Entwicklung und Validierung der Steigbildmethode zur Differenzierung von ausgewählten Lebensmitteln aus verschiedenen Anbausystemen und Verarbeitungsprozessen

Zusammenfassung (deutsch) Seit den 1980iger Jahren wächst die Bedeutung der sog. Bildschaffenden Methoden für die Bestimmung der Qualität ökologischer Produkte. Zu diesen Methoden gehört die Biokristallisation, Steigbild und Rundfilter-Chromatographie. Die Ergebnisse dieser Methoden sind Bilder, die anhand definierter Kriterien ausgewertet werden. Bei der Biokristallisation sind es mehr oder weniger geordnete Kristallisationen auf einer Glasplatte, bei dem Steigbild zweidimensionale Strukturen auf Chromatographiepapier. In der Vergangenheit wurden die Bilder von Spezialisten ausgewertet, die nach einer längeren Schulung produktspezifische Kriterien entwickelt hatten. Im Gegensatz zur Dünnschicht-Chromatographie, wo der einzelne Stoff von der Matrix separiert wird, ist das Ziel beim Steigbild, Strukturen der möglichst ganzen Probe zu erzeugen. Die Methode wurde von Kolisko in den 1929iger Jahren entwickelt, wobei eine Kombination aus Chromatographieprozess und Metallkomplexreaktionen genutzt wurde. Die Firma WALA entwickelte die Methode für die Kontrolle ihrer Produkte und setze Silbernitrat und Eisensulfat ein. Bisher wurde die Methode qualitativ beschreibend ausgewertet, wobei einzelne Bildelemente und deren Interaktion beschrieben wurden. Deshalb musste für die vorliegende Arbeit Auswertungsmethoden entwickelt werden, mit denen auch eine statistische Bearbeitung der Ergebnisse möglich ist (nominale Unterscheidung von proben anhand der Bilder). Die Methode wurde bisher in einer Reihe von Studien eingesetzt (u.a. die Unterscheidung von Produktionsweisen). Obwohl die Bilder nur qualitativ ausgewertet wurden, konnten geschulte Prüfpersonen Proben aus verschiedenen Anbausystemen anhand der Bilder trennen. Die Ergebnisse wurden aber nicht so dokumentiert, dass sie den Erfordernissen internationaler Standardnormen für Laboratorien genügten. Deshalb mussten für diese Arbeit zunächst die Prozeduren dokumentiert und eine systematische Untersuchung zu den Einflussgrößen durchgeführt werden. Dazu wurde die visuelle Bildauswertung entwickelt und standardisiert. Die visuelle Bildauswertung basiert auf morphologischen Kriterien der Bilder von den untersuchten Weizen- und Möhrenproben. Ein Panel aus geschulten Personen entwickelte dann die Kriterien und legte sie anhand von Referenzbildern fest. Die Bilder der vorliegenden Arbeit wurden mit der einfach beschreibenden Prüfung ausgewertet, wie sie aus der sensorischen Prüfung von Lebensmitteln übernommen werden konnte. Mit geschulten und ungeschulten Prüfpersonen wurden Weizenproben und verschiedene Möhrensäfte mit der sog. Dreiecksprüfung ausgewertet (von ISO 4120). Alle Laborprozeduren wurden dokumentiert. Mit der Anwendung dieser Prozeduren wurden Vergleichsversuche mit Laboren in Dänemark und Holland (BRAD, LBI) durchgeführt. Die Ergebnisse waren sowohl für Weizen- als auch für Möhrenproben vergleichbar, wobei alle drei Labore zwischen jeweils zwei Proben unterscheiden konnten. Die systematische Untersuchung zu den Einflussgrößen zeigte, dass das Unterscheidungsvermögen der Methode vor allem von den klimatischen Bedingungen während der Steigphasen beeinflusst wird. Auch die Präkonditionierung der Papiere hat einen großen Einfluss, während die Wasserqualität (ultra-filtriert, de-ionisiert, destilliert) eine untergeordnete Bedeutung hat. Für Weizen- und Möhrenproben wurde sowohl die Wiederholbarkeit als auch die Reproduzierbarkeit getestet. Die Unterschiede in den Bildern der verschiedenen Proben waren dabei immer größer als die Variation durch Proben- und Bildwiederholung und das Labor. Die so charakterisierte Methode wurde auf kodierte Proben von definierten Feldversuchen und auf Marktproben (Paarvergleich von Anbausystemen ökologisch und konventionell) angewandt, wobei als Ergebnis mehr als 90% der Proben mit der einfach beschreibenden Prüfung anhand der Bilder unterschieden werden konnten. Die Auswertung mit der Dreiecksprüfung zeigte, dass sowohl Sorten und Verarbeitungsschritte (Saft) als auch Anbauweisen signifikant getrennt wurden. Darüber hinaus wurde die Methode auch erfolgreich auf Apfelproben angewandt. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob sich das Potential der Methode, verschiedene Fragen wie die Authentizitätsprüfung von Lebensmitteln verifizieren lassen.

