630 Landwirtschaft und verwandte Bereiche
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Miscanthus bietet als nachwachsende Industrie- und Energiepflanze zahlreiche Vorteile, die neben den direkten landwirtschaftlichen Anwendungen wie Verbrennung und Tiereinstreu auch eine stoffliche Nutzung im chemischen Bereich zulassen. Als C4-Pflanze mit gesteigerter Photosynthese-Aktivität weist Miscanthus zudem eine hohe CO2-Fixierrate auf. Aufgrund des geringen Kultivierungsaufwandes sowie der hohen Erträge bietet sich Miscanthus als ausgesprochen attraktiver Rohstoff für die Produktion erneuerbarer Kraftstoffe und Chemikalien an, welche mittels thermo-chemischer Umwandlung gewonnen werden.
Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde eine praxisorientierte Methode entwickelt, die es ermöglicht, Bodenproben nach ihrer Entnahme auf dem Feld aufzubereiten und hinsichtlich ihres Mikroplastikgehaltes analysieren zu können. Die Extraktionsmethode wurde bereits für zwei Polymere, PA 12 und PE (Mulchfolienpartikel), mit Wiederfindungsraten von je 100 % für Partikel größer als 0,5 mm validiert. Für Partikel größer als 63 μm liegt die Wiederfindungsrate für PE-Mulchfolienpartikel bei 97 % beziehungs-weise für PA-Partikel bei 86 %. Weiterhin wurden verschiedene spektroskopische Detektions-methoden untersucht und hinsichtlich ihrer Potentiale und Grenzen miteinander verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass die Digitalmikroskopie zwar sehr gut geeignet ist, die Farbe, Größe, Form und Anzahl der Partikel zu bestimmen, jedoch stark von der subjektiven Einschätzung abhängig ist. Sie sollte daher in jedem Fall mit einer weiteren Detektionsmethode kombiniert werden. In dieser Arbeit wurde hierzu die ATR-FTIR-Spektroskopie verwendet. Diese ermöglicht zusätzlich die Bestimmung des Polymertyps einzelner Partikel mit einer unteren Nachweisgrenze von 500 μm. Die Methode konnte auf insgesamt fünf landwirtschaftlich genutzten Flächen angewendet werden, wovon zwei konventionell und drei ökologisch bewirtschaftet werden. Um einen ersten Eindruck über die aktuelle Mikroplastik-Belastung von Agrarböden zu erhalten, wurden die mit Hilfe der in dieser Forschungsarbeit entwickelten Methode erhaltenen Ergebnisse extrapoliert und als Emissionskoeffizienten in verschiedenen Einheiten angegeben.
BonaRes (Modul A): Überwindung der Bodenmüdigkeit mithilfe eines integrierten Ansatzes - ORDIAmur
(2019)
In intensively used agricultural landscapes, path margins are one of the few refuges and nurseries for wildlife. They provide e. g. food sources and overwintering opportunities for many insects, serve as migration corridors for animals, protect soil from erosion, increase its water-holding capacity, and increase soil organic carbon, contributing thus directly to biodiversity conservation and climate change mitigation. Path margins are often municipally owned but used and managed by agriculture. For a path margin to be functional, certain conditions must be fulfilled, such as the width, the botanical composition, and how it is managed through the seasons. Therefore, it must be managed under specific requirements. A multifunctional path margin can be achieved only through the commitment of all stakeholders (e.g., farmers, municipalities, conservationists, and civil society).
Argentina substantially contributes to the global organic agriculture and food sector due to its large areas of organically managed agricultural land. However, most of the organic production is foreseen for export. Overall, food supply for the domestic organic market is hardly tapped. This study investigates the current importance of organic agriculture and food production as well as its consumption within the country. The novelty of the study also lies in the observation, documentation and analysis of latest stakeholder-driven developments towards organic agriculture and food. The publication allows to make the Argentinian organic market significantly more visible for the international audience.
