Bericht. über die Durchführung und die Ergebnisse von. Versuche zur Zerstörung der Keimfähigkeit von Saatgut in speziellen Bioreaktoren

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1 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Bericht über die Durchführung und die Ergebnisse von Versuche zur Zerstörung der Keimfähigkeit von Saatgut in speziellen Bioreaktoren gemäß dem Werkvertrag Nr. S3VG5 Land Brandenburg Ministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Durchgeführt von der Bietergemeinschaft AKBG vertreten durch BioenergieBeratungBornim GmbH MaxEythAllee 0 D4469 PotsdamBornim Germany Autoren: Dr. M. Plöchl, S. Günther, F. Blume Potsdam, 5..0 B3 BioenergieBeratungBornim GmbH of

2 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Aufgabenstellung Das Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz des Landes Brandenburg Ist daran interessiert inwieweit bei bestimmten Samenarten durch eine Behandlung in Anlagen zur anaeroben Vergärung (Biogasanlagen) deren Keimfähigkeit zerstört wird. Hintergrund hierzu ist die Frage, ob bei einer Beladung mit gentechnisch veränderten Pflanzensamen deren Verbreitung ausgeschlossen werden kann. Batchversuche können nur unzureichend die Verhältnisse in realen Biogasanlagen nachzeichnen. Bei Versuchen in kontinuierlich beschickten Anlagen kann aufgrund von Kurzschlussströmen keine einheitliche Verweilzeit garantiert werden, d.h. dass ein Teil des Materials den Fermenter innerhalb eines oder weniger Tage wieder verlässt. Es bestand die Aufgaben die Wirkung der anaeroben Vergärung auf die Keimfähigkeit in Biogasanlagen durchzuführen, die eine Verweilzeit des eingebrachten Materials von mindesten 5 Tagen garantieren. Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts hat die Bietergemeinschaft AKBG (ATB LeibnizInstitut für Agrartechnik PotsdamBornim, KTG Biogas AG, B³ BioenergieBeratungBornim GmbH und GICON Bioenergie Gmbh) die Aufgabe übernommen, Pflanzensamen (Mais, Raps und Tomate als Kontrolle) in einer Biogasanlage der anaeroben Vergärung auszusetzen und mit diesen dann anschließend Keimfähigkeitsversuche durchzuführen. Hierfür stellte die KTG Biogas AG eine Biogasanlage, geplant und gebaut durch die GICON GmbH, für die Vergärung der Pflanzensamen zur Verfügung. Die B³ GmbH hatte dann in Abstimmung mit dem ATB die Untersuchung der Samenproben auf Keimfähigkeit durchgeführt. Material und Methoden Biogasanlage Für die Auswahl der Biogasanlage war es äußerst wichtig, dass eine Verweildauer der Samen von mehreren Tagen im Fermenter garantiert werden kann. Dies kann in vielen Fermentertypen nicht gewährleistet werden, denn in den weit verbreiteten gerührten Fermentern mit quasi kontinuierlicher Zugabe der Einsatzstoffe (CSTR Completely Stirred Tank Reactor) und den PfropfenstromReaktoren können Kurzschlussströme auftreten. Dies hätte zur Folge, dass die in den Fermenter eingebrachten Samen nicht zwangsläufig der Wirkung der Vergärung über die gesamte Verweildauer ausgesetzt wären. Abb. : Ansicht der Biogasanlage Schöllnitz, im Vordergrund die Boxenfermenter in denen die Versuche durchgeführt wurden B3 BioenergieBeratungBornim GmbH of

