Nährstoffversorgung von Ackerbohnen im Ökologischen Landbau

Inadequate nutrient supply frequently limits biological nitrogen fixation (BNF), plant growth and grain yield of legumes. Under no-till conditions, root growth may be restrained and therefore reduce nutrient uptake. Our studies were carried out to assess the nutrient status of Vicia faba L. (particularly at the onset of bloom) in Germany by using newly created DRIS (Diagnosis and Recommendation Integrated System) norm values, Critical Nutrient Levels (CNL), and the optimum nutrient range. In a field experiment in 2010 at 4 sites (Klein-Altendorf, Wiesengut & 2 organic farms) the applied fertilizers were fermentation residues, compost, pomace, meat-bone-meal, rock-phosphate, sodium-molybdate, potassium sulphate, and borax. Nutrient elements measured in leaf samples were: C, N, S, K, Ca, P, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, B and Mo. As S was detected to be deficient, K2SO4 (35 kg S/ha) had a significantly positive effect on plant growth, yield and symbiosis

Neue Methoden zur Bekämpfung des Echten Mehltaus im Ökologischen Landbau

Blattoberflächen-modifizierende Salzapplikationen sollten als Bekämpfungsmittel gegen Echten Mehltau an Tomaten und Gurken getestet werden hinsichtlich folgender Eigenschaften: - Wirkung verschiedener Salze - Blattverträglichkeit - Untersuchung der unterschiedlichen Wirkungsmechanismen mittels REM - Übertragbarkeit in praxisnahe Versuche. Die verschiedenen Salzlösungen und Kombinationen aus diesen Salzen unterschieden sich deutlich in ihrer Wirkung auf Gurkenmehltau. Die beste Wirkung ergab sich mit allenfalls geringer Schädigung des Blattes mit 0,1% MnCl2, 1 % Patentkali (K2SO4/MgSO4) und 1% Knöterichextrakt. MnCl2 liegt auf Grund seines niedrigen Deliqueszenzpunktes ständig gelöst auf der Blattoberfläche vor, wogegen sich Knöterichextrakt und Patentkali auf der Blattoberfläche in einer Art „Salzkriechen“ verteilen durch häufigen Wechsel zwischen Trocknen und Wiederverflüssigung. Salzschäden ließen sich verringern durch Zusatz von Netzmitteln zur Sprühlösung. Rasterelektronische Visualisierung zeigte für alle untersuchten Lösungen einen direkt toxischen Effekt auf die Mehltausporen und ihre Hyphen in jeder Entwicklungsphase des Pilzes. Eine Verbesserung des Nährstoffstatus der Pflanzen scheidet als Wirkungsmechanismus aus, da alle Pflanzen optimal ernährt waren und die Behandlungen zu keinen signifikanten Veränderungen der Nährstoffgehalte in den Blättern führten. Besonders chloridische Salze führten z.T. zu erheblicher Nekrotisierung der Blätter. Da diese Salzlösungen jedoch auch in geringer Konzentration in der Lage waren, die Ausbreitung des Echten Mehltau effektiv zu verhindern, sollten Möglichkeiten zur Mikrodosierung dieser Salze geprüft werden. Extreme Witterungsbedingungen im Sommer 2003 führten dazu, dass Praxistests nicht ausgeführt oder normal beendet werden konnten. Es gilt jedoch als sicher, dass einige der untersuchten Salzmischungen in geringen Konzentrationen (zw. 0,1 und 1%) den Befall mit Echten Mehltaupilzen effektiv reduzieren können, ohne Blattoberflächen zu schädigen

Modelling of Lemna minor L. growth as influenced by nutrient supply, supplemental light, CO2 and harvest intervals for a continuous indoor cultivation

Given the proper conditions, Lemna spp. rapidly produce a high amount of valuable biomass which is considered as an alternative source for feed and food. For a continuous and long-term indoor production under controlled conditions, environmental and harvest parameters have to be optimized to suppress algal growth and constantly yield a high-quality product. Experimentally assessing the effect of a larger number of parameters on the growth rate ri is impossible due to the theoretically high number of parameter combinations. Thus, a SIMILE® - based model has been developed. This enables production parameters to be assessed individually for its effect on the growth rate ri by a differential equation. Start values for numerical integration were taken from measured data and analytical solutions of the differential growth equation. At 400 ppm CO2, the regrowth rate ri in an optimized laboratory set-up amounted to 216 g FM·m−2d−1, harvesting one third of the biomass at intervals of 5 days. In up-scaled set-ups, lower regrowth rates ri of about 173 g FM·m−2d−1 (Kalkar) and 190 g FM·m−2d−1 (Berlin) were obtained, because temperature and light conditions were below optimum. At 3,500 ppm CO2, the regrowth rate ri in laboratory set-up increased to 323 g FM·m−2d−1 by shortening the harvest interval to three days. Maximum growth rates ri were obtained with an NH4+/NO3- ratio of 1/9 at 1.14 mM total N concentration. The results indicate how to optimize culture conditions and harvest intervals. Model runs closely match the experimental data taken from the three different approaches and thus confirm the validity of the model

