Bornimer Agrartechnische Berichte
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Im Rahmen des BiogasCropNetwork (BCN) haben zehn Forschungseinrichtungen aus Deutschland den Prozess der Biogasbildung aus Pflanzen systematisch untersucht. Dieses Netzwerk wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt. Ziel des BCN lag in der systematischen Analyse der Biogasbildung aus pflanzlicher Biomasse entlang der gesamten Weitschöpfungskette. Beispielhaft wurden unterschiedliche Biogaspflanzen ausgewählt, die sich hinsichtlich Struktur und stofflicher Zusammensetzung unterschieden. Schwerpunkte der Arbeiten bildeten die mechanisch- enzymatische Vorbehandlung, die verfahrenstechnische Optimierung der Biogasbildung, die Analyse und Dynamik der am biochemischen Abbau beteiligten Mikroorganismen sowie die Entwicklung von Modellen zur optimalen Einlagerung und zur Beschreibung des anaeroben Abbauprozesses.
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Agriculture across the world is being transformed by the dynamic interaction of environ-mental and socio-economic factors such as the demand of global markets, urbanization, agricultural commercialization and intensification, climate change, concentration and ver-tical integration of food and bioenergy production. Innovation to adapt agricultural produc-tion to these challenges has to tackle the contemporary complexity of agricultural systems and its changing framework. The Zayandeh Rud river basin in Central Iran urgently needs forward-looking strategies for agricultural production in the midst of the acute problems of water scarcity and unequal water distribution between sectors and regions. The imbalance between water quantity and demand over the last two decades has motivated policy mak-ers and managers to seek measures and strategies to reduce agricultural water use while minimizing losses in agricultural revenues. Addressing this complexity requires adaptation strategies in agriculture and rural development based on multi-stakeholder interaction.
The report at hand is one outcome of the project “Integrated Water Resources Manage-ment Zayandeh Rud” (3/2016 - 12/2018). It is an outcome of a strongly interactive process with local stakeholders designed and moderated in a cooperation between the German and Iranian project partners. The information gained in through the participatory process was synthesized into ten transformation strategies that are grouped into four focus areas (Capacity Development, Agricultural Management, Water Distribution, and Land Manage-ment and Soil Fertility). The participatory process and the resulting strategies with measures for their implementation are detailed in this report.
Important for the success of the agricultural transformation is the willingness of govern-ments, farmers, donors, companies and civil society organizations to assume responsibil-ities, take risks and change behaviors at the level of individuals, organizations and society to pursue an accepted solution within the basin. The Iranian commitment to implementing IWRM in the Zayandeh Rud Basin and the two phases of the BMBF-funded project “IWRM” have been crucial steps towards the path to enhance the socio-economic and environmental situation in the Zayandeh Rud Basin. The comprehensive, deep and par-tially difficult but target-oriented discussions of the multi-stakeholders during the participa-tory workshops have been valuable contributions to improve communication and, there-fore, the understanding of the diverse perspectives on the same challenging need for transformation.
Key to all the proposed transformation strategies in the report are activities to continue the development of a common knowledge base and set of tools, so that integrated re-source management plans can be put forward and continually evaluated. Also empha-sized is the need to involve all stakeholders to prevent fear of bias from hindering general acceptance of the tools. This is essential since none of the strategies can be expected to reduce basin-wide agricultural water use by themselves if the overall area of irrigated cul-tivated land area is not reduced.
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Der Erfolg einer präzisen Düngung der Grundnährstoffe (P, K, Mg, Kalk) hängt wesentlich von dem Aufwand ab, der für die Erzeugung genauer Ausbringekarten erforderlich ist. In diesem Projekt wurden Daten, die in einem großen landwirtschaftlichen Betrieb (3000 ha) verfügbar waren bzw. durch zusätzliche Untersuchungen gewonnen wurden, genutzt, um den Einfluss der Probenahmedichte und verschiedener Interpolationsmethoden auf die Genauigkeit der Ausbringekarten zu untersuchen. Eine Simulation der on-the-go Erfassung des pH-Wertes sowie der Grundnährstoffe zeigte, dass diese Technik in der Lage ist, die Mängel, die mit der traditionellen Probenahme verbunden sind, zu überwinden. Außerdem wurden die Wirtschaftlichkeit sowie die potentielle Über- und Unterdüngung verschiedener Varianten der teilflächenspezifischen Düngung kalkuliert. Das beste Ergebnis wurde für die kleinste untersuchte Teilfläche von 1 ha ermittelt.
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Abstract
Broccoli (Brassica oleracea var. italica) is a highly perishable crop. The aim of the work presented here is to find ways to predict storability of broccoli shortly after harvest. Several methods are examined regarding their suitability for predicting broccoli storability.
The non-destructive, optical measuring devices used in this work represent some of the common methods used for scientific quality assessment (color determination, chlorophyll fluorescence analysis). In addition, spectral data from diffuse reflection measurements, from both spot measurements and hyperspectral images, was evaluated. The generative development of broccoli curds was studied using diameters both of single buds and of whole curds, and was related to subsequent storability.