3 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Deshalb wurde ein Verfahren der anaeroben Vergärung ausgewählt, das mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit die gewünschten Voraussetzungen bieten kann. Die KTG betreibt unter anderem eine Biogasanlage, deren erste Stufe der Vergärung im BatchVerfahren betrieben wird und die dadurch fest definierte Verweilzeiten in den Eingangsreaktoren bewirkt. Die Anlage (BGA Schöllnitz; Abb. ) wurde durch die GICON konstruiert und gebaut. Sie steht in Schöllnitz, Brandenburg. Es handelt sich um eine im Batchverfahren betriebene, zweistufige Biogasanlage mit 4 parallelen sogenannten Boxen oder Garagenfermentern (Abb. ). Eine Box wird mit Gärsubstrat beladen und mit einem Perkolat besprüht, das die zur ersten Abbaustufe notwendigen Bakterien enthält. Die Verweildauer beträgt 5 Tage. Nach 4 Tagen wird eine zweite Box nach gleichem Schema beladen, nach 8 Tagen eine dritte und nach Tagen eine vierte Box. Während der Vergärung in dieser ersten Stufe entstehen Hydrolyseprodukte, die sich vorwiegend aus lang und kurzkettigen organischen Säuren zusammensetzen. Diese werden in einen Zwischenspeicher gepumpt und von dort aus kontinuierlich dem Methanreaktor zugeführt (Stufe ). Dort findet dann die eigentliche Biogasbildung statt. Das flüssige Abprodukt geht in ein Schönungsbecken und wird danach der Verwertung zugeführt sowie teilweise in den Perkolationskreislauf rückgeführt. Das ausgegorene Substrat wird nach 5 Tagen aus den Boxen entfernt. Dann werden diese erneut mit frischem Substrat beladen und der Prozess startet von Neuem. Durch die zeitliche Staffelung der Beladung der Boxen wird die diskontinuierliche Gasproduktion des Batchverfahrens in der Gesamtbilanz weitgehend ausgeglichen, sodass eine annähernd kontinuierliche Gasproduktion gegeben ist. Abb. : Schema der BGA Schöllnitz, Fermenter mit Perkolation wurden für die Versuchsdurchführung genutzt Insgesamt werden die Boxen pro Gärdurchgang abhängig von Einsatzstoff und otmgehalt mit ca. 90 Tonnen Frischmasse beladen. Dies entspricht ca. 8 Tonnen organischer Trockenmasse (otm). Hauptbestandteile sind Mais (ca % der zugeführten otm) und Hirsesilage (ca. 530 % von der otm) sowie Ganzpflanzensilage (ca. 030 % von der otm). Mit dem produzierten Biogas, wobei ein Methananteil von ca. 75 % erreicht wird, wird ein BHKW mit einer Leistung von 50 kw elektrischer Leistung befeuert. B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 3 of

4 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Da das gesamte Substrat 5 Tage in der Box verbleibt, ohne kontinuierlichen Abfluss wie bei CSTR oder Pfropfenstromfermentern, entstehen auch keine Kurzschlussströme. Somit kann davon ausgegangen werden, dass das gesamte Substrat auch über die gesamte Verweildauer den Gärbedingungen ausgesetzt ist. Effekte wie die Ausbildung von Totzonen durch preferential flow, bei dem das Perkolat nicht gleichmäßig durch das Substrat durchsickern, sondern in sich ausbildenden, bevorzugten Bahnen durch das Substrat fließen würde, können zwar nicht ausgeschlossen werden. Dies wurde bei der Versuchsanastellung durch die Verteilung mehrerer Proben an verschiedenen Stellen der Box berücksichtigt. Pflanzensamen Für den oben beschriebenen Versuch wurden Samen (Abb. 3) durch das LUGV bereitgestellt. Dieses Saatgut war mit den folgenden Eigenschaften beschrieben(tab. ). Tab. : Übersicht eingesetzter Pflanzensamen Zusatz Beize angeg. Keimfähigkeit Maissamen Athlet ungebeizt 97% Tomatensamen Bistro ungebeizt 98% Winterrapssamen Ernte 0 ungebeizt 95% Die Samen wurden für die weiteren Versuche jeweils zu 00 Samen pro Probe aufgeteilt. Abb. 3: die untersuchten Samen: Mais, Tomate, Winterraps Für die Einbringung in die Fermenter wurden diese Proben in je ein NylonSäckchen eingebracht, diese verschlossen und mit einem Plastikbändchen zusammengebunden. Aus Maschendraht wurden Käfige mit einer ungefähren Kantenlänge von 5 cm (Abb. 4) hergestellt, wobei jeweils eine Seite für die Beladung des Nylonsäckchens und der Silage offen gelassen wurde. B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 4 of

5 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Abb. 4: Maschdrahtkäfig zur Einbringung der Samenproben in den Fermenter Einbringung in die Fermenter Zum Zeitpunkt der Einbringung wurden die Säckchen in der Art in die Käfige gesetzt, dass sie gleichmäßig vom Befüllgut umhüllt waren. Es wurde zunächst also der Boden des Käfigs mit der entsprechenden Silage gefüllt, dann das Säckchen auf die Silage gesetzt und danach der Käfig mit Silage aufgefüllt. Hiernach wurde die Öffnung zugeklappt und mit den freien Drahtenden verknüpft. Einerseits wurden dadurch die Säckchen vor dem Zerreißen beim Be und Entladen geschützt. Andererseits wurde die Möglichkeit der Durchströmung der Proben mit Perkolat gewährleistet. Insgesamt wurden 8 Nylonsäckchen und 8 Käfige gefertigt; je 6 pro Durchgang. Am Tag der Einbringung wurden an der Decke des Garagenfermenters Plastikseile angebracht, die am anderen Ende an die Käfige gebunden wurden. Dies erleichterte die Wiederfindung der Käfige am Ende des Gärversuches. Da nicht ausgeschlossen werden kann, dass sich im Substrat Zonen bilden, durch die aufgrund von Fließeffekten kein Perkolat fließt, wurden die Proben nach folgendem Schema im Fermenter platziert. Proben 5 und 6 wurden im hinteren Teil ca. Meter vor der Fermenterecke auf dem Boden, Proben 3 und 4 wurden in der Fermentermitte in ca. Meter über dem Boden und direkt auf dem Boden und Proben und direkt am Eingang in den Ecken platziert (Abb. 5). B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 5 of

