ELEKTRONENBEHANDLUNG VON SAATGUT

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ORGANISCHE ELEKTRONIK, ELEKTRONENSTRAHL- UND PLASMATECHNIK FEP ELEKTRONENBEHANDLUNG VON SAATGUT UMWELTFREUNDLICH, EFFIZIENT, NACHHALTIG

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3 ELEKTRONENBEHANDLUNG UMWELTFREUNDLICH, EFFIZIENT UND FLEXIBEL Die Behandlung von Saatgut mit beschleunigten Elektronen ist ein modernes, umweltfreundliches Verfahren, das ganz ohne chemische Wirkstoffe auskommt. Krankheitserreger werden effektiv und vollständig abgetötet, ohne dass Endosperm und Embryo im Saatkorn angetastet werden. Das Verfahren wird als umwelt- und anwenderfreundliche Alternative zur chemischen Beize angeboten, ist DLG prämiert und wurde von der»biologischen Bundesanstalt [1] «als»alternative Methode zur chemischen Beizung«bezeichnet. Die Elektronenbehandlung wirkt gegen alle Pathogene, die sich in und auf der Schale befinden. So werden nicht nur samenbürtige Pathogene abgetötet, sondern es findet mit der Unterbrechung der Infektionskette durch die Abtötung schädlicher Mikroorganismen wie Bakterien (zum Beispiel: Pseudomonas) und Viren auch ein nachhaltiger Schutz statt. Da bei dem Verfahren keine Rückstände auf dem Saatgut verbleiben, ist es für die Kombination mit biologischen Pflanzenstärkungsmitteln besonders geeignet. Die Nutzung dieser modernen Technologie ist praktizierter Umwelt- und Anwenderschutz auf höchstem Niveau, die auch für den Öko-Landbau geeignet und zugelassen ist. Vielfältigkeit Das qualitativ hochwertige Verfahren tötet Pathogene aller Art im Wirkbereich unter anderem auf folgenden Produkten: Getreidesaatgut Gemüsesamen Gewürze Sonstige Saaten Weizen, Gerste, Triticale, Roggen, Hafer Basilikum, Bohne, Erbse, Feldsalat, Knoblauch, Kohl, Lauch, Möhre, Paprika, Petersilien, Rauke, Salat, Tomate, Zwiebel Anis, Chili, Pfeffer, Majoran Mais, Gräser, Blumensamen, Raps, Mohn, Saatkartoffeln [1] Heutige Bezeichnung: Julius-Kühn-Institut 1

4 Saatgutstrom Elektronen Samenschale Embryo Elektronengeneratoren WIRKPRINZIP DER ELEKTRONENBEHANDLUNG Technologie im Detail Die Elektronenbehandlung von Saatgut basiert auf der bioziden Wirkung von niederenergetischen Elektronen. Die Erzeugung der beschleunigten Elektronen erfolgt nach dem Prinzip der Braun schen Röhre. Beim Anlegen hoher elektrischer Spannungen zwischen Katode und Anode emittieren Elektronen aus der Kathode und werden durch den Ladungsunterschied in Richtung Elektronenaustrittsfenster beschleunigt. Dieses trennt das Vakuum in dem die Elektronen erzeugt werden vom Prozessraum ab, in dem Umgebungsdruck herrscht (Abb. 1). im Wirkbereich auf Schadorganismen, werden diese effektiv abgetötet. Eine Aufspaltung von Molekülketten bei Mikroorganismen garantiert eine vollständige Abtötung dieser Pathogene, unabhängig von deren Art. Das Verfahren wirkt, wie in vielen Labor- und Praxisversuchen nachgewiesen, effektiv gegen verschiedenste Pilzsporen, Bakterien und Viren. Gleichzeitig ist durch die rein physikalische Wirkung des Verfahrens eine Bildung von resistenten Pathogenen, die bei chemisch-systemischen Wirkstoffen möglich ist, ausgeschlossen. Für die Behandlung von Saatgut sind die applizierte Dosis, die über die Stromstärke eingestellt wird und die Elektronenenergie, die über die Beschleunigungsspannung einstellbar ist, von Bedeutung. Die Dosis ist jene Elektronenenergie, die in der Samenschale absorbiert wird. Bei der Elektronenbehandlung von Saatgut ist die lethale Dosis für die Bekämpfung der vorhandenen Pathogene entscheidend. Die Elektronenenergie ist ein Maß für die kinetische Bewegungsfähigkeit von Elektronen. Beim Durchdringen von Materie verlieren die Elektronen diese Energie durch Stoßvorgänge wieder. Ist die Energie aufgebraucht, erfolgt kein weiteres Eindringen in das Material. Diese Tatsache wird genutzt, um den Wirkungsbereich bei der Elektronenbehandlung präzise zu steuern (Abb. 4). Auf die vereinzelten Samenkörner kann mit dem Verfahren allseitig eine gleichmäßige Dosis (Abb. 2) aufgebracht werden, die nur so tief in der Schale wirkt, dass ein Einfluss auf den Embryo und das Endosperm nachweislich ausgeschlossen werden kann (Abb. 3). Treffen die energiereichen Elektronen 4 Dosisverteilung 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Perikarp und Testa 2

