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Since 1750, the atmospheric CO2 concentration has increased from 280 ppm to about 350 ppm today and is expected to reach 540-970 ppm by 2100. The CO2 concentration is known to affect plants directly and indirectly through the influence of global warming. In this dissertation the impact of 50 years of global warming on plant phenology was assessed. The assessment was used to predict future phenological alterations due to global warming. Direct effects of future CO2 levels (20% above ambient) on phenology, anatomy and stomatal resistance to water vapour were also investigated on plants from the Giessen Free Air Carbondioxid Enrichment (Gi-FACE) study. Phenological data of crops, fruit plants and wild plants collected by the German Weather Service (Deutscher Wetterdienst = DWD) on 170 stations in Hessen between 1951 and 2003 have been analysed. The analysis revealed that the development of plants has shifted during the last decades in Hessen. The beginning of the phenological phases advanced by 0,4 to 5,5 days per decade. The spring phases showed the largest trend. However, the advancement of the phenological phases tended to decline during the annual cycle. Responses to global warming such as the length of vegetation period and the leaf senescence (of oak) did show considerable regional variation and sometimes opposite trends in neighbouring areas. While in some areas the vegetation period was longer, in others it was not changed. However, in the area called Gießen-Koblenzer-Lahntal it became even shorter. A regionalized phenological model for the area 348 (Marburg-Gießener-Lahntal) during the decade 2041-2050 has been developed, using temperature predictions based on the data from meteorological station Gießen. The simulation proved that global warming will advance the phenological phases of the plants and will lengthen the vegetation period. As a consequence of the advancement of the phenological phases, the risk of late frost damage is likely to be present in the future and presumably will rise for some particular fruit species. Phenology is affected not only by global warming but also by rising atmospheric CO2 levels. Most of the investigated plants of the GiFACE graslandsite showed a shift in flowering in spite of the moderate CO2 enrichment used. In this case advancement and delay occurred. The flowering of Glechoma hederacea and Saxifraga granulata advanced significantly under enhanced CO2 concentration. This indicates that evergreen species benefit from the CO2 enrichment, when it is applied throughout the year, and that they are able to react with advanced development under these conditions. Large differences in the date of flowering from year to year suggest that the CO2 effect is modified by the climatic conditions. The impact of enhanced CO2 concentration on anatomical parameters and the stomatal resistance to water vapour were investigated for six species. Despite the moderate enhancement of CO2 concentration, these attributes did already exhibit a response. However, the reactions were different among the species investigated. The species Arrhenatherum elatius und Saxifraga granulata raised the stomatal resistance mainly through the reduction of the stomata density, while Glechoma hederacea did this through a reduction of the stomatal aperture. Glechoma hederacea showed in general a positive reaction to enhanced CO2 concentration concerning leaf thickness, leaf tissue density and leaf mass per area. In contrast, the responses of the other investigated species did not demonstrate such a consistent pattern. Glechoma hederacea is unique in showing a significant advancement of flowering and a significant enhancement of the stomatal resistance to water vapour under elevated CO2. Because the resulting reduction in transpiration may lead to increased leaf temperatures as well as on the entire canopy level, elevated CO2 might be responsible for phenological changes. Thus, the