Bornimer Agrartechnische Berichte
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In der Ausgabe 99 der Schriftenreihe „Bornimer Agrartechnische Berichte“ (BAB) werden referierte Langfassungen von Beiträgen des 24. Computer-Bildanalyse-Workshops (CBA) zusammengefasst und veröffentlicht. Ziel der jährlichen Workshop-Reihe ist ein methodologischer und anwendungsorientierter Erfahrungsaustausch zwischen Forschergruppen bildgebender und spektroskopischer Verfahren in der Landwirtschaft und im Gartenbau. Gastgeber waren bisher wechselnde Forschungsinstitutionen in Deutschland. In diesem Jahr fand der CBA-Workshop erstmals nicht in Deutschland, sondern an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich und damit in der Schweiz statt.
Auch in 2018 deckte der Workshop eine große Bandbreite von Themen ab. Hierzu zählten die berührungslose spektrale Sensorik, die automatisierte Bildanalyse, vor allem aber auch neue Ansätze autonomen Phytomonitorings durch Boden- und Flugroboter auf Ackerflächen und in Obstplantagen. Besonders durch innovative Konzepte der räumlichen Datenanalyse können einzelne Produktionsschritte optimiert werden, eine Herangehensweise, die als Precision Agriculture und in Verbindung mit mobilen, intelligenten Kommunikationsmitteln inzwischen als "Smart Farming" bezeichnet wird.
Globale Vision ist es, die Produktion in der Landwirtschaft und im Gartenbau zu digitalisieren und damit so eng zu vernetzen, dass eine adaptive Beeinflussung möglich und somit ressourceneffizient und nachhaltig wird. Hier setzt die zielgerichtete Grundlagenforschung an, die darauf aufbauend spezielle Anwendungen für die Landwirtschaft hervorbringen wird. Der CBA-Workshop schafft hierbei ein geeignetes Forum für den Austausch zwischen Wissenschaft und Praxis.
Bioindikatoren der Biogasfermentation (BIOGAS-MARKER) - Entwicklung von molekularen Markern und Nachweisverfahren auf Basis der quantitativen PCR für das Monitoring von prozessrelevanten Mikroorganismen als Frühwarnsystem für Prozessstörungen
Grundlegendes Problem der Biogaserzeugung ist, dass die hierbei stattfindenden biochemischen und mikrobiologischen Stoffwandlungsprozesse bislang nur ansatzweise verstanden sind. Der Großteil der beteiligten Mikroorganismen ist nach wie vor unbekannt. Eine Kenntnis der Biogas-Mikrobiologie wird jedoch allgemein als Schlüssel für die weitere technologische Optimierung der Biogasproduktion angesehen.
Im Rahmen dieses Verbundvorhabens wurden molekulare Marker für Arten und Gruppen von Mikroorganismen entwickelt, die von zentraler Bedeutung für den anaeroben Abbau von Biomasse zu Biogas sind. Nach Ermittlung besonders prozessrelevanter Mikroorganismen wurden kultivierungsunabhängige molekulare Nachweisverfahren für die Beurteilung der Systemmikrobiologie von Biogasreaktoren etabliert.
Ziel des Leitfadens ist die Vermittlung von grundlegenden Informationen über die Trocknung von Arznei- und Gewürzpflanzen. Maximale Energieeffizienz ist entscheidend für die wirtschaftliche Effizienz von Trocknungsanlagen. Eine maximale Auslastung im Verlauf der Ernteperiode besitzt absolute Priorität. Die Betriebsweise von Trocknern und wechselnde Wetterbedingungen haben einen wesentlich größeren Einfluss auf den spezifischen thermischen Energiebedarf als das Trocknungsverhalten einzelner Pflanzenarten. Zuerst sollten deshalb die jeweiligen Trocknungsprozesse luftseitig und regelungstechnisch optimiert werden. Die Realisierung einer effizienten Energieversorgung ist dann der zweite Schritt.
