeit erklärten die Dauer der Lagernutzung am besten. Die tägliche Wanderdistanz und die maximale Entfernung vom Lager nahmen mit der Dauer der Lagernutzung zu. Die Weidezeit nahm mit zunehmender Pflanzenbiomasse und steigenden Temperaturen zu. Ich kombinierte die GPS-Daten mit aus der Ferne erfassten Umwelt- und Klimadaten sowie mit bodengebundenen Vegetationsuntersuchungen. Darüber hinaus ermittelte ich die Präferenzen der Hirten bei der Auswahl ihrer Lager in verschiedenen Pflanzengemeinschaften anhand von Daten aus Fokusgruppendiskussionen und bewertete die Nutzung und den Nährstoffgehalt der wichtigsten Pflanzengemeinschaften. Außerdem analysierte ich den Pflanzenartenreichtum, die Vegetationsbedeckung und die Pflanzenbiomasse in verschiedenen Weideradien um die Hirtenlager. Die Hirten wählten ihre Lagerstandorte hauptsächlich in Pflanzengemeinschaften von Stipa spp. mit dem höchsten Nährstoffwert. Ich fand wenig Anhaltspunkte für einen entsprechenden Gradienten durch Beweidung in Bezug auf den Artenreichtum, die Pflanzenbiomasse und die Vegetationsbedeckung in den Gobi-Ebenen. Um die Bedeutung der Höhenwanderung zu verstehen, verglich ich die klimatischen Bedingungen entlang des Höhengradienten und bestimmte die jahreszeitlichen Veränderungen des Körpergewichts von Ziegen und Schafen. Niedrigere Sommertemperaturen und höhere Niederschläge im Altai-Gebirge führten zu einer höheren Produktivität auf den Sommerweiden. Das Körpergewicht von Schafen und Ziegen war etwas höher als im mongolischen Durchschnitt, und der Verlust an Körpermasse im Winter war geringer als in anderen Teilen der Mongolei. Um die sozioökonomischen Herausforderungen der Hirtenhaushalte und das Zusammenspiel von Schutzgebietsmanagement und Hirtenhaushalten in der Great Gobi B SPA besser zu verstehen, führte ich semi-strukturierte Interviews mit 125 Hirtenhaushalten, drei Fokusgruppendiskussionen und zwei Experteninterviews mit Schutzgebietswildhütern durch. Ich kombinierte die Interviewdaten mit Sekundärdaten über regionale und nationale Hirtenhaushalte, um die Bedeutung sozialer Netzwerke, die Bereitschaft zur Fortsetzung des Hirtenlebens und den Grad der Beteiligung am Schutzgebietsmanagement zu ermitteln. Meine beschreibenden Daten bestätigten, dass sich die Viehwirtschaft nicht mehr auf die Subsistenzwirtschaft, sondern auf die Kaschmirproduktion konzentriert. Im Gegensatz zu den Zielen der Nachhaltigkeit, insbesondere in den Schutzgebieten, erhöhen die Hirtenhaushalte weiterhin den Viehbestand als Reaktion auf die hohen Ausgaben in der wirtschaftlichen Realität einer Marktwirtschaft. Ich komme zu dem Schluss, dass die Hirten im Great Gobi B SPA weder sozioökonomisch noch ökologisch nachhaltige Viehbestände erreichen, was sowohl die Lebensgrundlage der Hirten als auch das Management der Schutzgebiete vor große Herausforderungen stellt. Um die Zusammenarbeit und Kommunikation zwischen den Hirtenhaushalten innerhalb des Schutzgebiets zu fördern, testete ich Papiertagebücher und kleine Digitalkameras als Mittel zur Einbeziehung von Viehhirten als gemeindebasierte Wildhüter im Great Gobi B SPA. Ich be- richte über die Ergebnisse eines Viehhirten, der sieben Monate lang Wildtierdaten gesammelt hat, um zu zeigen, dass seine häufigen Wildtiersichtungen ergänzende Informationen zu den von Wildhütern oder Wissenschaftlern gesammelten Daten liefern. Steigende Viehbestände, sozioökonomische Veränderungen und der Klimawandel bedrohen die Weideressourcen und die Widerstandsfähigkeit der Ökosysteme und der von diesen Res- sourcen abhängigen Lebensgrundlagen. Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Anpassungsstrategien der mongolischen Hirten an den ökologischen und sozioökonomischen Wandel in der Dsungarischen Gobi. Obwohl es bisher nur wenige Anzeichen für eine Verschlechterung der Weideflächen gibt, ist die hohe Mobilität und flexible Weidenutzung in Verbindung mit Höhenwanderungen nach wie vor eine wichtige Praxis in diesem System und sollte von politischen Entscheidungsträgern gefördert werden. In Anbetracht der Auswirkungen des Klimawandels und der sozioökonomischen Anforderungen an die Hirtenhaushalte, den Viehbestand zu erhöhen, ist ein effizientes Weidemanagement unerlässlich. Um Veränderungen in den Weideökosystemen feststellen zu können, sind langfristige Umweltbewertungen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Great Gobi B SPA erforderlich. Eine regelmäßige Überwachung des Viehbestands und Kontrollmaßnahmen sind notwendig, um eine Übernutzung der Weideressourcen und eine Konkurrenz mit wild lebenden Tieren zu vermeiden, die die Erhaltung der biologischen Vielfalt und den Lebensunterhalt der Hirten gefährden. Durch partizipatorische Aktivitäten kann das Management des Great Gobi B SPA die lokalen Hirtengemeinschaften in den Naturschutz einbeziehen, um deren Verständnis und Kommunikation zu verbessern. Die Hirten in der Dsungarischen Gobi haben sich zwar an die aktuellen ökologischen und sozio- ökonomischen Veränderungen angepasst, doch liegt es in der Verantwortung des Staates, die Hirtengemeinschaften zu unterstützen, indem Mobilität gefördert, der Zugang zu Märkten und sozialen Dienstleistungen sichergestellt und Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Diversifizierung geschaffen wird
Investigation of phosphorus recovery from biogas digestate: low-technology approaches for enhanced solid-liquid separation
Full text linkPhosphorus (P) is a critical nutrient for agriculture, essential for plant growth and food security. However, the global dependence on finite P reserves, primarily located in northern Africa and China, presents significant challenges, including supply chain vulnerabilities and rising fertilizer costs. Additionally, excessive P runoff into water bodies contributes to environmental issues, such as eutrophication. Addressing these challenges requires sustainable P management strategies, including P recovery from alternative sources like biogas digestate. To tackle these challenges, regulatory measures and innovative recovery techniques are being explored to improve P sustainability.
In Germany, regulations like the Fertilizer Ordinance and the Sewage Sludge Ordinance have introduced strict limits on P application and mandated the recovery of P from waste streams, promoting environmentally friendly nutrient management practices. These regulations aim to reduce environmental impacts while ensuring the efficient use of P resources. A primary objective of this research is to develop a cost-effective, practically feasible method for P recovery that can be easily integrated into existing biogas plants without requiring substantial infrastructure upgrades. This study investigated the recovery of P from biogas digestate using additives such as kieserite (MgSO₄∙H₂O), straw flour, and biochar to improve separation efficiency and nutrient recovery. The additives enhanced the P content in the solid phase, making it easier to recycle P back into agricultural systems.
The laboratory-scale separation trials were conducted to evaluate the effectiveness of three additives categorized into reactive (kieserite) and non-reactive (straw flour and biochar) groups. The separations were carried out using a hydraulic tincture press, with a pressure of 5 MPa applied for 120 seconds. The trials tested five different treatment times: 0 h, 1 h, 2 h, 8 h, and 20 h. Kieserite was tested at 25 °C and 50 °C, while straw flour and biochar were tested only at 25 °C. The results revealed that longer treatment durations with kieserite were more effective, with 61% of P shifting into the solid phase after 20 h. In contrast, treatment duration had little impact on the effectiveness of straw flour and biochar. Kieserite treatment increased NaOH-P and HCl-P, indicating the formation of more stable, non-labile P fractions due to the interaction between (Mg²⁺) ions from kieserite and phosphate (PO₄³⁻) ions. These findings concluded that kieserite, as a reactive additive, is more effective at enhancing P recovery by converting labile P into more stable, non-labile forms.