detected global warming effect is inseparable from the effect that rising CO2 levels have on these species. Die CO2-Konzentration ist seit 1750 von 280 ppm auf heute 375 ppm angestiegen und wird sich bis 2100 weiter auf 540-970 ppm erhöhen. Dieser Anstieg wirkt sich indirekt über die Erwärmung der Atmosphäre als auch direkt auf die Pflanzen aus. Ziel dieser Arbeit war daher die Auswirkung der Klimaerwärmung in den letzten 50 Jahren und der prognostizierten Klimaerwärmung auf die Pflanzenentwicklung sowie die Wirkung von moderat erhöhten CO2-Konzentrationen (+20 %) auf die Phänologie, die Anatomie und den Stomatawiderstand von Pflanzen zu untersuchen. Anhand der Auswertung phänologischer Daten landwirtschaftlicher Kulturpflanzen, Obstgehölzen und wildwachsenden Pflanzen der Jahre 1951 bis 2003 von 170 Stationen in Hessen konnte gezeigt werden, dass es in diesem Zeitraum zu Verschiebungen in der Pflanzenentwicklung gekommen ist. Der Eintritt phänologischer Phasen verfrühte sich im Mittel zwischen 0,4 bis 5,5 Tage/Dekade. Die Frühjahrsphasen zeigten dabei den stärksten Trend. Im Jahresverlauf nahm die Verfrühung der phänologischen Phasen ab. Regionale Unterschiede und gegensätzliche Trends in benachbarten Naturräumen zeigten sich in der Reaktion der Pflanzen (z.B. Blattseneszenz der Stiel-Eiche), aber auch in der Dauer der Vegetationsperiode. Während sich die Vegetationszeit in manchen Regionen verlängert hat, ist sie in anderen unverändert geblieben. Im Gießen-Koblenzer-Lahntal hat sie sich sogar verkürzt. Mit Hilfe von Modellen, basierend auf den Temperaturdaten eines Regionalisierungsmodells für die meteorologische Station Gießen, konnte beispielhaft für den Naturraum 348 (Marburg-Gießener-Lahntal) gezeigt werden, dass es aufgrund der prognostizierten Klimaerwärmung in der Dekade von 2041 bis 2050 zu weiteren Verfrühungen in der Pflanzenentwicklung und zur Verlängerung der Vegetationsperiode kommen wird. Die Verfrühung der Frühjahrsphasen hat zur Folge, dass die Gefahr von Spätfrost auch in der Zukunft vorhanden ist und für einige Obstarten wahrscheinlich noch ansteigt. Neben erhöhten Lufttemperaturen beeinflussen jedoch auch erhöhte CO2-Konzentrationen die Phänologie. So zeigte die überwiegende Anzahl der untersuchten Pflanzenarten eines Grünlandbestandes - trotz nur moderat erhöhten CO2-Konzentration - Verschiebungen im mittleren Blühbeginn, wobei sowohl Verfrühungen als auch Verspätungen auftraten. Eine signifikante Verfrühung unter erhöhten CO2-Konzentrationen konnte bei Glechoma hederacea und bei Saxifraga granulata beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass immergrüne Arten von der ganzjährigen CO2-Anreicherung profitieren und mit einer schnelleren Entwicklung im Frühling reagieren. Große Unterschiede im Zeitpunkt des Blühbeginns lassen vermuten, dass der CO2-Effekt durch die Witterung modifiziert wird. Die Auswirkungen von erhöhten CO2-Konzentrationen auf anatomische Parameter und den Stomatawiderstand für Wasserdampf wurde beispielhaft an sechs Arten untersucht. Dabei reagierten die Pflanzen auf moderat erhöhte CO2-Konzentrationen unterschiedlich: Arrhenatherum elatius und Saxifraga granulata erhöhten den Stomatawiderstand für Wasserdampf hauptsächlich durch die Verringerung der Stomatadichte, Glechoma hederacea hingegen überwiegend durch eine Reduzierung der Öffnungsweite der Stomata. Im Bezug auf die Blattdicke, die Blattdichte und den LMA (leaf mass per area) zeigte Glechoma hederacea generell positive Reaktionen auf erhöhte CO2-Konzentrationen. Im Gegensatz dazu reagierten die anderen untersuchten Arten unterschiedlich. Als einzige Art zeigte Glechoma hederacea eine signifikante Verfrühung im Blühbeginn einhergehend mit einer signifikanten Erhöhung des Stomatawiderstandes für Wasserdampf. Verringerungen der Transpiration könnten zu erhöhten Blatt- und Bestandestemperaturen führen und damit Auswirkungen auf die Phänologie haben, so dass Klimaerwärmung und CO2-Effekt nicht trennbar sind.