Low-altitude aerial photography for optimum N fertilization of winter wheat on the North China Plain

Previous research has shown that site-specific nitrogen (N) fertilizer recommendations based on an assessment of a soil’s N supply (mineral N testing) and the crop’s N status (sap nitrate analysis) can help to decrease excessive N inputs for winter wheat on the North China Plain. However, the costs to derive such recommendations based on multiple sampling of a single field hamper the use of this approach at the on-farm level. In this study low-altitude aerial true-color photographs were used to examine the relationship between image-derived reflectance values and soil–plant data in an on-station experiment. Treatments comprised a conventional N treatment (typical farmers’ practice), an optimum N treatment (N application based on soil–plant testing) and six treatments without N (one to six cropping seasons without any N fertilizer input). Normalized intensities of the red, green and blue color bands on the photographs were highly correlated with total N concentrations, SPAD readings and stem sap nitrate of winter wheat. The results indicate the potential of aerial photography to determine in combination with on site soil–plant testing the optimum N fertilizer rate for larger fields and to thereby decrease the costs for N need assessments.

Use of digital camera to assess nitrogen status of winter wheat in the Northern China Plain

The most widely used methods to assess the nitrogen (N) status of winter wheat (Triticum aestivum L.) are the determination of plant total N by combustion, the testing of nitrate in the leaf tissue and the use of SPAD readings. However, due to their labor requirements or high costs these methods can hardly be applied to the huge wheat growing areas of the Northern China Plain. This study therefore examined an alternative method to measure the N status of wheat by using a digital camera to record the visible green light reflected from the plant canopy. The experiment was conducted near Beijing in a multi-factorial field trial with three levels of N. The intensity of green light reflected from the wheat canopy was compared to the total N concentration, to the nitrate concentration of the basal stem, and to the SPAD readings of leaves. The results show significant inverse relationships between greenness intensity, canopy total N, and SPAD readings at booting and flowering. At booting, sap nitrate <2000mgL^-1 was inversely related to greenness intensity and to sap nitrate concentration in the basal stem. At sap nitrate ~2000mgL^-1, the greenness intensity reached a plateau. At booting and flowering, significant inverse relationships between greenness intensity and shoot biomass were found. The results show the potential of the new method to assess the N status of winter wheat.

A survey of wheat landraces in Oman

Little is known about the diversity of wheat (Triticum spp.) in Oman. Therefore, a survey was conducted in northern Oman to collect landraces of Triticum durum, T. aestivum and T. dicoccon for subsequent morphological characterization and investigations on stress adaptation. The results show that the cultivation of these landraces (the genetic composition of which remains to be studied in more detail) is done primarily by traditional farmers who preserve the inherited germplasm on often tiny plots in remote mountain oases. This type of traditional cultivation is under heavy economic pressure. An appendix of landraces of other crops collected in the Batinah region and in the mountain oases can be found online.