5 VORTEILE Vorteile für Anwender, Produzent und Umwelt Vollständiger Verzicht auf den Einsatz chemischer Wirkstoffe ohne Verlust der biologischen Wirksamkeit und ohne Ertragseinbußen Ausgezeichnete Wirkung gegen samenbürtige Pathogene ohne Resistenzbildung keine Umweltgefährdung durch chemisch-synthetische Wirkstoffe und Formulierungsmittel Anwenderfreundlich da keine Beizstäube, Dämpfe oder Lösungen freigesetzt werden Kontengünstig im Betrieb Schnellerer Feldaufgang Deutlich bessere Lagerfähigkeit Abfallfreie Technologie Zugelassen für den ökologischen Landbau Ein Auszug aus dem Wirkungsspektrum Weizensteinbrand Tilletia caries Roggenstängelbrand Urocytis occulta Blatt- und Spelzenbräune Septoria nodorum Schneeschimmel Microdochium nivale Streifenkrankheit Drechslera graminea Blattdürre Septoria spp. Schwärzepilze Alternaria spp. Grauschimmelfäule Botrytis aclada Fusariosen Bakteriose Pseudomonas spp. Bakteriose Xanthomonas spp. 3

6 PASSENDE SYSTEME FÜR JEDE ANWENDUNG ENTWICKLUNGSKOMPETENZ MADE BY FRAUNHOFER Produktidee des Kunden Machbarkeitserprobung Schlüsselkomponenten Pilotproduktion Technologietransfer Produktionsanlage Produkt des Kunden Versuchsanlage Die universell einsetzbare Versuchsanlage REAMODE kann für die diskontinuierliche Elektronenbehandlung von geringen Mengen Saatgut jeder Art genutzt werden. Speziell angepasste Produktführungssysteme und Verpackungslösungen garantieren eine allseitige Elektronenbehandlung der Proben unter einem einzelnen Flächenstrahler. Die Behandlung von neuen Saatgutarten und -sorten kann dabei vor Ort auch analytisch begleitet werden. Mikroskope zur Messungen der Schalendicke, verschiedene Dosimetriesysteme zur Auslegung der Eindringtiefe, ein Elektronenspinresonanz-Messgerät zur Untersuchung verschiedener Saatguttiefen auf freie Elektronenpaare zur Kontrolle der Eindringtiefe und Klimakammern für Keimversuche stehen vor Ort zur Verfügung. Diese Kontrollsysteme dienen der Bewertung des Verfahrenserfolges und zugleich als Grundlage für ein nachfolgendes Scale-Up in Pilot- oder Produktionsmaßstab. Produktionsanlage Seit über 10 Jahren wird das vom Fraunhofer FEP entwickelte Anlagensystem zur Elektronenbehandlung von Saatgut bereits zur Saatgutproduktion eingesetzt. Die Firmen BayWa AG und Nordkorn Saaten GmbH produzieren Elektronen-behandeltes Saatgut mit dieser Anlage und vertreiben es seit 2012 unter der Marke E-PURA. Die Evonta-Service GmbH bewirbt dasselbe Verfahren unter dem Namen e - ventus. Seit 2011 werden über t Getreidesaatgut pro Jahr E-PURA -behandelt Tendenz steigend. Durchsatz: max. 30 t / h Korngrößen: 0,5 2,0 cm Behandlungstiefe: μm Behandlungskosten: 0,03 0,06 ct/kg Durchsatz: Produktgröße: Behandlungstiefe: max Körner / Stunde 0,1 10 cm μm 4