Zu den Möglichkeiten der lufttechnischen Effizienzsteigerung zählt insbesondere die Trocknung mit Teilumluft. Wird der Umluftanteil optimal geregelt, so verlängert sich die gesamte Trocknungsdauer nur geringfügig. Andere effektive Maßnahmen bei der Chargentrocknung sind die Nutzung von Abluft in nachgeschalteten Trocknern oder die Umlagerung und Zusammenlegung von angetrockneten Arzneipflanzen auf einer kleineren Rostfläche. Alle diese Maßnahmen ermöglichen Energieeinsparungen von mehr als 25 %.
Basierend auf Simulationsergebnissen zur Flächentrocknung von Kamilleblüten wurden verschiedene Varianten der Energieversorgung vergleichend analysiert. Bei ununterbrochener Trocknung über mehrere Tage und Nächte sind die durch Solarwärme erreichbaren Energieeinsparungen relativ klein. Die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) und Teilumluft ergab hingegen Primärenergieeinsparungen von 73 %. Wirtschaftlichkeitsanalysen zeigen, dass sich der geregelte Teilumluft-Betrieb in weniger als zwei Jahren amortisiert. Unter Berücksichtigung von Fördermitteln wurden für die untersuchten Varianten Nutzung von BHKW-Abwärme, Kombination Wärmepumpe und BHKW sowie Nutzung von Solarwärme Amortisationsdauern zwischen ca. sechs und zehn Jahren ermittelt.
Etablierung eines core-Mikrobioms für Biogasanlagen –
Genom-Sequenzierung von Isolaten aus Biogasanlagen und Mapping von Metagenom-Datensätzen
BIOGAS-CORE
Die Gewinnung von Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Reststoffen ist wesentlicher Baustein einer nachhaltigen und CO2-neutralen Energieerzeugung. Der anaerobe Abbau von Biomasse zu Biogas erfolgt durch eine komplexe und dynamische Lebensgemeinschaft bestehend aus einer Vielzahl von Bakterien und Archaeen. Zur Aufklärung der mikrobiologischen Strukturen und funktionellen Zusammenhänge der Mikroorganismen untereinander gewinnen Hochdurchsatztechnologien zur DNA-Analyse zunehmend an Bedeutung.
Grundlegend hierfür ist der Aufbau einer Referenzdatensammlung für das Kern- („core“) Mikrobiom von exemplarischen Biogasanlagen. Im Rahmen von fünf Teilvorhaben wurden dazu folgende Arbeiten durchgeführt: (1) Gewinnung von Isolaten für cellulolytische, acidogene, acetogene und stickstoffumsetzende Bakterien sowie für methanogene Archaea unter Etablierung neuartiger Verfahren zur Isolierung von Mikroorganismen aus Biogasreaktoren, (2) Sequenzierung und bioinformatische Auswertung der Genome der Isolate ausgewählter, insbesondere neuartiger mikrobieller Arten, (3) ergänzende Erhebung, Analyse und Interpretation des mikrobiellen Metagenoms von ausgewählten Biogasreaktoren und Abgleich mit bereits vorhandenen Metagenomdaten und den Genomdaten der erzeugten Isolate.
Die Isolatgewinnung erfolgte aus Probenmaterial von insgesamt 16 mesophil oder thermophil betriebenen landwirtschaftlichen Biogasanlagen und sechs Modellfermentern im Labormaßstab. Mittels elf verschiedenen Kultivierungsverfahren wurden Isolate für insgesamt 78 Arten aus zwölf Klassen für fermentative Bacteria und acht Arten aus zwei Klassen für methanogene Archaea mit Wachstum bei mesophilen Temperaturen entwickelt. Ergänzende Kultivierungsverfahren für thermophile Mikroorganismen resultierten in Isolaten für insgesamt 32 Arten aus zusammen fünf Klassen für Bacteria und Archaea. Basierend auf diesen Isolaten wurden acht neue Arten von Mikroorganismen beschrieben. Für insgesamt 16 Arten aus der Domäne Bacteria und fünf Arten aus der Domäne Archaea wurden draft-Genome erstellt. Hiervon wurden fünf ausführlich charakterisiert.