6 B Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Abb. 5: Position der Proben im Fermenter Die Proben verblieben während der folgenden Zeiträume im Fermenter: Proben I.I.6 vom bis.0. Proben II.II.6 vom bis 5.0. Proben III.III.6 vom bis 9.0. Die Probenkäfige wurden also nach jeweils 5 Tagen Verweilzeit wieder entnommen. Die Probensäckchen wurden von anhaftender Silage befreit, aus logistischen Gründen einen Tag bei 0 Grad zwischengelagert und nach Potsdam gebracht. Hier wurden dann unmittelbar die Versuche zur Keimfähigkeit angesetzt. Die Bedingungen des Garagenfermenters sind in Tab. für die drei Versuchsdurchläufe aufgelistet. Der hintere Teil des Fermenters wurde mit zwei unterschiedlichen Maissilagen gefüllt, sodass Proben 36 von diesen und Proben von Hirsesilage umgeben waren. Mit einem phmeter und einem FOS/TACMessgerät von Hach Lange wurden jeweils vor und nach der Fermenterpassage die phwerte sowie die FOS/TACWerte (Quotient aus den Konzentrationen der flüchtigen organischen Säuren (FOS) und des gesamten anorganischen Karbonats (TAC)), einem Indikator des Säurehaushalts, im Perkolat gemessen. Tab. : Prozessparameter der Fermenter während der Versuchsdurchläufe Gärtemperatur [ C] Versuch I Versuch II Versuch III Inputstoffe Proben Hirse, 9,4% otm Hirse, 9,8% otm Hirse, 0,9% otm Proben 34 Maissilage,,0% otm Maissilage, 0,5% otm Maissilage, 9,9% otm Proben 56 Maissilage, 9,3% otm Maissilage, 8,5% otm Maissilage, 7,4% otm phwert Perkolat Eintrag 8,08,3 8,08,3 8,08,3 Perkolat Austrag 7,7,6 7,7,6 7,7,6 Perkolat Eintrag 0,60,54 0,60,54 0,30,54 Perkolat Austrag,07,9,05,9,05,88 FOS/TACWert B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 6 of 3

7 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Im folgenden einige Abbildungen, die die Versuchsdurchführung in der Biogasanlage zeigen. Abb. 6 zeigt den geöffneten Fermenter mit Inhalt nach 5 Tagen Verweilzeit. Abb. 7 zeigt die Entnahme des Gärrests mit einem Vorderlader. In Abb. 8 und Abb. 9 ist zu sehen, wie die Proben mittels Bändern fixiert waren und so ohne Probleme wieder gefunden und entnommen werden konnten. In Abb. 0 sind die Probensäckchen im Probenkäfig nach der Entnahme zu sehen. Abb. 6: Geöffneter Fermenter mit Gärrest nach 5 Tagen Verweilzeit B3 BioenergieBeratungBornim GmbH Abb. 7: Entnahme des Gärrests mit einem Vorderlader 7 of B 3

8 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Abb. 8 (oben links): Probenentnahme (Probe ) Abb. 9 (oben rechts): Probenentnahme (Proben 3 und 4) Abb. 0 (unten rechts): Eine Probe nach der Entnahme B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 8 of