7 UNABHÄNGIGE KONTROLLE DER ERGEBNISSE Für die Untersuchung von Keimfähigkeit und Keimungsrate, sowie für die Inokulation von Saatgut mit Pathogenen und die Untersuchung der pathogenen Belastung sind unabhängige, kompetente Partner vorhanden. Keimfähigkeitsversuche Zur Überprüfung des Keimungsverhaltens und damit der Vitalität von Samen können an unabhängigen Instituten und Prüfstellen Keimtests durchgeführt werden. Dazu wird für die verschiedenen Arten und Sorten entsprechend der ISTA-Regeln verfahren. So können Samen nach entsprechenden Behandlungsverfahren nicht nur routinemäßig sondern auch in einem wissenschaftlichen Design untersucht werden. Gewächshaustests In Ergänzung zu Keimungsversuchen oder auch als eigenständige Untersuchung können am Institut für Allgemeine Ökologie und Umweltschutz der Technischen Universität Dresden Gefäßversuche unter kontrollierten Umweltbedingungen in Kleingewächshäusern durchgeführt werden. Sowohl atmosphärische Parameter können eingestellt werden, die es zum Beispiel ermöglichen verschiedene Ozonkonzentrationen zu realisieren als auch bodenspezifische Parameter wie zum Beispiel die Bodenfeuchte. Dies kann unter anderem dazu genutzt werden, die Fertilität von Pflanzen aus zum Beispiel mit Elektronen-behandelten Samen zu überprüfen. Feldtests Der Nachweis der Eignung der behandelten Saatgüter für den Praxiseinsatz erfolgt bei Exaktversuchen und groß angelegten Feldtests. Landwirte mit langjähriger Erfahrung im konventionellen und ökologischen Landbau aus verschiedenen Regionen Deutschlands sowie professionelle Versuchsanstalten unterstützen das Fraunhofer FEP bei der Untersuchung von Keimfähigkeit, Ertrag, Feldaufgang und der Bestandesentwicklung. Untersuchung des Pathogenbefalls Die Untersuchung von Saatgutproben auf Befall mit Bakterien, Viren und Mikropilzen erfolgt unter anderem durch staatliche Forschungsstellen, wie das Julius-Kühn-Institut. Hier ist neben der Auswertung der Keimbelastung nach der Behandlung durch laboranalytische Untersuchungen auch die gezielte Inokulation von Saatgut mit Pathogenen möglich. Für schnelle Vor-Ort-Untersuchungen verfügt das Fraunhofer FEP auch über eine eigene zell- und mikrobiologische Laboreinheit. Damit besteht die Möglichkeit den pathogenen Befall direkt vor Ort zu bestimmen, in dem unter anderem Gesamt- und Lebendzellzahlen ermittelt werden. 5