Based on the conclusions from laboratory-scale separation trials, practical scale experiments were conducted at the research biogas facility ‘Unterer Lindenhof’ at the University of Hohenheim. In these trials, straw flour and kieserite were used as additives, with treatment durations of 4 h and 22 h. The shorter duration represented same-day processing, while the longer duration simulated overnight treatment. Results showed that extending the treatment time with kieserite significantly improved P removal efficiency (PRE), reaching 67% of P shifted to the solid phase after 22 h. Straw flour, on the other hand, achieved a 52% PRE at the same duration, with most of the P remaining in labile fractions regardless of treatment time. Kieserite treatment resulted in notable changes in the distribution of P fractions, shifting from NaHCO₃-P to more stable NaOH-P and HCl-P fractions as the treatment duration increased. These experiments provide a technical proof-of-concept for the use of additives in biogas plants for digestate treatment to enhance P recovery into the solid phase, supporting more sustainable nutrient management practices.
Biochar modified with kieserite and calcium chloride (CaCl₂) was evaluated as an additive for P recovery, along with the metal salts used independently. The modification aimed to load Mg²⁺ and Ca²⁺ ions onto the biochar surface, enhancing its effectiveness. Initial separation trials established that using 5 gadditive/Ldigestate with a 22 h treatment time provided optimal conditions for solid-liquid separation. The separation trials were made in the laboratory using a hydraulic tincture press. The modification significantly increased the Mg content in kieserite-modified biochar (KIS-B) and the Ca content in CaCl₂-modified biochar (Ca-B). Both modified biochars and the metal salts increased P transfer to the solid phase, with the metal salts alone demonstrated higher PRE. KIS-B and Ca-B shifted P to non-labile fractions, while kieserite and CaCl₂ alone resulted in an even higher proportion of non-labile P fractions. Although the modified biochar showed slightly lower PRE compared to metal salts, its potential benefits in agricultural applications are noteworthy.
Future studies should include a comprehensive cost-benefit analysis to evaluate the long-term financial sustainability of implementing these recovery techniques at full scale. Reducing the reliance on expensive, finite phosphorus reserves through local recovery can lower input costs for farmers, making the process economically attractive. Additionally, plant pot trials will be essential in assessing the agronomic efficiency of P recovered from biogas digestate. These trials can help determine how effectively the recovered P promotes plant growth and nutrient uptake compared to conventional fertilizers. Ultimately, refining these recovery techniques and assessing their impact on both economic viability and agricultural productivity will play a key role in advancing sustainable nutrient management practices globally.Phosphor (P) ist ein wichtiger Nährstoff für die Landwirtschaft, der für das Pflanzenwachstum und die Ernährungssicherheit unerlässlich ist. Die weltweite Abhängigkeit von endlichen P-Reserven, die sich vor allem in Nordafrika und China befinden, bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich, darunter Schwachstellen in der Versorgungskette und steigende Düngemittelkosten. Außerdem trägt ein übermäßiger P-Abfluss in Gewässer zu Umweltproblemen wie Eutrophierung bei. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert nachhaltige P-Managementstrategien, einschließlich der P- Rückgewinnung aus alternativen Quellen wie Biogas-Gärresten. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden gesetzliche Maßnahmen und innovative Rückgewinnungstechniken erforscht, um die Nachhaltigkeit von P zu verbessern. In Deutschland haben Verordnungen wie die Düngemittelverordnung und die Klärschlammverordnung strenge Grenzwerte für die Phosphatanwendung eingeführt und die Rückgewinnung von Phosphor aus Abfallströmen vorgeschrieben, um umweltfreundliche Nährstoffmanagementpraktiken zu fördern. Diese Verordnungen zielen darauf ab, die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern und gleichzeitig eine effiziente Nutzung der P-Ressourcen sicherzustellen. Ein Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung einer kosteneffektiven, praktisch umsetzbaren Methode zur P- Rückgewinnung, die leicht in bestehende Biogasanlagen integriert werden kann, ohne dass die