Argentina substantially contributes to the global organic agriculture and food sector due to its large areas of organically managed agricultural land. However, most of the organic production is intended for export. Overall, food supply for the domestic organic market is hardly tapped. Based on this, we investigate the current importance of organic agriculture and food production as well as consumption attitudes and behavior within the country. The novelty of the study also lies in the observation, documentation and analysis of latest stakeholder‐driven developments towards organic agriculture and food. Furthermore, the publication allows the Argentinean organic market to be significantly more visible for the international audience.
Typically, plastic packaging materials are produced using additives, like e.g. stabilisers, to introduce specific desired properties into the material or, in case of stabilisers, to prolong the shelf life of such packaging materials. However, those stabilisers are typically fossil-based and can pose risks to both environmental and human health. Therefore, the present study presents more sustainable alternatives based on regional renewable resources which show the relevant antioxidant, antimicrobial and UV absorbing properties to successfully serve as a plastic stabiliser. In the study, all plants are extracted and characterised with regard to not only antioxidant, antimicrobial and UV absorbing effects, but also with regard to additional relevant information like chemical constituents, molar mass distribution, absorbance in the visible range et cetera. The extraction process is furthermore optimised and, where applicable, reasonable opportunities for waste valorisation are explored and analysed. Furthermore, interactions between analysed plant extracts are described and model films based on Poly-Lactic Acid are prepared, incorporating analysed plant extracts. Based on those model films, formulation tests and migration analysis according to EU legislation is conducted.
The well-known aromatic and medicinal plant thyme (Thymus vulgaris L.) includes phenolic terpenoids like thymol and carvacrol which have strong antioxidant, antimicrobial and UV absorbing effects. Analyses show that those effects can be used in both lipophilic and hydrophilic surroundings, that the variant Varico 3 is a more potent cultivar than other analysed thyme variants, and that a passive extraction setup can be used for extract preparation while distillation of the Essential Oils can be a more efficient approach.
Macromolecular antioxidant polyphenols, particularly proanthocyanidins, have been found in the seed coats of the European horse chestnut (Aesculus hippocastanum L.) which are regularly discarded in phytopharmaceutical industry. In this study, such effects and compounds have been reported for the first time while a valorisation of waste materials has been analysed successfully. Furthermore, a passive extraction setup for waste materials and whole seeds has been developed. In extracts of snowdrops, precisely Galanthus elwesii HOOK.F., high concentrations of tocopherol have been found which promote a particularly high antioxidant capacity in lipophilic surroundings. Different coniferous woods (Abies div., Picea div.) which are in use as Christmas trees are extracted after separating the biomass in leafs and wood parts before being analysed regarding extraction optimisation and drought resistance of active substances. Antioxidant and UV absorbing proanthocyanidins are found even in dried biomasses, allowing the circular use of already used Christmas trees as bio-based stabilisers and the production of sustainable paper as a byproduct.
New approaches in securing more sustainable urban food futures: case from Cologne-Bonn region
(2018)
Urban food systems consist of many stakeholders with different perspectives, different interests and different governance tools. This study aimed at developing potential future scenarios for the food system of Cologne by analysing the system with a Delphi approach. In our research-design, the suitability of the Delphi-method was evaluated not only as a tool for future modelling and scenario design, but also as a communication tool among the group of participants on a multi-stakeholder-platform. As a case study, the Food Policy Council of Cologne, Germany was used. Cologne can be seen as a forerunner among German cities in the development of a new urban food policy. Some of the successful steps to re-envisioning food as an urban system include joining the Milan Urban Food Policy Pact, the decision of the City Council to become an edible city and the establishment of a Food Policy Council. For the study it was important to capture participants’ visions of a common goal regarding the governance of the urban food system and also to identify mental ‘silos’. It was obvious that the municipality of Cologne together with the Food Policy Council made great efforts towards participatory processes to build a vision for a sustainable and regional food supply. However, many stakeholder-groups in the process still work exclusively among themselves and do not actively practice the confrontation with the viewpoints of other relevant groups. This supports the maintenance of ‘silos’ and leaves little room for face-to-face discussions. Therefore, the primary aim of this study is to explore key components of food provisioning in the future for Cologne while confronting all stakeholders (municipal administration and politicians, farmers and food activists) with the perspectives of all group members. We used a multi-stakeholder Delphi approach with 19 panellists to find out essential components of the municipal regional food provisioning system in Cologne. Unique in this Delphi study is the bringing together of municipal administration, regional urban farmers and food activists. The research is still on-going, but preliminary results show that more communication among all relevant actors, especially horizontally among different city departments, in the urban food system is needed.