9 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Keimfähigkeitsversuche Die Keimfähigkeit der Samen von Mais, Raps und Tomate (als Referenz) aus den Fermenterproben wurden durch die B³ GmbH in Anlehnung an die ISTAVorschriften (International Rules for Seed Testing; ISTA, 00) untersucht. Die Probengröße betrug für alle Versuche 00 Samen. Die zu prüfenden Samen werden entsprechend der Vorgaben in normal gekeimt, anormal gekeimt und nicht gekeimt unterschieden. Die Maissamen (je Probe auf 4 Petrischalen aufgeteilt) wurden zwischen Filterpapier über die gesamte Zeit feucht gehalten in einem klimatisierten Raum bei 0 C für 7 Tage aufbewahrt und täglich ausgezählt. Die Rapssamen wurden auf Filterpapier je Säckchen in einer Petrischale über die gesamte Zeit feucht gehalten in einem Klimaschrank bei Wechseltemperatur (8 h bei 0 C und 6 h bei 30 C) für 7 Tage aufbewahrt und täglich ausgezählt. Die Tomatensamen wurden auf Filterpapier je Säckchen in einer Petrischale über die gesamte Zeit feucht gehalten in einem Klimaschrank bei Wechseltemperatur (8 h bei 0 C und 6 h bei 30 C) für 4 Tage aufbewahrt und täglich ausgezählt. Die Probe der Keimfähigkeit der zur Verfügung stehenden Chargen von Mais und Rapssamen wurde auch mit dem Ausgangsmaterial durchgeführt, um die Keimfähigkeit vor der Behandlung festzustellen. DIe Versuche wurden im Folgenden Zeitraum durchgeführt: Proben I.I.6 vom 4.0. bis 8.0. Proben II.II.6 vom 8.0. bis 0.. Proben III.III.6 vom.0. bis 05.. Ausgangsmaterial vom 4.0. bis 8.0. Die Versuche zur Keimfähigkeit mit den behandelten (anaerobe Vergärung) Samen wurden auch durchgeführt, wenn das Material durch die Behandlung sichtbar zerstört war, um eine Keimung eines möglichen lebenden Samenrests auszuschließen. Ergebnisse Die zu untersuchenden Samen wiesen als Ausgangsmaterial eine sehr hohe Keimfähigkeit auf (Tab. ), in den eigenen Versuchen sogar 00 % (Tab. 3). Mit Tomatensamen konnten keine Versuche mit Ausgangsmaterial durchgeführt werden, da hier Samen nur für die anaerobe Behandlung in ausreichender Menge vorlagen. Tab. 3: Keimfähigkeit des Ausgangsmaterials Zeit (h) Mais Raps Bemerkungen 4. Korn bricht durch 48 normal gekeimt keine 98 normal gekeimt keine 00 normal gekeimt keine normal gekeimt normal gekeimt Das Samenmaterial, das nach der Behandlung in der Biogasanlage zur Verfügung stand war sichtbar zu 00 % geschädigt. Die Schädigung ging soweit, dass in einigen Fällen einige Samen nicht mehr auffindbar waren (Tab. 4). B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 9 of

10 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Tab. 4: Zahl der vollkommen zerstörten Samen in den Versuchsreihen Probe Mais Raps Tomate I II III I II III I II III Die restlichen Samen wurden ausgelegt und auf ihre verbleibende Keimfähigkeit untersucht (Abb. 3). Am Ende der Versuche (Mais und Raps 7 Tage, Tomaten 4 Tage) waren sämtliche Samen innerlich schleimig und/oder verfault (Abb. 46). Abb. (oben links): Ausgelegte anaerob behandelte Maissamen Abb. (oben rechts): Ausgelegte anaerob behandelte Rapssamen Abb. 3 (unten rechts): Ausgelegte anaerob behandelte Tomatensamen B3 BioenergieBeratungBornim GmbH 0 of

11 Bericht Vertrag S3VG5 LUGV Brandenburg Abb. 4 (oben links): Anaerob behandelte Maissamen nach abgeschlossenem Keimfähigkeitstest (Dauer: 7 Tage) Abb. 5 (oben rechts): Anaerob behandelte Rapssamen nach abgeschlossenem Keimfähigkeitstest (Dauer: 7 Tage) Abb. 6 (unten links): Anaerob behandelte Tomatensamen nach abgeschlossenem Keimfähigkeitstest (Dauer: 4 Tage) Tab. 5: Keimfähigkeit des behandelten Materials Zeit (d) Mais (I, II, III) Raps (I, II, III) Tomaten (I, II, III) 7 4 Anmerkung 00 % nicht gekeimt 00 % nicht gekeimt 00 % nicht gekeimt In allen Versuchen kann somit eine 00 %ige Zerstörung der Keimfähigkeit der untersuchten Samen festgestellt werden (Tab. 5). Fazit Bei einer Verweilzeit von mindestens 5 Tagen in einem Behälter mit anaerober Vergärung kann die Keimfähigkeit von Mais, Winterraps und Tomatensamen zu 00 % zerstört werden. Es kann also davon ausgegangen werden, dass eine Verbreitung von gentechnisch verändertem Saatgut der hier untersuchten Arten nach der Behandlung in Fermentern der hier untersuchten Technologie nicht gegeben ist. B3 BioenergieBeratungBornim GmbH of