Infrastruktur wesentlich verändert werden muss. In dieser Studie wurde die Rückgewinnung von P aus Biogasgärresten unter Verwendung von Additiven wie Kieserit (MgSO₄∙H₂O), Strohmehl und Biokohle zur Verbesserung der Trennungseffizienz und Nährstoffrückgewinnung untersucht. Die Additive erhöhten den P-Gehalt in der festen Phase und erleichterten so die Rückführung von P in landwirtschaftliche Systeme. Die Trennversuche im Labormaßstab wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit von drei Additiven zu bewerten, die in reaktive (Kieserit) und nicht reaktive (Strohmehl und Biokohle) Gruppen eingeteilt wurden. Die Abtrennungen wurden mit einer hydraulischen Tinkturenpresse durchgeführt, wobei ein Druck von 5 MPa für 120 Sekunden angewendet wurde. In den Versuchen wurden fünf verschiedene Behandlungszeiten getestet: 0 h, 1 h, 2 h, 8 h und 20 h. Kieserit wurde bei 25 °C und 50 °C getestet, während Strohmehl und Biokohle nur bei 25 °C getestet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass eine längere Behandlungsdauer mit Kieserit wirksamer war, wobei 61 % des P nach 20 Stunden in die feste Phase übergingen. Im Gegensatz dazu hatte die Behandlungsdauer nur geringe Auswirkungen auf die Wirksamkeit von Strohmehl und Biokohle. Die Behandlung mit Kieserit erhöhte NaOH-P und HCl-P, was auf die Bildung stabilerer, nicht labiler P-Fraktionen aufgrund der Wechselwirkung zwischen (Mg²⁺)-Ionen aus Kieserit und Phosphat (PO₄³-)-Ionen hinweist. Diese Ergebnisse führten zu dem Schluss, dass Kieserit als reaktiver Additiv die P-Rückgewinnung durch Umwandlung von labilem P in stabilere, nicht labile Formen effektiver gestaltet. Auf der Grundlage der Schlussfolgerungen aus den Trennversuchen im Labormaßstab wurden in der Forschungsbiogasanlage "Unterer Lindenhof" an der Universität Hohenheim Versuche im Großmaßstab durchgeführt. In diesen Versuchen wurden Strohmehl und Kieserit als Additiven verwendet, mit Behandlungsdauern von 4 h und 22 h. Die kürzere Dauer entsprach einer Verarbeitung am gleichen Tag, während die längere Dauer eine Behandlung über Nacht darstellte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verlängerung der Behandlungsdauer mit Kieserit die P- Entfernungseffizienz (PRE) erheblich verbesserte und nach 22 Stunden 67 % des P in die feste Phase überging. Strohmehl hingegen erreichte bei gleicher Dauer eine PRE von 52 %, wobei der größte Teil des P unabhängig von der Behandlungsdauer in labilen Fraktionen verblieb. Die Kieserit-Behandlung führte zu bemerkenswerten Veränderungen in der Verteilung der P-Fraktionen, die sich mit zunehmender Behandlungsdauer von NaHCO₃-P zu stabileren NaOH- P- und HCl-P-Fraktionen verschoben. Diese Studie liefert einen technischen Konzeptnachweis für den Einsatz von Additiven bei der Behandlung von Biogasgärresten, um die P-Rückgewinnung in die feste Phase zu verbessern und damit eine nachhaltigere Nährstoffbewirtschaftung zu unterstützen. Mit Kieserit und Kalziumchlorid (CaCl₂) modifizierte Biokohle wurde als Additiven für die P-Rückgewinnung bewertet, zusammen mit den unabhängig davon verwendeten Metallsalzen. Ziel der Modifizierung war es, die Oberfläche der Biokohle mit Mg²⁺- und Ca²⁺-Ionen zu beladen und so ihre Wirksamkeit zu erhöhen. Erste Trennversuche ergaben, dass die Verwendung von 5 g Additiv/LGärrest mit einer Behandlungszeit von 22 Stunden optimale Bedingungen für die Fest-Flüssig-Trennung bot. Die Trennversuche wurden im Labor mit einer hydraulischen Tinkturenpresse durchgeführt. Durch die Modifizierung wurde der Mg-Gehalt in kieseritmodifizierter Biokohle (KIS-B) und der Ca-Gehalt in CaCl₂-modifizierter Biokohle (Ca-B) deutlich erhöht. Sowohl die modifizierten Biokohlen als auch die Metallsalze erhöhten den P-Transfer in die feste Phase, wobei die Metallsalze allein eine höhere PRE aufwiesen. KIS-B und Ca-B verlagerten den P in nicht labile Fraktionen, während Kieserit und CaCl₂ allein zu einem noch höheren Anteil an nicht labilen P- Fraktionen führten. Obwohl die modifizierte Biokohle im Vergleich zu den Metallsalzen eine etwas geringere PRE aufwies, sind ihre potenziellen Vorteile für landwirtschaftliche Anwendungen bemerkenswert. Künftige Forschungen sollten eine umfassende Kosten-Nutzen- Analyse beinhalten, um die langfristige finanzielle Tragfähigkeit der Umsetzung dieser Rückgewinnungstechniken in großem Maßstab zu bewerten. Die Verringerung der Abhängigkeit von teuren, endlichen Phosphorreserven durch lokale Rückgewinnung kann die Inputkosten für Landwirte senken und das Verfahren wirtschaftlich attraktiv machen. Darüber hinaus werden Pflanzentopfversuche für die Bewertung der agronomischen Effizienz des aus Biogasgärresten zurückgewonnenen Phosphors von entscheidender Bedeutung sein. Anhand dieser Versuche lässt sich feststellen, wie wirksam der zurückgewonnene P das Pflanzenwachstum und die Nährstoffaufnahme im Vergleich zu herkömmlichen Düngemitteln fördert. Letztendlich wird die Verfeinerung dieser Rückgewinnungstechniken und die Bewertung ihrer Auswirkungen auf die wirtschaftliche Lebensfähigkeit und die landwirtschaftliche Produktivität eine Schlüsselrolle bei der Förderung nachhaltiger Nährstoffmanagementpraktiken auf globaler Ebene spielen