Agricultural activities within city boundaries have a long history in both developed and developing countries. In this paper, a broad approach to Urban AgriCulture (UAC) is used, one that includes the production of crops in urban and peri-urban areas and ranges in developed countries from allotment gardens over community gardens to semi-entrepreneurial self-harvest farms and fully commercialized agriculture. With an empirical case study on UAC Initiatives in the Bonn/Rhein-Sieg region this work fills a gap since the lack of comprehensive and comparative studies on urban agriculture (UA) currently makes it difficult for researchers to identify the benefits of UA activities.
In January 2015, German retail and industry jointly started a sector-wide initiative ("Initiative Tierwohl" - ITW) to improve animal welfare standards. The principle of the ITW is communicated mostly via the websites of ITW and its participating companies. However, uncertainty remained whether or not these websites provide the necessary information consumers need on the ITW products. Based on Schwartz's basic human values, different types of consumers were identified by a cluster analysis (ward-method, k-means). The results showed that depending on expressed meta‐values (Self-Transcendence/Openness to Change Self-Enhancement or Conservation), respondents had different specific information sources and needs. Online sources were rarely mentioned, the majority of consumers referred to brochures, flyers and interpersonal contacts.
Agricultural activities within the city boundaries have a long history in both developed and developing countries. Especially in developing countries these activities contribute to food security and the mitigation of malnutrition (food grown for home consumption). They generate additional income and contribute to recreation, environmental health as well as social interaction. In this paper, a broad approach of Urban AgriCulture is used, which includes the production of crops in urban and peri-urban areas and ranges in developed countries from allotment gardens (Schrebergarten) over community gardens (Urban Gardening) to semi-entrepreneurial self-harvest farms and fully commercialized agriculture (Urban Farming). Citizens seek to make a shift from traditional to new (sustainable) forms of food supply. From this evolves a demand for urban spaces that can be used agriculturally. The way how these citizens’ initiatives can be supported and their contribution to a resilient and sustainable urban food system increasingly attracts attention. This paper presents an empirical case study on Urban AgriCulture initiatives in the Bonn-Rhein-Sieg region (Germany). Urban AgriCulture is still a niche movement with the potential to contribute more significantly to urban development and constitute a pillar of urban quality of life.
Bedingt durch die zunehmende Rohstoffknappheit rückt die Suche nach alternativen, nachhaltigen Rohstoffen immer mehr in den Vordergrund. Im Hinblick auf effiziente chemische Verwertbarkeit bietet Lignin zahlreiche Vorteile für verschiedene Anwendungsbereiche, beispielsweise für biobasierte Polyurethanbeschichtungen, etwa zum Korrosionsschutz. Wesentliche Probleme bei der Verwendung von Lignin ergeben sich durch die Heterogenität dieses Naturstoffes sowie durch dessen geringe Polymerisations-Kompatibilität mit Polyolefinen; beide Faktoren beeinflussen u. a die mechanischen Eigenschaften entsprechender Lignin-basierter Polymere. Zudem hängt die konkrete Struktur und damit auch die physikalisch/chemischen Eigenschaften des Lignins stark von der jeweiligen Rohstoffquelle sowie dem Extraktionsverfahren ab.
