TaReCa – Cascade utilization of horticultural biomass for a resource efficient production of valuable bioactive substances

Viele pflanzliche Sekundärmetabolite haben antioxidative oder andere bioaktive Eigenschaften, weshalb sie einerseits wichtige Bestandteile der menschlichen Ernährung sind, andererseits aber auch als pharmazeutische Verbindungen oder als Substrat für die chemische Synthese von bioaktiven Substanzen verwendet werden. Pflanzen induzieren die Produktion solcher nutzbaren Sekundärmetabolite wie z.B. Flavonoiden als Reaktion auf abiotischen Stress. Die Produktion von Gemüse und Früchten in Gewächshäusern hinterlässt große Mengen an ungenutzter pflanzlicher Biomasse, welche eine potentielle Ressource für die Gewinnung wertvoller Metabolite darstellt. Durch eine kaskadenartige Verwendung von Gartenbaukulturen zur Produktion von Früchten und Gemüse mit einer anschließenden Gewinnung hochwertiger Substanzen aus der verbleibenden Restbiomasse würde ein erheblicher Mehrwert generiert. Das Projekt TaReCa bearbeitet die Entwicklung einer maßgeschneiderten Kaskadenverwertung von Paprikapflanzen-Restbiomasse aus dem Gartenbau. Dabei soll der pflanzliche Sekundärmetabolismus durch spezifische abiotische Stressbedingungen nach der Fruchternte gezielt induziert werden, um die Konzentrationen der Zielmetaboliten zu steigern. Durch umweltfreundliche und wirtschaftliche Extraktionsprozesse und eine anschließende Verwertung des verbleibenden Pflanzenmaterials in einer Bioraffinerie wird die Wertschöpfungskette erweitert. Eine Analyse der Anwendungsgebiete sowie Untersuchungen zur Akzeptanz der induzierten Inhaltsstoffe, Prozesse und Technologien werden helfen, das Marktpotenzial der Restbiomasse für die Nutzung in Kaskaden zu evaluieren. Die maßgeschneiderte Nutzung von Gartenbaubiomasse durch Lebensmittelproduktion, Extraktion bioaktiver Sekundärmetabolite und Bioraffinerien kann wirtschaftlich relevante, biobasierte Produkte für industrielle Anwendungen erzeugen und somit zur Entwicklung einer nachhaltigen, effizienten und integrierten Bioökonomie beitragen, ohne mit der Lebensmittelproduktion zu konkurrieren.Many plant secondary metabolites have antioxidant or pharmaceutically relevant properties, which makes them important components of the human diet, but also as pharmaceutical compounds or for the chemical synthesis of bioactive substances. Plants induce the production of secondary metabolites, e.g. flavonoids in response to environmental stress stimuli. The production of vegetables and fruits in greenhouses leaves huge amounts of so far under-utilized biomass after fruit harvest, which is a potential source for production of valuable metabolites. A cascade utilization of horticultural crops to produce fruits and vegetables with subsequent extraction of high quality compounds would generate significant added value. The project TaReCa is working on the development of a tailored cascade utilization of bell pepper plant residues from horticulture. The secondary metabolism will be induced by specific abiotic stress treatments after the last fruit harvest, in order to increase the concentrations of the target metabolites. Eco-friendly and economical extraction processes and subsequent utilization of the remaining plant material in a biorefinery will expand the value chain. An analysis of the application areas as well as studies on the acceptance of the induced ingredients, processes and technologies will help to evaluate the market potential of the residual biomass for the proposed cascaded use. The tailored utilization of horticultural biomass in food production, extraction of bioactive secondary metabolites and biorefineries can produce economically relevant bio-based products for industrial applications and thus contribute to the development of a sustainable, efficient and integrated bioeconomy without competing with food production

Vergleich hyper- und multispektraler optischer Sensoren bezüglich ihres Potentials zur Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen in Binnengewässern

Aquatische Systeme wie Seen und Flüsse bilden eine wesentliche Grundlage des Lebens sowohl für den Menschen als auch für viele Tier- und Pflanzenarten und erbringen darüber hinaus zahlreiche sogenannte Ökosystemleistungen. So dienen sie unter anderem als Trinkwasserreservoir für Menschen und Nutztiere, der landwirtschaftlichen Bewässerung und dem Hochwasserschutz. Außerdem erfüllen sie viele weitere Funktionen, zum Beispiel als Transportweg für die Binnenschifffahrt, für das Fischereiwesen und für Naherholung und Tourismus. Binnengewässer spiegeln auch den Zustand einer sich verändernden Umwelt wider, in der sich Klimawandel, anthropogene Einflüsse und Veränderungen der Landnutzung- und Bedeckung beobachten lassen. Mit der seit 2000 geltenden Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) der Europäischen Gemeinschaft ist die Einhaltung von Mindestanforderungen an die Wasserqualität vorgeschrieben. Das Monitoring von größeren Seen ist demnach von extremer Wichtigkeit. Allerdings kann es aufgrund der teilweise schlechten Zugänglichkeit Probleme geben. Auch sind Beprobungen in Form von In-situ-Messungen mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Lokale Wasserproben, welche üblicherweise per Boot oder mittels stationärer Messstationen entnommen werden, können im Labor analysiert werden. Fernerkundung (FE) ist eine Möglichkeit flächendeckende, räumlich und zeitlich hochaufgelöste sowie kostengünstige Informationen über die Erdoberfläche zu erhalten. Die Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen durch deren Spektralcharakteristik sowie der Einfluss der Atmosphäre auf die Messwerte stellen die Gewässerfernerkundung vor Schlüsselprobleme. Durch die Streuung und Absorption des Sonnenlichts innerhalb der Atmosphäre kommt es zu einem Störeinfluss der am Sensor ankommenden Strahlung. Ein weiterer Störfaktor ist die Spiegelreflexion des Lichts an der Oberfläche des Wasserkörpers. Bevor das am Sensor empfangene Signal interpretiert und der Gehalt von Wasserinhaltsstoffen bestimmt werden kann, muss es mittels Korrekturverfahren bereinigt werden. Mit speziellen Algorithmen lassen sich die Konzentrationen von Wasserinhaltsstoffen (z.B. Phytoplankton, Sedimenten und gelösten organische Substanzen) berechnen, die dann wiederum Informationen über den ökologischen Zustand eines Gewässers liefern. Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Potentials der multi- und hyperspektralen Fernerkundungssensoren bezüglich der Bestimmung der Wasserinhaltsstoffe. Als Grundlage dafür dienen die Daten der Messkampagne vom Stechlinsee. Dazu werden mit dem Programm WASI typische Wasserinhaltsstoffe (Chlorophyll-a, Schwebstoffe, Gelbstoffe) für den Stechlinsee bestimmt. Die Atmosphärenkorrektur der FE-Sensoren sowie die Maskierung der Wasseroberfläche sind essenzielle Vorbedingungen für eine möglichst korrekte Berechnung der Wasserinhaltsstoffe. Die Genauigkeit der ermittelten Wasserinhaltsstoff-Konzentrationen aus den optischen FE-Sensoren wird untersucht und mittels der In-situ-Messungen überprüft. Durch die Nutzung von statistischen Maßen wird eine Rangfolge erstellt, in welcher die FE-Sensoren nach ihrer geringsten Abweichung zu den In-situ-Messungen geordnet werden. Die sich ergebende Rangfolge gibt Aufschluss darüber, wie gut die eingesetzten Sensoren zur Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen geeignet sind