Complementary effects of pollination and biocontrol services enable ecological intensification in macadamia orchards
Full text linkIn many crops, both pollination and biocontrol determine crop yield, whereby the relative importance of the two ecosystem services can be moderated by the landscape context. However, additive and interactive effects of pollination and biocontrol in different landscape contexts are still poorly understood. We examined both ecosystem services in South African macadamia orchards. Combining observations and experiments, we disentangled their relative additive and interactive effects on crop production with variation in orchard design and landscape context (i.e., cover of natural habitat and altitude). Insect pollination increased the nut set on average by 280% (initial nut set) and 525% (final nut set), while biocontrol provided by bats and birds reduced the insect damage on average by 40%. Pollination services increased in orchards where macadamia tree rows were positioned perpendicular to orchard edges facing natural habitat. Biocontrol services decreased with elevation. Pest damage was reduced by higher cover of natural habitat at landscape scale but increased with elevation. Pollination and biocontrol are both important ecosystem services and complementary in providing high macadamia crop yield. Smart orchard design and the retention of natural habitat can simultaneously enhance both services. Conjoint management of ecosystem services can thus enable the ecological intensification of agricultural production.Bundesministerium für Bildung und Forschung http://dx.doi.org/10.13039/501100002347Deutsche Forsschungsgemeinschaf
Influence of distillation parameters on the fractionation behaviour of aroma compounds in the production of Williams-Christ pear brandies and Golden Delicious apple brandies
Full text linkAroma compounds are central to the sensory attributes and overall organoleptic quality of fruit brandies, yet their behavior during distillation remains insufficiently understood. The relative volatility of these compounds, a fundamental property that defines their evaporation tendency in relation to ethanol, plays a crucial role in distillation, governing their separation efficiency, distribution between vapor and liquid phases, and overall impact on the composition and sensory quality of the final product. Despite its importance, the concept of relative volatility has not been introduced in the production of fruit brandies. The aim of the first publication was to develop a quick and simple method using a basic distillation apparatus to determine the relative volatilities of flavor compounds in hydro-alcoholic solutions. This approach provides a practical alternative to the time-consuming and costly Gillespie dynamic recirculation method. Seventeen representative flavor compounds from apple and pear brandies were investigated, including unpublished data for five compounds. Relative volatilities of methanol, isobutanol, isoamyl alcohol, ethyl acetate, acetaldehyde, and 1,1-diethoxyethane were compared to reference data, showing high correlation for all compounds except 1,1-diethoxyethane. Vapor-liquid equilibrium data for an ethanol-water mixture also exhibited strong agreement with reference data. These results demonstrate that the proposed method is a reliable, fast, and cost-effective alternative to standard techniques for determining relative volatilities. The second publication investigated the impact of partial condensation in dephlegmators on the behavior of ethanol and flavor compounds, comparing setups with and without dephlegmators in both lab-scale and large-scale experiments. Lab-scale experiments demonstrated that dephlegmation led to significant enrichment of ethanol in the distillate through the selective condensation of water. The behavior of flavor compounds varied, with