Ziel dieser Arbeit war die Strukturaufklärung unmodifizierter und modifizierter Kraft-Lignine (KL) und die Untersuchung der Reaktivität aromatischer wie aliphatischer Hydroxygruppen in Abhängigkeit vom pH-Wert. Hierzu wurden unmodifizierte KL aus Schwarzlauge extrahiert und nachfolgend zunächst einer Soxhlet-Extraktion unterzogen, um in Methyltetrahydrofuran lösliche Lignin-Bestandteile – vornehmlich mit aromatischem Charakter – zu gewinnen und so eine verbesserte Löslichkeit auch im bei der nachfolgenden Polyurethansynthese als Lösemittel verwendeten THF zu gewährleisten. Überdies wurden die extrahierten KL via Demethylierung von Methoxygruppen chemisch modifiziert. Zudem wurde mittels nasschemischer Methoden sowie mit differentieller UV/VIS-Spektroskopie die Anzahl an für die Polymerisation erforderliche Hydroxygruppen quantifiziert. Im Anschluss erfolgte, unter besonderer Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Nachhaltigkeitsaspekte, die Synthese Lignin-basierter und funktionalisierter Polyurethanbeschichtungen. Die Oberflächenfunktionalisierung gestattete die Verbesserung der Oberflächenhomogenität sowie - via blend formation - das Einbetten von TPM-Farbstoffen in die Coatings. Hinsichtlich des Einflusses des bei der Extraktion gewählten pH-Wertes (pH = 2 - 5) auf das Verhalten der so gewonnenen KL wurde eine Veränderung sowohl der Struktur der Lignine als auch deren thermischer Stabilität beobachtet. Zudem wurde nachgewiesen, dass mit steigendem pH-Wert die Funktionalität/Reaktivität der aromatischen wie aliphatischen Hydroxygruppen im Lignin zunimmt. Aus unmodifiziertem KL wurden erfolgreich homogene Lignin-basierte Polyurethan-Coatings (LPU-Coatings) synthetisiert; diese LPU-Coatings zeigten bei Verwendung von bei höheren pH-Werten extrahierten KL homogenere, hydrophobe Oberflächenbeschaffenheit sowie gute thermische Stabilität. Zusätzliche Modifizierung der KL durch Demethylierung führte wegen der gesteigerten Anzahl freier Hydroxygruppen zu moderater Reaktivitätssteigerung und damit zu weiterer Verbesserung der Oberflächeneigenschaften hinsichtlich einer homogenen Oberflächenstruktur und -brillanz. Im Hinblick auf den Aspekt der Nachhaltigkeit wurden durch Syntheseoptimierung - bestehend aus Einstellung der Rohstoff-Korngröße, Ultraschallbehandlung und Verwendung des kommerziellen trifunktionellen Polyetherpolyols Lupranol® 3300 in Kombination mit Desmodur® L75 - die Löslichkeit von Lignin im Polyol sowie die thermische Stabilität der LPU-Coatings erhöht. Im Zuge der Syntheseoptimierungen konnte durch verkürzte Trocknungszeiten Energieeinsparung erzielt werden; zudem ließen sich dabei die eingesetzten Mengen kommerziell erhältlicher Chemikalien verringern; beide Einsparungen führten zu Kostenreduktion. Zugleich ließ sich so nicht nur der KL-Anteil im Polymer-Coating erhöhen: Durch eine optimierte wirtschaftliche Einstufensynthese ließ sich die Umsetzung dieser Vorgehensweise auch im Rahmen industrieller Anwendungen vereinfachen. Das Einbetten ausgewählter TPM-Farbstoffe (Kristallviolett und Brilliantgrün) in die LPU-Coatings durch blend formation führte nachweislich zu antimikrobieller Wirkung der Oberflächenbeschichtung, ohne dass die Oberflächenbeschaffenheit an Homogenität verlor. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten LPU-Coatings könnten zukünftig als Korrosionsschutz- und antimikrobielle-Beschichtungen ihre Anwendung finden, z. B. in der Landwirtschaft und im Bausektor.
Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur strukturellen Aufklärung des komplexen Biopolymers Lignin. Darüber hinaus stellen die Untersuchungen und Ergebnisse eine Grundlage für eine nachhaltige Herstellung von Lignin-basierten Polymerbeschichtungen dar, die in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen werden.