Zur Erfassung von form- und materialbedingten Oberflächenstrukturen mit Mikro-Deflexions-Ellipsometrie

Die vorliegende Arbeit berichtet über ein neuartiges, kombiniertes Messverfahren zur gleichzeitigen Erfassung von Form und Material einer glänzenden Probenoberfläche. Die Materialerkennung erfolgt über die polarisationsoptische Brechzahlbestimmung im Messpunkt mit Mikroellipsometrie. Die Mikroellipsometrie ist ein fokussierendes Ellipsometer, das aus der Polarisationsänderung, bedingt durch die Wechselwirkung Licht – Materie, die materialcharakteristische komplexe Brechzahl eines reflektierenden Materials ermitteln kann. Bei der fokussierenden Ellipsometrie ist die Anordnung der fokussierenden Optiken von Bedeutung. Die hier vorgestellte ellipsometerexterne Fokussierung vermeidet Messfehler durch optische Anisotropien und ermöglicht die multispektrale ellipsometrische Messung. Für die ellipsometrische Brechzahlbestimmung ist zwingend die Kenntnis des Einfallswinkels des Messstrahls und die räumliche Orientierung der Oberflächenneigung zum Koordinatensystem des Ellipsometers notwendig. Die Oberflächenneigung wird mit einem Deflektometer ermittelt, das speziell für den Einsatz in Kombination mit der Ellipsometrie entwickelt wurde. Aus der lokalen Oberflächenneigung kann die Topographie einer Probe rekonstruiert werden. Der Einfallswinkel ist ebenfalls aus den Oberflächenneigungen ableitbar. Die Arbeit stellt die Systemtheorie der beiden kombinierten Messverfahren vor, außerdem werden Beiträge zu Messunsicherheiten diskutiert. Der experimentelle Teil der Arbeit beinhaltet die separate Untersuchung zur Leistungsfähigkeit der beiden zu kombinierenden Messverfahren. Die experimentellen Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ein Mikro-Deflexions-Ellipsometer erfolgreich realisierbar ist.

Tomographic imaging of molecular orbitals in length and velocity form

Recently Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] introduced the new concept of molecular orbital tomography, where high harmonic generation (HHG) is used to image electronic wave functions. We describe an alternative reconstruction form, using momentum instead of dipole matrix elements for the electron recombination step in HHG. We show that using this velocity-form reconstruction, one obtains better results than using the original length-form reconstruction. We provide numerical evidence for our claim that one has to resort to extremely short pulses to perform the reconstruction for an orbital with arbitrary symmetry. The numerical evidence is based on the exact solution of the time-dependent Schrödinger equation for 2D model systems to simulate the experiment. Furthermore we show that in the case of cylindrically symmetric orbitals, such as the N2 orbital that was reconstructed in the original work, one can obtain the full 3D wave function and not only a 2D projection of it. Vor kurzem führten Itatani et al. [Nature 432, 876 (2004)] das Konzept der Molelkülorbital-Tomographie ein. Hierbei wird die Erzeugung hoher Harmonischer verwendet, um Bilder von elektronischen Wellenfunktionen zu gewinnen. Wir beschreiben eine alternative Form der Rekonstruktion, die auf Impuls- statt Dipol-Matrixelementen für den Rekombinationsschritt bei der Erzeugung der Harmonischen basiert. Wir zeigen, dass diese "Geschwindigkeitsform" der Rekonstruktion bessere Ergebnisse als die ursprüngliche "Längenform" liefert. Wir zeigen numerische Beweise für unsere Behauptung, dass man zu extrem kurzen Laserpulsen gehen muss, um Orbitale mit beliebiger Symmetrie zu rekonstruieren. Diese Ergebnisse basieren auf der exakten Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für 2D-Modellsysteme. Wir zeigen ferner, dass für zylindersymmetrische Orbitale wie das N2-Orbital, welches in der oben zitierten Arbeit rekonstruiert wurde, das volle 3D-Orbital rekonstruiert werden kann, nicht nur seine 2D-Projektion.

