Bedingungen zur Inaktivierung von Unkrautsamen im Biogasprozess

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1 Bedingungen zur Inaktivierung von Unkrautsamen im Biogasprozess Hans Oechsner Pascal Knödler Roland Gerhards Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie Institut für Phytomedizin - Herbologie Gliederung Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Agrartechnik und Bioenergie 1

2 Einleitung Anbau von Mais für Biogasanlagen beträgt derzeit ca Hektar (ca. 1/3 der gesamten Maisfläche) Entsprechend hoher Anteil an Gärrest wird wieder auf die Flächen gebracht Vermutung, dass einige Unkrautsamen im Fermenter überleben und durch den Gärrest keimfähig ausgebracht werden Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Problemstellung Hauptsubstrat für BGA ist Mais, welcher viele Unkrautarten enthalten kann, z.b. Hirsearten Gärrest wird auch überbetrieblich auf Felder verteilt Unkrautsamen kommen auch über Futterreste und Flüssigmist in die Biogasanlage (Getreideausputz, Blühmischungen) Lange Überlebensdauer von Unkrautsamen im Boden (bis zu 20 Jahren) Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Agrartechnik und Bioenergie 2

3 Kenntnisstand Silierung? Unkrautsamen können die Silierung überleben (Leonhardt et al., 2010) Merkmale der Samen haben Einfluss auf Überlebensfähigkeit (z.b. Hartschaligkeit) Anpassung der Samen - Verdauungstrakt von Tieren kann überlebt werden (Bonn & Poschlod, 1998) Wenig Veröffentlichungen zum Einfluss der Fermentation direkt im Biogasreaktor (Gerowitt & Westerman, 2011) Temperatur und Verweildauer sind wichtige Faktoren bei der Inaktivierung (Schrade et al., 2002); stumpfblättriger Ampfer mesophil nach 1 Woche inaktiviert Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Verwendete Unkrautarten Weißer Gänsefuß (Chenopodium album) Blutfingerhirse (Digitaria sanguinalis) Hühnerhirse (Echinochloa crus-galli) Grüne Borstenhirse (Setaria viridis) Jakobskreuzkraut (Senecio jacobaea) Zurückgebogener Amarant (Amaranthus retroflexus) (nur im thermophilen Versuch) Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Agrartechnik und Bioenergie 3

4 Zusatzversuch Ästige Sommerwurz (Tabakwürger) (Orobanche ramosa) NiCoTa (2015) Weißstängeligkeit (Sclerotinia sclerotiorum) NiCoTa (2015) Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Material & Methoden Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Agrartechnik und Bioenergie 4

5 Biogas-Infotage Ulm Januar 2018 Anfertigen der Proben und einbringen Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Übersicht: Versuchsplan 5 Arten meso- bzw. 6 Arten thermophil Je Art und Entnahmezeitpunkt 4 Wh 3 Wo im Keimschrank Verweildauer 2 Stunden 4 Stunden 7 Stunden 10 Stunden 13 Stunden 1 Tag 2 Tage 3 Tage 1 Woche 2 Wochen 3 Wochen Mesophil 37 C Mesophil 42 C Thermophil 52 C Einleitung Problemstellung Kenntnisstand Material & Methoden Ergebnisse & Diskussion Agrartechnik und Bioenergie 5

6 Ergebnisse Ermittlung der Keimfähigkeit der Samen Echinochloa crus-galli (Hühnerhirse) Setaria viridis (Güne Borstenhirse) Keimfähigkeit [%] Arten Senecio jacobaea (Jakobskreuzkraut) Chenopodium album (Weißer Gänsefuß) Digitaria sanguinalis (Blutfingerhirse) Amaranthus retroflexus (Zurückgebogener Amarant) Agrartechnik und Bioenergie 6

7 Mesophil 37 & 42 C Hühnerhirse 37 C Kontrolle 1 Tag 2 Tage 3 Tage 1 W 2 W 3 W ECHCR Keimfähigkeitsreduktion [%] 42 C ECHCR Keimfähigkeitsreduktion [%] Mesophil 37 & 42 C Weißer Gänsefuß 37 C Kontrolle 1 Tag 2 Tage 3 Tage 1 W 2 W 3 W CHEAL Keimfähigkeitsreduktion [%] 42 C CHEAL Keimfähigkeitsreduktion [%] heilkraeuter.de Agrartechnik und Bioenergie 7