Untersuchungen zum Eintrag von Antibiotika und natürlichen endokrinen Disruptoren nach Gülleausbringung in Gewässer Nordrhein-Westfalens

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Themenkomplex „Antibiotikarückstände in der aquatischen Umwelt“. Es werden dazu relevante Kompartimente und Eintragspfade in die Oberflächengewässer, ausgehend von Gülle und Bodenuntersuchungen, sowie Kläranlagenzulauf- und -ablaufproben auf Gehalte an Human- und Veterinärantibiotika untersucht. Zentrale Fragestellung war, wie Rückstände in die Gewässer gelangen, welche Zusammenhänge im aquatischen System bestehen, ob die veterinärmedizinische Anwendung einen Einfluss auf die Gehalte hat und welche Risiken oder Problematiken sich aus den Befunden ergeben. Nach der Vorstellung der untersuchten Klassen, der Wirkungsmechanismen, der Resistenzproblematik, der Darstellung der rechtlichen Grundlagen, der Verbrauchsmengen, der Eintragswege, sowie der abgeschätzten Umweltkonzentrationen, werden die verwendeten Nachweisverfahren, HPLC-UV, LC-MS/MS und Immunoassay (ELISA) zur Bestimmung von Rückständen in den besagten Matrizes, beschrieben. Es wurde ein SPE-Anreicherungsverfahren entwickelt, das in Kombination mit einem LCMS/ MS-Verfahren zur Bestimmung von Antibiotikarückständen in Oberflächengewässern diente. Daneben wurden Immunoassays u.a. für Sulfonamid-Antibiotika entwickelt und angepaßt, die die Bestimmung von Rückständen in Bodenextrakten und Güller erlauben. Ausgehend von Messungen in den Primär-Matrizes, wie Abwasser und Gülle konnten Rückstände im Bereich weniger μg/L im Abwasser bzw. weniger mg/L in Gülle (bis zu 19 mg/L) bestimmt werden. In mit Gülle beaufschlagten Böden konnten ebenfalls Rückstände, allerdings nur noch im μg/kg-Bereich, gefunden werden. In Oberflächenwasser lagen die Konzentration im ng/L-Bereich mit Höchstwerten von 300 ng/L. Am häufigsten traten Makrolide, Sulfonamide und Lincosamide auf. Dabei konnten Antibiotika sowohl aus der Human-, als auch aus der Veterinäranwendung gefunden werden, letztere allerdings in deutlich niedrigeren Konzentration von weniger als 10 ng/L (maximal 90 ng/L Tylosin). Daher konnte ein Einfluss der Landwirtschaft auf das Vorkommen von Rückständen in Gewässern nachgewiesen werden, wenngleich dieser Einfluss im Vergleich zum Einfluss der Humananwendung unbedeutend ist. Insgesamt gesehen, konnten die Eintragspfade von Antibiotika in die aquatische Umwelt aber aus beiden Bereichen der Anwendung nachverfolgt werden. Zwischen ländlichen Gebieten und dichter besiedelten Gebieten wurden keine Unterschiede deutlich. Da der weitaus größte Anteil aus Humanpharmaka besteht, die mit Kläranlagenabflüssen eingetragen werden, ist für die Gehalte der Anteil von Abwasser in den Gewässern bestimmend. Anhand von Gewässerscreeninguntersuchungen und Zeitreihen konnten interessante Zusammenhänge im aquatischen System erkannt werden: In den Flüssen besteht eine umgekehrte Proportionalität zwischen den Konzentrationen und den Wasserabflussmengen. Im Gegensatz dazu sind die Konzentrationen umso höher, je höher der Abwasseranteil in den Gewässern ist (direkte Proportionalität). Es wurden, ausgehend von den Konzentrationen im Oberflächenwasser und den Abflussmengen, die Frachten bestimmt. Die Frachten in einem Gewässer korrelieren mit der Anzahl der Einwohner in den Einzugsgebieten, deren Abwässer in die Flüsse und Bäche, oder deren Vorfluter eingeleitet werden. Außerdem sind die Frachten in den Gewässern in den Wintermonaten deutlich höher als in den Sommermonaten, was die Verschreibungssituation im Jahresverlauf widerspiegelt. Anhand der Frachten pro Einwohner wurden Unterschiede in den Flussgebieten deutlich, die auf die unterschiedlichen Abbauleistungen der Kläranlagen hinweisen. Dazu wurde festgestellt, dass die Frachten pro Einwohner, umso höher sind, je schlechter die Fähigkeit der Kläranlagen zur Stickstoffeliminierung ist. Es konnten also drei große Einflussfaktoren erkannt werden, die gemeinsam das Auftreten von Antibiotikarückständen in den Gewässern Nordrhein-Westfalens bestimmen: die Anwendungsseite, die hydrologische Seite und die Eliminationsseite. Die Bewertung der Ergebnisse zeigte, dass eine negative Beeinflussung der Resistenzsituation bei Bakterien oder eine sonstige Gefährdung durch die gefundenen, niedrigen Konzentrationen in den Umweltkompartimenten der hier untersuchten Boden- und Wasserproben zur Zeit nicht abgeleitet werden kann