Die Regionalvermarktung durch Regionalinitiativen ist vielfach eine Erfolgsgeschichte, in deren Folge sich auch regionales Lebensmittel-Marketing im Lebensmittel-Einzelhandel etabliert hat. Voll entwickelte Regionalinitiativen folgen dem ���dualen Modell���, sind gleichzeitig Netzwerk und Unternehmen. Der Nachhaltigkeit der Produkte kommt in vielen Konzepten eine h��here Bedeutung zu. Was macht nachhaltige regionale Wertsch��pfungsorganisationen erfolgreich? Zur Beantwortung dieser Frage werden in dieser Arbeit - aufbauend auf Theoriegrundlagen zu Innovation und Kooperation, Sozialkapital und Netzwerken, kleinen und mittleren Unternehmen sowie regionaler Governance - drei regionale Fallstudien-Projekte sowie ein Referenzprojekt untersucht, deren Entwicklungsprozesse analysiert und visualisiert. Neben der Akteurs- und Handlungstheorie werden Begriffe systemischer Theorien zur Erkl��rung genutzt. In diesem Zuge werden 70 Erfolgsfaktoren als Elemente dieser Systeme hergeleitet, identifiziert und beschrieben, die acht Ebenen eines qualitativen System-Modells nachhaltiger regionaler WSO zugeordnet werden; dessen Aufbau wird in dieser Arbeit systematisch dargestellt. Diese Erfolgsfaktoren und das System-Modell werden f��r vertiefende Analysen genutzt, deren weitere Ergebnisse beschrieben. In der Diskussion werden Anregungen zur gezielten Weiterentwicklung nachhaltiger regionaler Wertsch��pfungsorganisationen formuliert. Regional and local food-marketing, driven by regional initiatives of farmers and other activists, are a success story, which has been followed up by regional marketing-strategies in retail markets. Fully developed regional initiatives are ���dual models���; they are networks as well as enterprises. Sustainability of production plays a big role in many initiatives and in a growing market. But what makes ���sustainable regional value-adding organizations��� successful? The answer to this question in this study has been built on theories of innovation and cooperation, networks and social capital, small and medium enterprises and regional governance. The development-processes of three case-study- and one reference-project have been intensively analysed and partly visualized, explained with patterns of actors- as well as systems-theory. In this process 70 success factors have been deduced, identified and described as elements of these systems, which have been assigned to eight levels of an qualitative system-model. Both, success factors and the system-model, have been used and testet for some deeper studies, the findings are displayed here. In the discussion suggestions for the further development of sustainable regional value-adding organizations are made.

In Borstgrasrasen (Nardetalia) des Werra-Meißner-Gebietes (Nordhessen, Südniedersachsen) wurden 2012 nach 25 Jahren auf möglichst gleichen Untersuchungsflächen (quasi-Dauerflächen) Wiederholungsaufnahmen angefertigt, um den gegenwärtigen Zustand bzw. Veränderungen in diesem prioritären FFH-Lebensraumtyp zu erfassen. Es wurden insgesamt 61 Flächen untersucht. Neben der Artenzusammensetzung wurden auch Bodenparameter (pH, C/N-Verhältnis, Mächtigkeit der organi-schen Auflage) und die Nutzung erfasst. Bei der Wiederholungsaufnahme 2012 waren, abgesehen von einer Aufforstungsfläche, noch auf allen Flächen Arten der Borstgrasrasen vorhanden. Die Flächen wurden 2012 überwiegend genutzt oder gepflegt, während 1986/87 Brachflächen noch bei weitem dominierten. Eine Düngung der Flächen erfolgte nicht. Trotz dieser generell günstigen Nutzungssituation lässt sich ein genereller Trend zur Eutrophierung feststellen, der sich hinsichtlich Artenzahl und Deckung in einer Zunahme von Arten des Wirtschaftsgrünlandes (Molinio-Arrhenatheretea) bei gleichzeitiger Abnahme der Borst-grasrasen-Kennarten äußert. Auch die Artenzahlen der übrigen Magerkeitszeiger nahmen im Mittel ab, während Verbrachungszeiger im Allgemeinen zunahmen. Eine Veränderung der Gesamtartenzahl war nicht festzustellen. Die mittleren Zeigerwerte spiegeln die Verschiebungen im Arteninventar durch erhöhte mittlere Reaktions- und Stickstoffzahlen wider. Strukturell hat in den vergangenen 25 Jahren vor allem eine generelle Zunahme der Moosschichtdeckung und eine Ausbreitung der Sträucher auf Brachflächen stattgefunden. Bei den Bodenparametern waren 