Discrimination between organically and conventionally grown winter wheat by means of holistic and selected analytical methods

Die Verordnung des Europäischen Rates (EC) 834/2007 erkennt das Recht des Konsumenten auf eine Entscheidung basierend auf vollständiger Information bezüglich der enthaltenen Zutaten im Produkt und deren Herkunft (Qualität der Verarbeitung). Die primäre Kennzeichnungsverordnung betont „organische“ Produktionsstandards ebenso wie die Notwendigkeit zur Kontrolle und Aufsicht. Jedoch ist zurzeit keine validierte Methode zur analytischen Diskriminierung zwischen „organischer“ und „konventioneller“ Herkunft von angebotenen Lebensmitteln verfügbar. Das Ziel der Dissertationsarbeit war die Überprüfung der Möglichkeit mit ausgewählten analytischen und holistischen Methoden zwischen organisch und konventionell angebautem Weizen objektiv zu unterscheiden. Dies beinhaltete die Bestimmung des Gesamtstickstoff (Protein) nach Dumas, zweidimensionale Fluoreszenzdifferenz Gelelektrophorese (2D DIGE) und die Kupferchloridkristallisation. Zusätzlich wurde die Anzahl der Körner pro Ähre (Kornzahl) bestimmt. Alle Bestimmungen wurden an rückverfolgbaren in den Jahren 2005 – 2007 in Belgien gesammelten Proben des Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Cubus) durchgeführt. Statistisch signifikante (p < 0.05) Unterschiede wurden innerhalb der untersuchten Probengruppen sowohl in der Kornzahl, dem Gesamtsticksoff (Eiweißgehalt), als auch in der Gesamtausbeute gefunden, wobei in den meisten Fällen die konventionellen Proben höhere Kornzahlen und Gesamtsticksoff (Eiweißgehalte) aufwiesen. Eine mit der 2D DIGE kompatible Probenvorbereitungsmethode für Winterweizen wurde entwickelt und auf einen internen Winterweizenstandard sowie die entsprechenden Proben angewendet. Die organischen Proben waren im Vergleich mit den konventionellen Gegenstücken in allen Fällen durch eine kleinere Anzahl von signifikant (p < 0.05) stärker exprimierten Proteinspots gekennzeichnet. Gewisse Tendenzen in Richtung der Bevorzugung bestimmter Regionen von stärker ausgeprägten Proteinspots auf aufeinanderfolgenden 2D Abbildungen in Abhängigkeit von der landwirtschaftlichen Methode konnten zwar beobachtet werden, jedoch konnte kein universelles Markerprotein zur Unterscheidung von konventionell und biologisch angebautem Winterweizen identifiziert werden. Die rechnergestützte Verarbeitung der digitalisierten Kristallisierungsbilder mittels multivariater statistischer Analyse und der Regression partieller kleinster Quadrate ermöglichte eine 100%ig korrekte Vorhersage der landwirtschaftlichen Methode unbekannter Proben sowie der Beschreibung der Kristallisierungsbilder. Diese Vorhersage bezieht sich nur auf den hier verwendeten Datensatz (Proben einer Sorte von drei Standorten über zwei Jahre) und kann nicht ohne weiteres übertragen (generalisiert) werden. Die Ergebnisse deuten an, dass die Quantifizierung der beschriebenen Parameter ein hohes Potential zur Lösung der gestellten Aufgabe besitzt.