Die Kombination von kulturbasierter und kultivierungsunabhängiger Analyse wies auf einen sehr hohen Anteil unbekannter Arten hin. Lediglich 17,5 % der sequenzierten 16S rRNA Gene konnten bereits bekannten Gattungen zugeordnet werden. Dieses unterstreicht die Notwendigkeit der Entwicklung und Anwendung von neuen Kultivierungsstrategien.
Die gesicherte Bereitstellung und Aufbereitung von Holzhackschnitzeln ist Grundlage für den wirtschaftlichen Betrieb von Bioenergieanlagen. In den folgenden Beiträgen werden mögliche Potentiale zur Optimierung der Biomassebereitstellung für eine energetische Nutzung gezeigt. Vorgestellt werden unterschiedliche Varianten zur Lagerung, Belüftung und Trocknung. Für die fremdenergiefreie Trocknung wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem spezielle Belüftungskanäle in einen Hackschnitzelhaufen eingebaut werden. Das Verfahren weist unter allen bekannten Möglichkeiten einer gezielten Trocknung von Hackgut die geringsten Kosten auf. Ein bisher nicht wenig betrachtetes Problem stellt die Selbstentzündung von Lagerhaufen dar. Ergebnisse der Simulation von Selbstentzündungsvorgängen bei Kieferhackschnitzeln werden mit Testdaten verglichen und diskutiert, um optimale Lagerbedingungen abzuleiten, die eine Selbstentzündung ausschließen. Ein weiterer Bericht zeigt Ergebnisse der seit 1998 durchgeführten Lagerversuche im halb- und großtechnischen Maßstab zur Analyse von Schimmelpilzentwicklung und Trockenmasseverlusten in Holzhackschnitzelhaufen. Hier konnte ein dominierender Einfluss der Hacklänge auf die untersuchten Parameter Temperatur in der Schüttung, Schimmelpilzentwicklung, Trocknungsverlauf sowie Trockenmasse- und Energieverlust festgestellt werden. Mit der Entwicklung von pilzlichen und bakteriellen Lebensgemeinschaften in einer Kiefernholzhalde befasst sich ein weiterer Bericht. Dafür wurde eine Halde 15 m x 20 m x 6 m errichtet um ein Verständnis der Abläufe mikrobiologischer Prozesse erhalten zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Funktion und die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften über die Lagerzeit ändern und die Prozesse nur zum Teil mit denen in Kompostieranlagen vergleichbar sind. Die strömungsmechanische und thermodynamische Modellierung von Hackschnitzelschüttungen und der Vergleich mit experimentellen Untersuchungen ermöglichen die Optimierung der Hackschnitzeltrocknung. Hierfür wurden Pappelhackschnitzel mit den Korngrößen grob (24 mm), mittel (14 mm) und fein (8,5 mm) unter Zwangsbelüftung getrocknet und analysiert. Das beste Ergebnis konnte bei groben Holzhackschnitzeln mit homogener Korngrößenverteilung erreicht werden. Ein thermodynamisches Modell der Trocknungsvorgänge zeigt die Temperatur- und Feuchteverläufe im Lagerhaufen für unterschiedliche Korngrößen.
In dieser Studie wurde die Entwicklung methanogener Biofilme in meso- und thermophilen ein- und zweistufigen Biogasreaktoren bei der Vergärung von Maissilage untersucht. Ziel war neben der kultivierungsunabhängigen Charakterisierung von Struktur und Dynamik der mikrobiellen Lebensgemeinschaften und ihrer Stoffwechseleigenschaften insbesondere auch die Entwicklung von Strategien zur Ansiedlung solcher Biofilme.