2012 eine signifikante Erhöhung der pH-Werte, eine Einengung der C/N-Verhältnisse und eine Abnahme der Mächtigkeit der organischen Auflage (Of) feststellbar. Regressionsmodelle zeigen, dass dabei die Zunahme von Arten des Wirtschaftsgrünlandes direkt mit den ansteigenden pH-Werten zusammen hing, während die Veränderungen bei den Kennarten eher vom Ausgangs-C/N-Verhältnis, teilweise auch von der Entwicklung der organischen Auflage und der Nutzung abhängig waren. Die vorgefundenen Veränderungen werden vor dem Hintergrund möglicher Gefährdungsszenarien (Brache, Eutrophierung, Bodenversauerung, Klimawandel) diskutiert. Angesichts des unerwarteten Befundes einer Eutrophierung bei gleichzeitig nachlassender Bodenversauerung, wird die Hypothese aufgestellt, dass der seit den 1990er-Jahren erfolgte Rückgang der Schwefeldepositionen mit nachfolgender Erholung der Boden-pH-Werte und nachlassender Stressbelastung, z. B. durch Ammonium-Toxizität, die Veränderungen ausgelöst haben könnte. Außerdem deuten die Ergebnisse auf eine zumindest teilweise zu geringe Nutzungs- bzw. Pflegeintensität bzw. zu späte Nutzungstermine. Möglicherweise führt der erhöhte Eutrophierungsdruck hier auch zu verstärkten Anforderungen an das Management der Flächen. Eindeutige Indizien für klimabedingte Veränderungen im Arteninventar ließen sich nicht finden. Indirekte Effekte über eine erwärmungsbedingte Förderung der Mineralisationsraten oder ein ursächlicher Zusammenhang zwischen höheren Wintertemperaturen und der Zunahme der Moosdeckung lassen sich jedoch nicht ausschließen. The present study aimed at assessing the present state and changes of Nardus grassland in the Werra-Meissner region (Central Germany) since the 1980s by resurveying 61 quasi-permanent plots in 2012. We repeated vegetation relevés, measurements of soil parameters (pH, C/N ratio, thickness of organic Of layer) and recorded present management practices. In 2012, Nardus grassland species still occurred in all plots but one, which had been afforested with spruce trees. The bulk of plot sites were managed in 2012 as opposed to 1986/87, when most of the plots had been fallows. No site had been fertilized or manured. Despite these favorable man-agement conditions, we found a general eutrophication signal indicated by a shift in species composition. Abundance and richness of grassland (Molinio-Arrhenatheretea) species increased, whereas Nardus grassland species declined both in number and abundance. Species richness of general low-nutrient indicators declined as well, whereas fallow indicators increased. Overall species richness did not change significantly. Increasing mean Ellenberg indicator values for soil reaction and nitrogen reflected these shifts in species composition. Vegetation structure changed with respect to a general increase in bryophyte cover and in shrub cover on fallow plots. Soil parameters showed a general increase in pH and a decrease in both C/N-ratio and Of thickness. Regression models reveal a direct relationship between increase of grassland species and increase of pH values. Nardus grassland species rather responded to initial C/N ratio and changes in Of thickness and management. The changes in species composition and soil parameters are discussed in the light of several sce-narios potentially threatening Nardus grasslands, i.e. fallow, eutrophication, soil acidification and climate change. Considering the unexpected result that eutrophication coincided with decreasing acidification, we hypothesize that a reduction of airborne acidification due to declining sulfur deposition rates since the 1990s is a major driver for species shifts in Nardus grasslands. Soil pH recovery possibly led to stress reduction (e.g. declining risk of ammonium toxicity for grassland species), thus triggering the observed changes. Moreover, the results indicate that management practices were not sufficient to suppress fallow indicators in Nardus grassland. Perhaps, eutrophication poses new challenges for the management of the remaining sites of this high priority habitat type of the EU Habitats Directive. To date, we found no evidence for changes in species composition directly related to climate change. However, indirect effects of global warming, e.g. on mineralization rates or on bryophyte cover, cannot be excluded.