Egyptian wheat

Wheat as the major cereal crop in Egypt is the core of the government's food security policy. But there are rapid losses of the genetic resources of the country as a result of ongoing modernization and development. Thus we compiled the largest possible number of Egyptian accessions preserved in the world gene banks. In the present study we collected nearly 1000 Egyptian wheat accessions. A part from the Triticum species of the Egyptian flora four species have been found, which were recorded for the first time T. turanicum, T. compactum, T. polonicum and T. aethiopicum. To classify the Egyptian wheat species using morphological studies, 108 accessions were selected. Thereafter, these accessions were cultivated and evaluated morphologically to confirm the validity of the classified species. During the morphological evaluation study, a new case was noticed for the number of glumes in one of the Egyptian wheat accessions. Three glumes per spikelet were observed in a branched spike. This led us to assess the phenomenon in all varieties with branching spikes within the genus Triticum. All varieties which have branching spikes at least in some spikletes have three glumes. We considered the case of the third glume as indicator for the domestication syndrome. Also, a new case of other forms of branching in the genus Triticum was investigated, which was a compromise between true and false-branching. We called it true-false branching. Comparative anatomical studies were carried out between Egyptian Triticum species to investigate the possibility of using anatomical features to classify the Egyptian wheat species. It was concluded that it is difficult to use anatomical features alone to differentiate between two Triticum species, especially when they belong to the same ploidy level. A key for the identification of Egyptian Triticum taxa was established.

Effects of grassland renovation on carbon concentrations and aggregate distribution in temperate grassland soils

The effects of continuous tillage on the distribution of soil organic matter (SOM) and aggregates have been well studied for arable soils. However, less is known about the effects of sporadic tillage on SOM and aggregate dynamics in grassland soils. The objectives of the present thesis were (I) to study the longer-term effects of sporadic tillage of grassland on organic carbon (Corg) stocks and the distribution of aggregates and SOM, (II) to investigate the combined effects of sporadic tillage and fertilization on carbon and nitrogen dynamics in grassland soils, and (III) to study the temporal dynamics of Corg stocks, aggregate distribution and microbial biomass in grassland soils. Soil samples were taken in three soil depths (0 – 10 cm; 10 – 25 cm; 25 – 40 cm) from a field trial with loamy sandy soils (Cambisols, Eutric Luvisols, Stagnosols, Anthrosols) north of Kiel, Germany. For Objective I we have sampled soil two and five years after one or two tillage operation(s). Treatments consisted of (i) permanent grassland, (ii) tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland and (iii) tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland with one season of winter wheat in between. The tillage in grassland led to a reduction in Corg stocks, large macroaggregates (>2000 µm) and SOM in the top 10 cm soil depth. These findings were still significant two years after tillage; however, five years after tillage no longer present. Regarding the soil profile (0 – 40 cm) no significant differences in the mentioned parameters between the tilled plots and the permanent grassland existed. A second tillage event and the insertion of one season of winter wheat did not lead to any further effects on Corg stocks as well as aggregate and SOM concentrations in comparison with a single tillage event in these grassland soils. Treatments adapted for Objective II included (i) long-term grassland and (ii) tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland with one season of winter wheat in between. The plots were split and received either 240 kg N ha-1 year-1 in the form of cattle slurry or no cattle slurry application. The application of slurry within a period of four years had no effects on the Corg and total nitrogen stocks or the aggregate distribution, but led to a reduction of free and not physically protected SOM. However, the application of cattle slurry and the grassland renovation seems to change the plant species composition and therefore generalizations on the direct effects are not yet possible. For studying Objective III a further field trial was initiated in September 2010. Soil samples were taken six times within one year (from October 2010 to October 2011) (i) after the conversion from arable land into grassland, (ii) after the tillage of grassland followed by a re-establishment of grassland and (iii) in a permanent grassland. We found an increase in the microbial and fungal biomass after the conversion of arable land into grassland, but no effect on aggregate distribution and Corg stocks. A one-time tillage operation in grassland led to a reduction in large macroaggregates and Corg stocks in the top 10 cm soil depth with no effect on the sampled soil profile. However, we found large variations in the fungal biomass and aggregate distribution within one year in the permanent grassland, presumably caused by environmental factors. Overall, our results suggest that a single tillage operation in grassland soils markedly decreased the concentrations of Corg, larger aggregates and SOM. However, this does not result in long-lasting effects on the above mentioned parameters. The application of slurry cannot compensate the negative effects of a tillage event on aggregate concentrations or Corg stocks. However, while the Corg concentration is not subject to fluctuations within a year, there are large variations of the aggregate distribution even in a permanent grassland soil. Therefore conclusions of results from a single sampling time should be handled with care.