some showing enrichment, others depletion, and some remaining unaffected. In large-scale experiments, a distillation apparatus relying solely on dephlegmation was compared with a standard setup containing an enrichment section with three trays. The dephlegmator-based system exhibited less efficient separation of tail components, such as fusel alcohols, resulting in a lower yield of hearts fraction. Sensory triangle tests confirmed that the spirits from the two systems were distinguishable, though no clear preference emerged. This study provides the first detailed insights into the influence of dephlegmators on flavor compound behavior and separation efficiency during fruit brandy distillation, offering valuable guidance for optimizing distillation processes. The third publication explored distillation processes from the perspective of relative volatility, aiming to control behaviors of key odor-active compounds in pear brandies and enhance product quality through novel fractionation strategies. Two novel fractionation strategies were tested: one involving a high cooling water flow rate combined with a slow distillate flow, and the other employing a 12-tray distillation column. Both approaches successfully increased ethanol concentration on the top tray, altering the relative volatility of compounds in the liquid phase. Elevated ethanol concentrations reduced the relative volatility of higher alcohols, delaying their release and producing sharper, well defined peaks compared to broader profiles observed in the control distillation. This enabled selective separation of desirable compounds, such as beta-damascenone and ethyl (E,Z)-2,4-decadienoate (pear ester), from higher alcohols, resulting in an aroma-rich tails fraction. Blending this enriched tails fraction with the hearts fraction produced a final product that was significantly preferred in sensory evaluations over the standard hearts fraction. These findings demonstrate the importance of tailoring operational distillation conditions to exploit differential volatility, enabling more effective compound separation and improving the sensory quality of fruit brandies.Aromastoffe sind entscheidend für die sensorischen Eigenschaften und die gesamte organoleptische Qualität von Obstbränden. Dennoch ist ihr Verhalten während der Destillation bisher unzureichend verstanden. Die relative Flüchtigkeit dieser Verbindungen, eine grundlegende Eigenschaft, die ihre Verdampfungstendenz im Verhältnis zu Ethanol definiert, spielt eine zentrale Rolle bei der Destillation. Sie bestimmt die Trennungseffizienz, die Verteilung zwischen Dampf- und Flüssigphasen sowie die Auswirkungen auf die Zusammensetzung und sensorische Qualität des Endprodukts. Das Konzept der relativen Flüchtigkeit wird bislang trotz seiner Relevanz nicht in der Produktion von Obstbränden berücksichtigt. Das Ziel der ersten Veröffentlichung war die Entwicklung einer schnellen und einfachen Methode zur Bestimmung der relativen Flüchtigkeiten von Aromastoffen in hydro-alkoholischen Lösungen unter Verwendung eines einfachen Destillationsapparates. Dieser Ansatz bietet eine praktikable Alternative zur zeitaufwendigen und kostenintensiven Gillespie-Methode mit dynamischer Rezirkulation. Siebzehn repräsentative Aromastoffe aus Apfel- und Birnenbränden wurden untersucht, einschließlich bisher unveröffentlichter Daten für fünf Verbindungen. Die relativen Flüchtigkeiten von Methanol, Isobutanol, Isoamylalkohol, Ethylacetat, Acetaldehyd und 1,1-Diethoxyethan wurden mit Referenzdaten verglichen, wobei alle Verbindungen außer 1,1-Diethoxyethan eine hohe Korrelation aufwiesen. Die Dampf-Flüssig-Gleichgewichts-Daten für ein Ethanol-Wasser-Gemisch zeigten ebenfalls eine starke Übereinstimmung mit den Referenzdaten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode eine zuverlässige, schnelle und kostengünstige Alternative zu Standardtechniken zur Bestimmung relativer Flüchtigkeiten darstellt. Die zweite Veröffentlichung untersuchte die Auswirkungen der teilweisen Kondensation in Dephlegmatoren auf das Verhalten von Ethanol und Aromastoffen, indem Versuchsaufbauten mit und ohne Dephlegmatoren sowohl im Labor- als auch im großtechnischen Maßstab verglichen wurden. Laboruntersuchungen zeigten, dass die Dephlegmation zu einer signifikanten Anreicherung von Ethanol im Destillat führte, da Wasser bevorzugt kondensiert wurde. Das Verhalten der Aromastoffe variierte, da sich einige anreicherten, andere abnahmen und wiederum einige unverändert blieben. Im großtechnischen Maßstab