2-D clinorotation alters the uptake of some nutrients in Arabidopsis thaliana

Future long-term spaceflight missions rely on bioregenerative life support systems (BLSS) in order to provide the required resources for crew survival. Higher plants provide an essential part since they supply food and oxygen and recycle carbon dioxide. There are indications that under space conditions plants might be inefficient regarding the uptake, transport and distribution of nutrients, which in turn affects growth and metabolism. Therefore, Arabidopsis thaliana (Col-0) seeds were germinated and grown for five days under fast clinorotation (2-D clinostat, 60rpm) in order to simulate microgravity. Concentrations of ten different nutrients (potassium, sulfur, phosphorus, calcium, sodium, magnesium, manganese, iron, zinc, and boron) in shoots of plants grown under reduced and normal (1g) gravity conditions were compared. A protocol was developed for the determination of different nutrients by means of inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICPOES), flame emission spectrometry and spectrophotometry. The concentrations of boron and sulfur were significantly decreased in clinorotated shoots, while the concentration of sodium was elevated, suggesting that altered gravity conditions differentially affected nutrient uptake. Possible mechanisms for such effects include reduced transpiration, altered expression of channels or transporters and direct effects on nutrient assimilation. The observed nutrient imbalances might have a negative impact on plant growth and nutritional quality during prolonged space missions

Identification of boron-binding proteins supports a function of boron at the cell membrane

Our current understanding of boron’s roles in plants is still limited to the formation of B-rhamnogalacturonan-crosslinks in the cell wall, but deficiency symptoms in plants and animals point to additional functions of boron (B) in cell membranes. However, no membrane-bound molecules interacting with B have been isolated so far.In the present study we address the hypothesis that boron exerts a physiological function at membranes by crosslinking membrane-bound proteins.Boron-interacting membrane proteins were isolated from root microsomal preparations of arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and maize (Zea mays) using phenylboronate affinity chromatography, subsequently separated by two-dimensional gel electrophoresis and identified using MALDI-TOF peptide mass fingerprinting.A relatively large number of B-binding membrane proteins was detected, of which sixteen (A. thaliana) and nine (Z. mays) were identified. Common to both species were the beta subunit of mitochondrial ATP synthase, several beta-glucosidases, a luminal binding protein and fructose bisphosphate aldolase. Binding of these proteins to B was significantly reduced after 5 days of B deprivation in A. thaliana. Plants grown under B deficiency also exhibited an altered protein composition of membrane microdomains. This combined with the fact that many of the B-binding proteins are components of membrane rafts, supports the hypothesis that B may indeed play a function in plant membranes by crosslinking glycoproteins, and may be involved in their recruiting to membrane microdomains

1H-NMR metabolomic profiling reveals a distinct metabolic recovery response in shoots and roots of temporarily drought-stressed sugar beets.

Yield formation in regions with intermittent drought periods depends on the plant's ability to recover after cessation of the stress. The present work assessed differences in metabolic recovery of leaves and roots of drought-stressed sugar beets with high temporal resolution. Plants were subjected to drought for 13 days, and rewatered for 12 days. At one to two-day intervals, plant material was harvested for untargeted 1H-NMR metabolomic profiling, targeted analyses of hexose-phosphates, starch, amino acids, nitrate and proteins, and physiological measurements including relative water content, osmotic potential, electrolyte leakage and malondialdehyde concentrations. Drought triggered changes in primary metabolism, especially increases in amino acids in both organs, but leaves and roots responded with different dynamics to rewatering. After a transient normalization of most metabolites within 8 days, a second accumulation of amino acids in leaves might indicate a stress imprint beneficial in upcoming drought events. Repair mechanisms seemed important during initial recovery and occurred at the expense of growth for at least 12 days. These results indicate that organ specific metabolic recovery responses might be related to distinct functions and concomitant disparate stress levels in above- and belowground organs. With respect to metabolism, recovery was not simply a reversal of the stress responses