Food losses occur for many reasons at all stages of supply chains for fruits, vegetables and potatoes. They cause immense economic, environmental and social costs – not only in developing countries but also in developed countries. According to the European Commission, about 90 million tonnes of food are wasted annually in Europe alone. However, particularly for the early stages of supply chains for fruits, vegetables and potatoes there is still a lack of reliable data. Thus, one objective of this study is to contribute to the quantification of food losses between field and retail, where the main focus is set on potatoes, apples, carrots, strawberries and asparagus. Furthermore, neither reasons why products are removed from the supply chains nor their alternative uses are fully examined yet. This is why, the study takes a look on those issues, too. Results are based on data from an online survey among producers of fruits, vegetables and potatoes in North-Rhine Westphalia, Germany and on interviews with producers and other supply chain experts. Findings suggest that the products’ size and form, their storage capabilities and food safety issues have big impacts on food losses. Despite a small sample size, these findings are in line with recent studies.
Der vorliegende Fachbericht ist der Abschlussbericht eines im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz durchgeführten Kooperationsprojekts des LANUV mit dem Internationalen Zentrum für Nachhaltige Entwicklung (Hochschule-Bonn-Rhein-Sieg) zur Untersuchung von Mengen und Gründen für die Entstehung von Lebensmittelverlusten bei Obst, Gemüse und Kartoffeln sowie zur Entwicklung von Vermeidungsstrategien im Winter 2016/2017.
Although much effort is made to prevent risks arising from food, food-borne diseases are an ever present-threat to the consumers’ health. The consumption of fresh food that is contaminated with pathogens like fungi, viruses or bacteria can cause food poisoning that leads to severe health damages or even death. The outbreak of Shiga Toxin-producing enterohemorrhagic E. coli (EHEC) in Germany and neighbouring countries in 2011 has shown this dramatically. Nearly 4.000 people were reported of being affected and more than 50 people died during the so called EHEC-crisis. As a result the consumers’ trust in the safety of fruits and vegetables decreased sharply.
Although much effort is made to prevent risks arising from food, food-borne diseases are an ever-present threat to the consumers’ health. The consumption of fresh food that is contaminated with pathogens like fungi, viruses or bacteria can cause food poisoning that leads to severe health damages or even death. The outbreak of Shiga Toxin-producing enterohemorrhagic E. coli (EHEC) in Germany and neighbouring countries in 2011 has shown this dramatically. Nearly 4.000 people were reported of being affected and more than 50 people died during the so called EHEC-crisis. As a result the consumers’ trust in the safety of fruits and vegetables decreased sharply.
Non-Destructive Sensor-Based Prediction of Maturity and Optimum Harvest Date of Sweet Cherry Fruit
(2017)
(1) Background: The aim of the study was to use innovative sensor technology for non-destructive determination and prediction of optimum harvest date (OHD), using sweet cherry as a model fruit, based on different ripening parameters. (2) Methods: Two cherry varieties in two growing systems viz. field and polytunnel in two years were employed. The fruit quality parameters such as fruit weight and size proved unsuitable to detect OHD alone due to their dependence on crop load, climatic conditions, cultural practices, and season. Coloration during cherry ripening was characterized by a complete decline of green chlorophyll and saturation of the red anthocyanins, and was measured with a portable sensor viz. spectrometer 3-4 weeks before expected harvest until 2 weeks after harvest. (3) Results: Expressed as green NDVI (normalized differential vegetation index) and red NAI (normalized anthocyanin index) values, NAI increased from -0.5 (unripe) to +0.7 to +0.8 in mature fruit and remained at this saturation level with overripe fruits, irrespective of variety, treatment, and year. A model was developed to predict the OHD, which coincided with when NDVI reached and exceeded zero and the first derivative of NAI asymptotically approached zero. (4) Conclusion: The use of this sensor technology appears suitable for several cherry varieties and growing systems to predict the optimum harvest date.