wurde ein Destillationsapparat, der ausschließlich auf Dephlegmation basierte, mit einem Standardaufbau verglichen, der einen Anreicherungsabschnitt mit drei Böden enthielt. Das System mit Dephlegmator zeigte eine weniger effiziente Trennung von Nachlaufkomponenten wie Fuselalkoholen, was zu einer geringeren Ausbeute an Mittellauf führte. Sensorische Dreieckstests bestätigten, dass die Spirituosen aus den beiden Systemen unterscheidbar waren, jedoch keine klare Präferenz festgestellt wurde. Diese Studie liefert erstmals detaillierte Einblicke in den Einfluss von Dephlegmatoren auf das Verhalten von Aromastoffen und die Trennungseffizienz während der Destillation von Obstbränden und trägt zur wissenschaftlichen Grundlage für die Optimierung von Destillationsprozessen bei. Die dritte Veröffentlichung untersuchte Destillationsprozesse aus der Perspektive der relativen Flüchtigkeit, mit dem Ziel, das Verhalten von wichtigen geruchsaktiven Verbindungen in Birnenbränden zu kontrollieren und die Produktqualität durch neuartige Fraktionierungsstrategien zu verbessern. Zwei innovative Fraktionierungsstrategien wurden getestet. Die erste basiert auf einer hohen Kühlwassermenge und einer langsamen Produktabflussrate, während die zweite eine Destillationskolonne mit zwölf Böden nutzt. Beide Ansätze führten erfolgreich zu einer erhöhten Ethanolkonzentration auf dem obersten Boden, was die relative Flüchtigkeit der Verbindungen in der Flüssigphase veränderte. Höhere Ethanolkonzentrationen reduzierten die relative Flüchtigkeit von höheren Alkoholen, verzögerten deren Freisetzung und führten zu schärferen, besser definierten Hohenkonzentrationen im Vergleich zu den breiteren Profilen der Kontroll-Destillation. Dadurch konnte eine selektive Trennung von erwünschten Verbindungen wie Beta-Damascenon und Ethyl (E,Z)-2,4-Decadienoat (Birnenester) von höheren Alkoholen erreicht werden, was zu einem aromareichen Nachlauf führte. Die Mischung dieses angereicherten Nachlaufs mit dem Mittellauf ergab ein Endprodukt, das in sensorischen Bewertungen deutlich bevorzugt wurde. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Anpassung von Destillationsbedingungen zur Nutzung unterschiedlicher Flüchtigkeiten, um eine effektivere Trennung von Verbindungen und eine Verbesserung der sensorischen Qualität von Obstbränden zu ermöglichen
An overall review on influence of root architecture on soil carbon sequestration potential
Full text linkSoil carbon sequestration is a vital ecosystem function that mitigates climate change by absorbing atmospheric carbon dioxide (CO2). Root characteristics such as depth, diameter, length, and branching pattern affect soil carbon dynamics through root-soil interactions and organic matter breakdown. Here we review field surveys, laboratory analysis, and mathematical modeling to understand how root structures affect soil carbon storage. Further, certain root features increase soil carbon sequestration, suggesting that selective breeding and genetic engineering of plants could maximize this ecological benefit. However, more research is needed to understand the complex interactions between roots, soil biota, and soil organic matter under changing environmental conditions. In addition, the benefit of climate change mitigation methods and soil carbon models from the inclusion of root architecture was reviewed. Studies in the realm of root-soil interactions encompass a variety of academic fields, including agronomy, ecology, soil science, and plant physiology. Insights into how roots interact with their soil environment and the effects of these interactions on plant health, agricultural productivity, and environmental sustainability have been gained through this research
Generative KI in der Finanzbranche: strategische, technologische und organisationale Implementierung am Beispiel der DZ BANK AG
Full text linkGenerative Künstliche Intelligenz (KI) ist ein entscheidender Wertschöpfungsfaktor in der Finanzbranche, da sie bestehende Prozesse optimiert und neue Geschäftsmodelle ermöglicht. Während zahlreiche Forschungsbeiträge technische, soziale und ethische Aspekte generativer KI untersuchen, adressiert dieser Beitrag insbesondere die strategischen, technologischen und organisationalen Herausforderungen bei der Implementierung generativer KI. Anhand einer Fallstudie bei der DZ BANK AG wird untersucht, wie ein hybrider Plattformansatz eine strategisch fundierte Einführung generativer KI ermöglicht. Technologisch stellt die zentrale IT standardisierte und wiederverwendbare