8 Blutfingerhirse, Grüne Borstenhirse und Jakobskreuzkraut die Blutfingerhirsehat nur den ersten Tag im 37 C Fermenter mit 2% überlebt, danach war sie nicht mehr keimfähig die Grüne Borstenhirse und das Jakobskreuzkraut haben keineder untersuchten Varianten im mesophilen Bereich überlebt offene-naturfuehrer.de Wikipedia.de Überblick mesophil 37 & 42 C Keimfähgkeit [%] ECHCR (Hühnerhirse) SETVI (Grüne Borstenhirse) 69 SENJA (Jakobskreuzkraut) CHEAL (Weißer Gänsefuß) DIGSA (Blutfingerhirse) Kontrolle 1 Tag 2 Tage 3 Tage 1 W 2 W 3 W 1 Tag 2 Tage 3 Tage 1 W 2 W 3 W 37 C 42 C Verweilzeit Agrartechnik und Bioenergie 8

9 Thermophil 52 C, Hühnerhirse 52 C Kontrolle 2h 4h 7h 10h 13h 24h ECHCR Keimfähigkeitsreduktion [%] Keimfähigkeit der Hühnerhirsezunächst geringfügig erhöht, erst ab der siebten Stunde ist eine Abnahme zu verzeichnen Nach 13 Stunden noch eine Keimrate von 50% Nach 24 Stunden abgetötet Thermophil 52 C, Weißer Gänsefuß 52 C Kontrolle 2h 4h 7h 10h 13h 24h CHEAL heilkraeuter.de Keimfähigkeitsreduktion [%] Zwischen der vierten und 13. Stunde halbiert sich die Keimrate ungefähr nach jeder Probe Nach 24 h abgetötet Agrartechnik und Bioenergie 9

10 Thermophil 52 C, Amarant 52 C Kontrolle 2h 4h 7h 10h 13h 24h AMARE Wikipedia.de Keimfähigkeitsreduktion [%] nur im thermophilen Versuch Nach zwei Stunden Verweilzeit noch 27% keimfähig, Nach 4 Stunden vollständig hygienisiert Überblick Keimrate, thermophil Keimrate [%] ECHCR (Hühnerhirse) SETVI (Grüne Borstenhirse) SENJA (Jakobskreuzkraut) CHEAL (Weißer Gänsefuß) DIGSA (Blutfingerhirse) AMARE (Zurückgebogener Amarant) 0 Kontrolle 2h 4h 7h 10h 13h 24h 52 C Agrartechnik und Bioenergie 10

11 Überblick der Temperaturvarianten nach 1 Tag Keimrate [%] Kontrolle 1 Tag 1 Tag 1 Tag 37 C 42 C 52 C ECHCR (Hühnerhirse) SETVI (Grüne Borstenhirse) SENJA (Jakobskreuzkraut) CHEAL (Weißer Gänsefuß) DIGSA (Blutfingerhirse) AMARE (Zurückgebogener Amarant) Diskussion Anpassung der Samen an Endozoochorie (Darmpassage Anregung) Samenfeuchtegehalt Fähigkeit Hartschaligkeit auszubilden ist ein Merkmal auf Artenebene, Unkräuter reagieren dynamisch auf ihre Umwelt und prägen ihre Merkmale z.b. Hartschaligkeit unter Selektionsdruck schnell aus Temperatureinfluss - eindeutiger Effekt Einwirkdauer eindeutiger Effekt Agrartechnik und Bioenergie 11

12 Diskussion Hühnerhirse im thermophilen Versuch zunächst Anregung der Keimung, bei mesophil nach einem Tag nicht erkennbar Kontinuierliche Inaktivierung im thermophilen Fermenter, keineunkrautsamen überlebten einen Tag, weißer Gänsefuß am resistentesten mit 1 Woche Verweilzeit im mesophilen Fermenter Andere Arten waren sehr schnell abgetötet Keineder Versuchsvarianten von dem Tabakwürger oder Sklerotinia haben überlebt Fazit & Ausblick Vorgeschaltete Silierung bringt vermutlich zusätzliche Effekte zur Inaktivierung von Unkrautsamen (hier nicht untersucht) Problem mögliche Kurzschlussströmungen beachten, Fermenter-Kaskaden vorteilhaft In der Praxis liegen Verweilzeiten von 100 Tagen und mehr im Fermenter vor Meist Gärtemperaturen über 40 C in der Praxis Diese Faktoren sollten eine vollständige und sichere Inaktivierung der relevanten Unkrautsamen bewirken Agrartechnik und Bioenergie 12

13 Biogas-Infotage Ulm Januar 2018 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Vielen Dank für die finanzielle Unterstützung des Projektes durch das MLR Inaktivierung pilzlicher Schaderreger im Biogasprozess Gewöhnlicher Steinbrand Zwergsteinbrand Fusarium spp. Maisbeulenbrand Weißstengeligkeit Keim- bzw. Lebensfähigkeit [%] ausgewählter pilzlicher Erreger nach verschiedenen Verweilzeiten in der mesophilen Biogasanlage (35 C). Bei thermophiler Prozessführung (50 C) bereits nach 24 h keine Lebensfähigkeit der untersuchten Pilzsporen Leonhardt, et al Agrartechnik und Bioenergie 13