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10 SAATGUTBEHANDLUNG UMWELTFREUNDLICH WIRKUNGSSPEKTRUM Getreide Kultur Erreger Wirkung Winterweizen Tilletia caries (Weizensteinbrand) Septoria nodorum (Blatt- und Spelzenbräune) Fusarim spp. (Schimmelpilze) Microdochium nivale (Schneeschimmel) Septoria spp. (Blattflecken) gut gut mittel bis gut gut bis Wintergerste Drechslera graminea (Streifenkrankheit) gut Sommergerste Drechslera graminea (Streifenkrankheit) gut Winterroggen Triticale Urocystis occulta (Stängelbrand) Fusarium spp. (Schimmelpilze) Fusarim spp. (Schimmelpilze) Microdochium nivale (Schneeschimmel) gut gut mittel bis gut Gewürze Kultur Erreger Wirkung Kümmel Alternaria spp. Fenchel Alternaria spp. Koriander Pseudomonas spp. Anis Alternaria spp. 8

11 Gemüse Kultur Erreger Wirkung Petersilie Möhre Alternaria spp. Septoria spp. Alternaria spp. Xanthomnas spp. Alternaria spp. Phoma spp. mittel Kohl Xanthomnas spp. gut Feldsalat Phoma spp. Bohne Pseudomonas spp. Sellerie Septoria spp. mittel Zwiebel Alternaria spp. Xanthomnas spp. 9

12 SAATGUTBEHANDLUNG UMWELTFREUNDLICH VERSUCHSERGEBNISSE ERTRAGSPHYSIOLOGISCHER UND WIRTSCHAFTLICHER ERFOLG IN ZAHLEN Untersuchungen der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft zum Feldaufgang und zum Kornertrag bei Winterweizen relativ zur chemischen Beizung ( , danach Eigenforschung Fraunhofer FEP) 110 % 105 % 100 % 95 % 90 % Chemische Behandlung = 100 % Kornertrag Feldaufgang 10

13 ERTRAGSPHYSIOLOGISCHER UND WIRTSCHAFTLICHER ERFOLG IN ZAHLEN Zeitaufgelöste Keimungsrate von elektronenbehandelten Tomatensamen Keimfähigkeit und Triebkraft von elektronenbehandelten Koriandersamen 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % 90 % 85 % 80 % 75 % 70 % 65 % 60 % Tag 5 Tag 8 Tag 12 Tag 14 Keimfähigkeit Triebkraft Unbehandelte Kontrolle Elektronenbehandlung Unbehandelte Kontrolle Elektronenbehandlung 60 % Gesamtkeimgehalt durch Bakterienbelastung auf Saatkartoffeln Keimfähigkeit und Triebkraft von elektronenbehandelten Möhrensamen cfu/g cfu/g % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 Kontrolle Unbehandelte Kontrolle Elektronenbehandlung 0 % Erstzählung Unbehandelte Kontrolle Keimfähigkeit Elektronenbehandlung 11

14 SAATGUTBEHANDLUNG UMWELTFREUNDLICH KOMPETENZ UND ANGEBOT WIR UND UNSERE PARTNER BIETEN IHNEN Machbarkeitsstudien für die Behandlung aller Arten an Getreide- und Feinsämereisamen Entwicklung, Bau und Inbetriebnahme von kundenspezifischen Anlagen zur Samenbehandlung Kundenservice für die Elektronensaatgutbehandlung Parametrierung von Elektronenbehandlungssystemen auf Basis von Laborversuchen Inokulation mit Zielkeimen und Laboruntersuchungen auf Keimbelastung Keimfähigkeitsuntersuchungen in Klimakammern und Gewächshäusern Machbarkeitsstudien zur Adaption der Systeme für die Behandlung von Futtermitteln, Pharmaka und weiterer granularer Produkte, wie Polymeren und Feinchemie KONTAKT TRETEN SIE MIT UNS IN VERBINDUNG Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP Winterbergstr Dresden Ansprechpartner André Weidauer Telefon Fax Telefon Abbildungsnachweis Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich. Fraunhofer FEP, Dresden, Germany 01 / 15 Fraunhofer FEP, Getreide AG / Nordkorn Saaten GmbH, istockphoto/fhgfep 12

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