In unserer konsumorientierten Überflussgesellschaft fallen organische Reststoffe in beträchtlichen Mengen sowohl in privaten Haushalten als auch in der lebensmittel-erzeugenden Industrie an. Diese Reststoffe müssen wie andere Reststoffe auch entweder vermieden oder ökologisch möglichst sinnvoll verwertet werden. Die Zielsetzung einer ökologisch sinnvollen Verwertung der organischen Reststoffe sollte die Schließung der Nährstoffkreisläufe beinhalten, aber auch gleichzeitig nur geringe Emissionen an Treibhausgasen verursachen. Die Erzeugung von Biogas aus Reststoffen zur Erzeugung von Elektrizität und Wärme und eine anschließende Verwertung des Gärrestes als Dünger stellen dabei die ökologischste Möglichkeit dar. Bislang wird der Großteil an organischen Reststoffen kompostiert bzw. thermisch verwertet, da der Einsatz in der anaeroben Vergärung als problematisch angesehen wird. Dies liegt vor allem an der Tatsache, dass es sich bei organischen Reststoffen meist um proteinreiches Substrat handelt, welches dadurch große Mengen an Stickstoff enthält. Durch den Abbau der proteinreichen Substrate kann es zu einer Akkumulation von Ammoniak (NH3) kommen. NH3 wirkt als Zellgift und kann dadurch die Mikroorganismen im Fermenter schädigen. Kohlenstoffdioxid (CO2) stellt zusammen mit Wasserstoff (H2) einen für die Methanogenese entscheidenden Ausgangsstoffe dar. Die Dynamik der CO2-Partialdrücke (pCO2) im Fermenterinhalt ist daher entscheidend für den Biogasprozess. Um die Potentiale bei der Vergärung von organischen Reststoffen zu untersuchen, wurden insgesamt vier Gärversuche mit 11 Fermentern im Labormaßstab durchgeführt. Bei den Reststoffen handelte es sich um organisches Material, welches während des Betriebsprozesses in einer Großschlachterei anfällt. Für die Betrachtung des pCO2 im Fermenterinhalt wurden fünf Versuche mit Speiseresten als Substrat ausgewertet. Die eingesetzten Substrate wiesen in ihrer strukturellen Zusammensetzung teils deutliche Schwankungen auf. Die Versuche zeigten niedrige Methanerträge und einen geringen Abbau der organischen Substanz, die durch eine Schädigung der mikrobiellen Gemeinschaft durch NH3 hervorgerufen wurde. Die Messung der Ammonium (NH4+) Konzentrationen erfolgte bisher nur selten über den gesamten Prozessverlauf. Unsere Messungen zeigten hohe NH4+ Konzentrationen und deutliche Schwankungen, die vor allem in der Dynamik des Gesamtprozesses begründet sind. Die gemessenen Nährstoffgehalte weisen den Gärrest als einen sehr guten Dünger aus. Vor allem die Konzentrationen an Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) im Gärrest sind deutlich höher als in Schweine- oder Rindergülle. Zudem besitzt der Gärrest durch den großen Anteil an organischer Substanz eine humusbildende Wirkung. Die Messungen des pCO2 zeigten einen Überschuss an CO2 bei nicht optimalem Prozessverlauf auf. Dies lässt darauf schließen, dass ausreichend CO2 für die Methanbildung vorhanden wäre, allerdings nicht optimal genutzt wird. Es zeigte sich, dass eine Monovergärung von Abfällen aus der lebensmittelproduzierenden Industrie grundsätzlich möglich ist. Allerdings muss bei der Vergärung hohen NH3-Konzentrationen entgegengewirkt werden. Die Analyse der Nährstoffgehalte der Gärreste ergab ein beträchtliches Potential für die Pflanzendüngung. Eine Nutzung der Gärreste als Pflanzendünger führt zu einem geschlossenen Nährstoffkreislauf, was letztlich klare ökologische Vorteile mit sich bringt. Die Ergebnisse aus der Analyse des pCO2 zeigen neue Möglichkeiten auf, um die Biogasqualität, beispielsweise durch Zugabe von H2, zu