The concentrations of the chlorophylls a and b, green chlorophyll catabolites chlorophyllide a (Chlide), pheophytin a (Pheoin), pheophorbide a (Pheoide) and carotenoids ß-carotene (ß-Car), lutein (Lut), neoxanthin (Nx) and violaxanthin (Vx) were determined in floral buds of broccoli through the use of high pressure liquid chromatography (HPLC). The goal was to determine if chlorophyll catabolites may function as indicators of broccoli storability and, furthermore, to relate the concentrations of photosynthetic pigments to the color change of broccoli during storage.
In order to investigate effects from the field on the subsequent storability of broccoli, cultivation methods were altered. Plants were partly covered with covers of different materials, which affected the quantity and quality of incident global radiation. The application of fertilizers was specifically varied in one broccoli batch. Additionally, the influence of climatic events on the shelf life of broccoli was analyzed by querying an established database.
The non-destructive indexes that proved to be most sensitive to changes during storage were the levels of photosynthetic efficiency (Fv/Fm, ΦPSII), the CIELAB color space coordinate on a blue to yellow scale (b*) and the inflection point of reflection spectra in the transition region from dark red to infrared electromagnetic wavelength range (REIP). However, based on parameter sensitivity, the prediction of value levels after four days of storage at 16 °C and high relative humidity (RH) (~ 95 %) was unfeasible. Quality indexes that changed on the same storage day did not necessarily end up at the same value level. Additionally, values of both Fv/Fm and ΦPSII did not adequately reflect the quality status of broccoli when different harvest batches were compared.
In hyperspectral images, early quality changes were effectively rated based on Euclidean distances within broccoli curds and were displayed using reflection intensities at three wavelengths within the visible electromagnetic spectrum as RGB channels. The observed variation within broccoli curds was related to differences in the degree of senescence of single floral buds. However, the diameters of floral buds did not correspond to a rating of storability. In contrast, curd diameters within individual harvest batches were related to subsequent yellowing.
The yellowing of broccoli was based on the decomposition of chlorophyll, which unmasked the carotenoids present. No accumulation of chlorophyll catabolites was found during storage. A trend towards rapidly increasing chlorophyll a/b ratios was observed in a broccoli batch with particularly high storability.
Different N-fertilization of broccoli curds closely corresponded both with values of initial lightness L* of the CIELAB color space (R² = 0.70) and normalized difference vegetation index NDVI (R² = 0.73). Yet, N-fertilization had no impact on further storability. A negative impact on storability was observed when the spectrum of incident radiation on the field was temporarily reduced by using plastic covers with limited transmittance (λ = 400-500 nm). In a similar way, an increased number of hours with high solar radiation intensity (> 600 W m-2) during cultivation had a negative impact on broccoli storability (R² = 0.47). The impact of high irradiation partly corresponded with temperatures higher than 25 °C (R² = 0.29). A strong predetermination of curd storability was observed based on the water availability for broccoli plants in the last two weeks before harvest (R² = 0.71).
A successful prediction of broccoli storability is therefore most likely to be conducted by looking at effects during cultivation. For early non-destructive evaluation of the current quality status of broccoli, both the parameter b* and the spectral index REIP were highly suitable. Therefore, through the help of monitoring systems throughout cultivation (database of climate and cultivation incidents) in combination with reflection-based, hand-held devices during storage, the prediction and rating of broccoli storability can certainly be improved.
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Im vorliegenden Band werden die Ergebnisse aus zwei Forschungsprojekten, die mit finanziellen Mitteln des Bundesprogramms Ökologischer Landbau ( BMVEL (BLE)-02OE556und -02OE482 ) gefördert wurden, vorgestellt. Beide Forschungsprojekte befassen sich mit Fragen der Qualitätserhaltung/-sicherung von ökologisch erzeugten Gartenbauprodukten im Nacherntebereich. Auf der Grundlage unterschiedlicher Wissenschaftsdisziplinen wurden mit einem technisch-technologischen Ansatz und mit einem sozio-ökonomischen Ansatz Ergebnisse erarbeitet, die die in der Nachernte handelnden Akteure befähigen sollen, qualitativ hochwertige Produkte bereitzustellen. Die Zielstellung des Projekts "Qualitätserhaltendes Handling von Bioobst und Biogemüse im Einzelhandel und bei der Direktvermarktung" bestand darin, eine verbesserte Qualitätserhaltung von ökologisch erzeugtem Obst und Gemüse in der Nacherntekette vom Erzeuger bis zu Verbraucher durch optimale Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Am Beispiel von drei ausgewählten Produktarten wurde einfach, wirksame und praxistaugliche Methoden zur qualitätserhaltenden Aufbewahrung empfindlicher Produkte abgeleitet. Fast alle Aussagen basieren auf aufwendigen, eigenen Versuchsanstellungen, die im Rahmen von Nacherntesimulationen unter Laborbedingungen ermittelt wurden.
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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.
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Zur Messung und Kontrolle der Qualität von Obst und Gemüse wurde ein portables einsetzbares zerstörungsfreies Messverfahren auf der Basis der Multigas-Analyse entwickelt und hinsichtlich seiner Eignung untersucht, die qualitätsrelevanten Gaswechselprozesse zwischen Produkt und umgebender Atmosphäre zu erfassen. Ziel war es eine online-fähige Methode zur Produktzustandsanalyse in den Vor- und Nachernteprozessen der Versorgungskette gartenbaulicher Kulturen zu erhalten.