Bornimer Agrartechnische Berichte
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102
Dass die landwirtschaftliche Produktion vor großen Herausforderungen steht, wird wahrscheinlich seit dem Beginn der Workshopreihe Computer-Bildanalyse (CBA) im Jahre 1995 proklamiert. Doch nie zuvor waren die Veränderungen, die die Digitalisierung und die hohe Verfügbarkeit kostengünstiger neuer Technologien und Sensoren mit sich bringen, so spürbar und zum Greifen nah wie heute. Sie versprechen dabei, die Anforderungen der Zukunft zumindest in Teilen zu lösen. Sensoren stellen seither eine wichtige Verknüpfung zwischen Realität und Computermodell dar, wobei Kameras als günstige und hochauflösende Sensoren inzwischen verstärkt zum Einsatz kommen. Die Beiträge des 25. CBA-Workshop werden in diesem Band 102 der Bornimer Agrartechnischen Berichte abgedruckt und umfassten Themen aus dem Bereich der Präzisionslandwirtschaft, berichten über Anwendungen von fliegenden Sensorplattformen zur Erfassung von sichtbaren und
unsichtbaren Bestandesparametern, Verfahren zur Krankheitsdetektion basierend auf hyperspektralen Reflektanzmustern bishin zu neuen Ansätzen für die effiziente Auswertung aktuell verfügbarer Fernerkundungsdaten.
99
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.
95
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.
94
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.
92
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.
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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.
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Der anaerobe Abbau von Biomasse zu Biogas erfolgt durch eine komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaft aus fermentativen Bakterien und methanogenen Archaeen. Der Großteil der daran beteiligten Arten ist bislang jedoch noch unbekannt, ebenso ihr jeweiliger Einfluss auf die Reaktorleistung. In den letzten Jahren konnten in der mikrobiologischen Analytik jedoch gewaltige technologische Durchbrüche erzielt werden, welche die Analyse von komplexen Lebensgemeinschaften auch für höheren Probenzahlen ermöglichen. Im Rahmen des im Folgenden dargestellten Forschungsvorhabens sollten diese neuartigen Techniken gezielt eingesetzt werden, um die Auswirkungen verschiedener Betriebsweisen von Biogasanlagen auf die Prozessmikrobiologie in der Praxis zu untersuchen. Weiterhin sollten Zusammenhänge zwischen der Prozessmikrobiologie sowie der Reaktorleistung ermittelt werden. Übergreifendes Ziel war die Ermittlung besonders prozessrelevanter Arten oder Organismengruppen.
Das Verbundprojekt umfasste die Teilvorhaben (1) Mikrobiologisches Monitoring (Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. Abt. Bioverfahrenstechnik), (2) Taxonomisches Profiling (Universität Bielefeld, Centrum für Biotechnologie), (3) Metaproteom-Analytik (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Bioprocess Engineering) und (4) Biostatistische Prozessdatenauswertung (Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie).
Die Schlussberichte aller vier Teilvorhaben sind in diesem Band der Bornimer Agrartechnischen Berichte in ungekürzter Form enthalten.
83
19. Arbeitswissenschafltiches Kolloquium des VDI-MEG Arbeitskreises Arbeitswissenschaften im Landbau
(2014)
Der Bornimer Agrartechnischer Bericht 83 ist das Sammelwerk zum 19. Arbeitswissenschaftlichen Kolloquium des Fachausschusses Arbeitswirtschaft im Landbau beim VDI-MEG. Die Veranstaltung stand unter dem Motto „Arbeit im Wandel“ und findet im zweijährigen Turnus statt. 17 Einzelvorträge der unterschiedlichen Themen sind in ihrer Langfassung im Tagungsband veröffentlicht. Als Themenkomplexe wurden Arbeitsorganisation, Arbeitswissenschaftliche Methodik, Arbeitssicherheit, Ergonomie, Arbeitswirtschaft, Prozesstechnik und Betriebsmanagement mit Einzelbeiträgen im landwirtschaftlichen Kontext vorgestellt.