steigern. Eine Steigerung der Methanerträge ist dabei sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen Gesichtspunkten wichtig, da dadurch eine höhere Energieausbeute erreicht werden könnte. In our consumption based affluent society, organic waste is mass produced in private households as well as in the food producing industries. These residual materials, as with other organic waste material either should be avoided or exploited in an ecologically worthwhile way. The aim of an ecological sound exploitation of organic waste should be the closing of nutrient cycles but also, at the same time, the reduction of greenhouse gas emissions. The creation of biogas out of organic waste to produce electricity and heat combined with the use of the digestate as a fertilizer represents an ecological useful way to exploit organic waste material. To date, most of these organic residues is incinerated because the usage in anaerobic digestion is seen as problematic. This is due to the fact that organic waste materials are often rich in proteins and therefore rich in nitrogen. Through the degradation of protein-rich substrates there can occur an accumulation of ammonia (NH3). NH3 acts as a cellular toxine and can therefore destroy the microbial community in the digester. Carbon dioxide (CO2) together with hydrogen (H2) represents the main components for methanogenesis. The dynamics of the CO2 partial pressure (pCO2) in the liquid phase of the reactor is therefore an important component in the biogas process. To investigate the potentials of the anaerobic digestion of organic wastes, four lab scale experiments with 11 reactors were carried out. The organic waste materials were obtained from a slaughterhouse. To observe the dynamics of the pCO2, we analyzed five reactors feed with food leftovers as the main substrate. The used substrates differed clearly in their structural composition. The experiments showed low methane yields and a low degradation of the organic matter. This was due to the damage of the microbial community caused by NH3. There are nearly no publications measuring the ammonium (NH4+) concentration over the whole digestion period. Our measurements showed high amounts of NH4+ and in addition, a fluctuation of the NH4+ concentration during the digestion process caused by the dynamics of the anaerobic digestion. The measurement of the nutrient content identified the digestate as a good fertilizer. In particular, the content of nitrogen, phosphorus and potassium were considerably higher than in liquid manure from pigs or cattle. Additionally the digestate comprised high amounts of organic carbon, which can be used for humus production. The evaluation of the pCO2 in the reactor slurry showed an oversaturation in CO2 at a suboptimal process. This leads to the conclusion that there was surplus CO2 available for methanogenesis, which cannot be utilized. It becomes apparent that it is possible to use organic wastes from food producing industries for anaerobic digestion. However, it is necessary to counter the high NH3 concentrations for an optimal process performance. The nutrient analysis of the digestate demonstrated its high potential as a fertilizer. If the digestate is used as a fertilizer, it brings the ecological advantage of a closed nutrient cycle. The results of the pCO2 evaluation showed new possibilities to enhance biogas quality, e.g. in addition of H2. An increase in the methane yield to generate a higher energy amount is not only important in the viewpoint of ecology, it is also important in an economical way.