Adoption of Modern Maize Varieties in India: Insights Based on Expert Elicitation Methodology
(2018)
Lignin ist ein aromatisches Biopolymer, das in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt. Es ist hauptsächlich aus drei sogenannten Monolignolen (p-Hydroxyphenyl (H), Guajakol (G) und Syringol (S)) aufgebaut, die über verschiedene Bindungen miteinander verknüpft sein können, und enthält eine Vielzahl an funktionellen Gruppen. Interessant für die Verwendung von Lignin sind dabei insbesondere die vielen phenolischen Hydroxygruppen, die als Ausgangsstoff bei der Synthese neuer Produkte dienen können, daneben aber auch für seine antioxidativen Eigenschaften verantwortlich sind. Da Struktur und Eigenschaften von vielen Faktoren wie Biomasse und Aufschlussprozess abhängen, ist eine detaillierte Charakterisierung der Lignine nötig, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufzuklären und so einen Schritt näher an eine mögliche stoffliche Nutzung zu kommen. Mit dieser Arbeit soll der Einfluss der Biomasse inklusive der verwendeten Partikelgröße sowie des Organosolv-Aufschlussprozesses auf die Monomerzusammensetzung, das Molekulargewicht und die Antioxidanz der isolierten Lignine untersucht werden.
Als Rohstoffe zur Ligningewinnung dienen die drei mehrjährigen lignocellulosereichen Low-Input-Pflanzen Miscanthus x giganteus, Silphium perfoliatum und Paulownia tomentosa, die momentan hauptsächlich zur Energiegewinnung genutzt werden. Im Rahmen der Bioökonomiestrategie der Europäischen Union soll der Schwerpunkt zukünftiger Bioraffinerien jedoch auf eine ganzheitliche Nutzung von Biomassen gelegt und so auch die stoffliche Nutzung fokussiert werden. Zusätzlich zu diesen drei Pflanzen werden auch Organosolv-Lignine aus den in der Literatur bereits gut beschriebenen Biomassen Weizenstroh und Buchenholz isoliert, und zwei Nadelholz-Kraft-Lignine als Vergleich herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Art der Biomasse hauptsächlich die Monomerzusammensetzung beeinflusst: Gräser bestehen aus allen drei Monolignolen, Laubhölzer mehrheitlich aus S- und G-Einheiten, während Nadelhölzer nur aus G-Einheiten aufgebaut sind. Die Holzlignine besitzen zudem höhere Molekulargewichte sowie bessere antioxidative Eigenschaften als die Gras- und Krautlignine. Mit der feineren Vermahlung der Biomasse kann die Monomerzusammensetzung beeinflusst werden: der Einsatz kleinerer Partikelgrößen führt zu Ligninen mit einem höheren Gehalt an H-Einheiten, sowohl für Miscanthus als auch für Paulownia. Außerdem kann bei Paulownia die Ausbeute gesteigert und eine Zunahme des Molekulargewichtes beobachtet werden, wenn die kleinste Siebfraktion für den Organosolv-Aufschluss verwendet wird. Einen größeren Einfluss als der Mahlgrad der Biomasse haben die Autohydrolyse sowie der Organosolv-Aufschlussprozess selbst. Die Monomerzusammensetzung ändert sich aufgrund derselben Biomasse zwar kaum, die Bindungstypen zwischen den Monolignolen dagegen schon. Mit höherer Prozessstärke (Zeit, Temperatur, Ethanol-Konzentration) werden Etherbindungen gespalten, was den Anteil an phenolischen Hydroxygruppen und somit die Antioxidanz erhöht. Neben dieser Depolymerisation werden partiell auch Rekondensationsreaktionen beobachtet.
Die erzielten Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Ligninquelle und -gewinnung mit der daraus resultierenden Ligninstruktur und Antioxidanz und bieten damit eine Grundlage für den Wandel von der energetischen hin zu einer nachhaltigen stofflichen Nutzung dieses nachwachsenden Biopolymers. Gerade über die Wahl der Aufschlussparameter können Struktur und Antioxidanz gezielt beeinflusst werden, was in zukünftigen Studien weiter fokussiert werden sollte.