Komponenten bereit, während die Fachbereiche eigenständig KI-basierte Lösungen entwickeln und anpassen. Organisational erfordert dies eine enge Abstimmung zwischen zentraler Steuerung und dezentraler Nutzung, um sowohl Skalierbarkeit als auch Flexibilität zu gewährleisten. Ein iterativer Rollout in „Wellen“ kombiniert technologische Absicherung mit einer stufenweisen Integration in bestehende Geschäftsprozesse. Die Plattform bietet nicht nur eine kontrollierte und sichere Infrastruktur, sondern adressiert auch Herausforderungen wie regulatorische Anforderungen, Datenqualität und die notwendige Qualifikation der MitarbeiterInnen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Plattformansatz technologische Komplexität reduziert und gleichzeitig organisationale Agilität fördert. Finanzunternehmen profitieren von kürzeren Entwicklungszyklen, einer effizienteren Prozessgestaltung und einer breiteren Einbindung der MitarbeiterInnen. Abschließend werden praxisorientierte Handlungsempfehlungen für eine erfolgreiche Implementierung generativer KI in der Finanzbranche abgeleitet.Generative Artificial Intelligence (AI) is a key value creation factor in the financial industry, as it optimizes existing processes and enables new business models. While numerous research contributions examine the technical, social, and ethical aspects of generative AI, this paper specifically addresses the strategic, technological, and organizational challenges associated with its implementation. Using a case study at DZ BANK AG, the research explores how a hybrid platform approach facilitates a strategically grounded introduction of generative AI. From a technological perspective, the central IT department provides standardized and reusable components, while business units independently develop and adapt AI-based solutions. Organizationally, this requires close coordination between centralized governance and decentralized usage to ensure both scalability and flexibility. An iterative rollout in “waves” combines technological safeguards with a gradual integration into existing business processes. The platform not only provides a controlled and secure infrastructure but also addresses challenges such as regulatory requirements, data quality, and the necessary qualifications of employees. The results indicate that the platform approach reduces technological complexity while promoting organizational agility. Financial institutions benefit from shorter development cycles, more efficient process design, and broader employee involvement. Finally, the paper derives practical recommendations for successfully implementing generative AI in the financial industry
Investigation of biochars in terms of vitamin E adsorption capacity
Full text linkFeatured Application: This study provides insights into optimising biochar as a carrier for vitamin E delivery in ruminant nutrition. By demonstrating the correlation between pore size distribution and adsorption capacity, the findings suggest that theoretical models can reduce the number of experimental trials needed to identify effective adsorbents. This approach could improve the efficiency of vitamin E supplementation in animal feed, potentially enhancing nutrient absorption and animal health. Abstract: Vitamin E is important for ruminants’ health. To increase the rate of vitamin E resorption, the use of a carrier is recommended. One authorised porous feed additive is biochar. Biochar’s adsorption capacity is affected by its pore volume, which is determined, among other factors, by the biomass and the production process applied. For this purpose, the vitamin E adsorption capacity of ten commercial biochars with a varying surface area in the range of 2.6 to 20 nm was investigated. The results of these single-point batch experiments were compared to the theoretical results using a monolayer adsorption model. Our hypothesis was proven, as the theoretical model could predict the experimental adsorption capacity. This generally suggests that the number of trials required to identify optimal adsorbents can be reduced. A high percentage of vitamin E adsorption (>90%) was obtained with a short adsorption time of 10 min using an adsorbent dosage of 15.78 g/L and a vitamin E concentration of 1.70 g/L. The highest correlation of vitamin E adsorption existed for the mesopore class, ranging from 3.22 to 4.03 nm in Barrett–Joyner–Halenda surface area. This indicates the necessity of knowing the size of the adsorptive and the adsorbent in order to optimise sorption kinetics