More than irrigation - The Balinese Subak system as a unique form of cooperative water resource management in Indonesia

For over 1,000 years, the Balinese have developed a unique system of democratic and sustainable water irrigation. It has shaped the cultural landscapes of Bali and enables local communities to manage the ecology of terraced rice fields at the scale of whole watersheds. The Subak system has made the Balinese the most productive rice growers in Indonesia and ensures a high level of food sovereignty for a dense population on the volcanic island. The Subak system provides a vibrant example of a diverse, ecologically sustainable, economically productive and democratic water management system that is also characterized by its nonreliance on fossil fuel derivatives or heavy machinery. In 2012, UNESCO has recognized five rice terraces and their water temples as World Heritage site and supports its conservation and protection. However, the fragile Subak system is threatened for its complexity and interconnectedness by new agricultural practices and increasing tourism on the island.

Pathogens occuring in the winter pea-maize-winter wheat rotation, their host specificity and the potential of compost in suppressing foot and root disease of peas

The overall aim of the work presented was to evaluate soil health management with a specific focus on soil borne diseases of peas. For that purpose field experiments were carried out from 2009 until 2013 to assess crop performance and pathogen occurrence in the rotation winter pea-maize-winter wheat and if the application of composts can improve system performance. The winter peas were left untreated or inoculated with Phoma medicaginis, in the presence or absence of yard waste compost at rate of 5 t dry matter ha-1. A second application of compost was made to the winter wheat. Fusarium ssp. were isolated and identified from the roots of all three crops and the Ascochyta complex pathogens on peas. Bioassays were conducted under controlled conditions to assess susceptibility of two peas to Fusarium avenaceum, F. solani, P. medicaginis and Didymella pinodes and of nine plant species to F. avenaceum. Also, effects of compost applications and temperature on pea diseases were assessed. Application of composts overall stabilized crop performance but it did not lead to significant yield increases nor did it affect pathogen composition and occurrence. Phoma medicaginis was dominating the pathogen complex on peas. F. graminearum, F. culmorum, F. proliferatum, Microdochium nivale, F. crookwellense, F. sambucinum, F. oxysporum, F. avenaceum and F. equiseti were frequently isolated species from maize and winter wheat with no obvious influence of the pre-crop on the Fusarium species composition. The spring pea Santana was considerably more susceptible to the pathogens tested than the winter pea EFB33 in both sterile sand and non-sterilized field soil. F. avenaceum was the most aggressive pathogen, followed by P. medicaginis, D. pinodes, and F. solani. Aggressiveness of all pathogens was greatly reduced in non-sterile field soil. F. avenaceum caused severe symptoms on roots of all nine plant species tested. Especially susceptible were Trifolium repens, T. subterraneum, Brassica juncea and Sinapis alba in addition to peas. Reduction of growing temperatures from 19/16°C day/night to 16/12°C and 13/10°C did not affect the efficacy of compost. It reduced plant growth and slightly increased disease on EFB33 whereas the highest disease severity on Santana was observed at the highest temperature, 19/16°C. Application of 20% v/v of compost reduced disease on peas due to all four pathogens depending on pea variety, pathogen and growing media used. Suppression was also achieved with lower application rate of 3.5% v/v. Tests with γ sterilized compost suggest that the suppression of disease caused by Fusarium spp. is biological in origin, whereas chemical and physical properties of compost are playing an additional role in the suppression of disease caused by D. pinodes and P. medicaginis.