14 Biogas-Infotage Ulm Januar 2018 In umfangreichen Untersuchungen von Frauz, et al wurde festgestellt, dass: Fusariensporen im Biogasprozess bereits bei Temperaturen von 37 C nach 12 Stunden abgetötet sind. Gleicher Effekt bei Gärtemperatur von 55 C. Enzymatische Metabolisierung des Fusariengiftes (DON) zu unschädlichen Abbauprodukten. Dies erfolgt bereits in 2-3 Stunden im Biogasfermenter. Fusarienbelastetes Getreide kann in begrenzten Anteilen im Biogasprozess verwertet werden. Der spezifische Methanertrag des befallenen Substrates ist reduziert, da die Pilzsporen organische Substanz veratmet haben. Abtötung von Testkeimen (mesophiler Prozess, 31 C) Einwirkdauer [Tage] Philipp, 2000 NAWARO-Bachelor-Biogas Modul Vorlesung Biogas: Reststoffe für den Biogasprozess Dr. Hans Oechsner Agrartechnik und Bioenergie 28 14

15 Biogas-Infotage Ulm Januar 2018 Abtötung von Testkeimen (thermophiler Prozess, 54 C) Einwirkdauer [Stunden] Philipp, 2000 NAWARO-Bachelor-Biogas Modul Vorlesung Biogas: Reststoffe für den Biogasprozess Dr. Hans Oechsner Ergebnisse an Biogasanlagen D-Werte (in h) von Bakterien in Kofermentationsanlagen (75 % Gülle) (BÖHM et al., 2000) TEMPERATUR 30 C 55 C EHEC-coli 78,48 0,08 (5 min) Salmonella senftenberg 56,40 0,11 (7 min) Enterococcus faecalis 186,24 1,70 (D-Wert:= Zeit in Stunden in der die untersuchten Mikroorganismen unter den gegebenen Bedingungen bei einer bestimmten Temperatur um eine Zehnerpotenz reduziert werden) NAWARO-Bachelor-Biogas Modul Vorlesung Biogas: Reststoffe für den Biogasprozess Dr. Hans Oechsner Agrartechnik und Bioenergie 30 15

16 Ergebnisse an Biogasanlagen D-Werte (in h) von Viren in Kofementationsanlagen(55 C) (BÖHM et al., 2000; HAAS et al., 2000) Parvo-Viren (Schweineparvo-Virus) Virus der vesik. Schweinekrankheit Virus der Maul- und Klauenseuche Virus der klassischen Schweinepest Virus der Aujeszkyschen Krankheit Virus der Afrikanischen Schweinepest ca. 6 h ca. 3 min ca. 12 min ca. 12 min ca. 6 min ca. 12 min NAWARO-Bachelor-Biogas Modul Vorlesung Biogas: Reststoffe für den Biogasprozess Dr. Hans Oechsner 31 Literatur Bonn, S., & Poschlod, P. (1998). Ausbreitungsbiologie der Pflanzen Mitteleuropas. Deutsches Maiskomitee e.v. (DMK). (2013). Wie viel Mais verträgt unsere Land(wirt)schaft? Gerowitt, B., & Westerman, P. R. (2011). Schlussbericht: Untersuchungen zum phytosanitärenrisiko durch die anaerobe Vergärung von pflanzlichen Biomassen in Biogasanlagen, Teilvorhaben 2. Leonhardt, C., Weinhappel, D. M., Gansberger, M., Brandstetter, A., Harald, S., Ing, D., & Pfundtner, E. (2010). Untersuchungen zur Verbreitungsgefahr von samen-übertragbaren Krankheiten, Unkräutern und aus- triebsfähigen Pflanzenteilen mit Fermentationsendprodukten aus Biogasanlagen, 3, Oechsner, H., Ruile, B. S. S., & Schmitz, B. S. S. (2015). Der Landwirt als Energiewirt Residual biomethanepotential testbiogaserzeugung in der parameter, resultsand evaluationlandwirtschaft Storage stabilitypretreatment effects Nutrients, inhibitoric, toxic ingredients, (March), 1 19 Schrade, S., Oechsner, H., Pekrun, C., & Claupein, W. (2003). Einfluss des Biogasprozesses auf die Keimfähigkeit von Samen. Landtechnik, 58, Frauz, B.; Weinmann; H. Oechsner (2006) Abtötungvon Fusariensporenwährenddes Gärprozesses in Biogasanlagen. Landtechnik, 4, 2006, S Agrartechnik und Bioenergie 16

17 Hühnerhirse ( Weißer Gänsefuß ( Grüne Borstenhirse se Jakobskreuzkraut Jakobskreuzkraut Blutrote Fingerhirse 93_Blutrote_Fingerhirse,_Bluthirse_%28JKI- Pflanzenportraits%29 Amarant _Amarant Agrartechnik und Bioenergie 17