Escherichia coli was metabolically engineered for the production of next generation biofuel 1-butanol. Therefore electrotransformation was performed with artificial plasmids harbouring the butanol-synthesis genes from Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii. So far, the functional expression of the genes was proven by demonstrating the synthesis of 1-butanol from glucose in different E. coli strains. To investigate the butanol production in acetogenic bacteria such as Clostridium ljungdahlii, the butanol-synthesis genes were cloned into the shuttle vector pIMP1. C. ljungdahlii is able to grow on synthesis gas, a mixture of CO, CO2 and H2. Synthesis gas can be easily produced and does not compete with the food industry such as conventional butanol fermentation which uses corn or sugar as substrate. Furthermore, genome sequence analysis of C. acetobutylicum revealed a gene (CAC3330) encoding a cytochrome P450 monooxygenase (CYP152A2). The gene coding for CYP152A2 was amplified and expressed in E. coli. After overexpression and purification of P450 monooxygenase, it was demonstrated that this enzyme is able to catalyze the hydroxylation of fatty acids in the presence of hydrogen peroxide. The "ClosTron® Gene Knockout System" was used for the specific disruption of CAC3330, and in growth experiments, the consequences of the gene inactivation were determined.

Die hier vorgestellten Untersuchungen leisten einen Beitrag, notwendige naturschutzfachliche Vorgaben und landwirtschaftliche Nutzungserfordernisse miteinander zu verbinden und zu kalkulieren. Es werden Einschätzungen darüber möglich, wie naturschutzgerechte, landwirtschaftliche Nutzung von Grünland bei Erreichung höchstmöglicher Deckungsbeiträge organisiert werden kann. Als Fallbeispiel diente die Muldeaue der Stadt Dessau-Roßlau (Sachsen-Anhalt, Germany). Im Mix verschiedener Nutzungsformen kann eine relative Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Eine Nutzung des Grases aus der Muldeaue für die Biogasherstellung ist aber, mit einer nach August 2014 errichteten Biogasanlage (EEG 2014), unrentabel. Da Biogasherstellung eine ideale Möglichkeit ist, landwirtschaftliche- und Naturschutz-Interessen vereinbar zu machen, wäre eine Anpassung der Einspeisevergütung auf Grundlage des Erneuerbare-Energien-Gesetzes wünschenswert. The investigations presented in this paper are intended to contribute to calculating and combining natural conservation with statutory agricultural use requirements. It is therefore intended to make it possible to assess the extent to which nature conservation and agricultural use of grassland can be organised to achieve the best possible results. The Muldeaue of Dessau-Roßlau (Saxony-Anhalt, Germany) was used as a case study. In the interplay of different utilization forms, a relative profitability can be achieved. But an use of the grass from the Muldeaue for biogas production would be unfeasible, assuming a biogas plant (EEG 2014) was built after August 2014. As biogas production is an ideal way to reconcile agricultural and nature-related interests, an adjustment of the feed-in tariff on the basis of the Renewable Energy Sources Act would be desirable.

For an enhancement in the time-space-yield of one-stage agricultural biogas plants, experiments for developing early warning indicators (EWI) for process failures and countermeasures for process stabilization and for adapting the substrate composition were conducted. A new EWI was developed, the A/elCon, the proportion of the concentration of organic acids to the electrical conductivity, which warned most effectively in lab- and full-scale experiments. As a countermeasure against process failures, the addition of different additives was tested. In general, the addition of additives counteracted over-acidifications at high organic loading rates (OLR). In contrast to increased OLRs without countermeasures, the microbial communities adapted to high OLRs, if additives were added, by an increase in the relative abundance of hydrogenotrophic and acid tolerant mixotrophic methanogens. The combination of trace elements and NaOH was most beneficial for stabilizing agricultural biogas processes and was successfully used in combination with the A/elCon to maintain a long-term high-performance digestion (up to OLR = 7.5 kg VS m 3 d 1, t > 100 d). A further increase in the time-space-yield was achieved by co-digesting energy-rich lipid-containing substrates. As known from the digestion of biological waste, the high-performance co-digestions were stabilized by CaO additions leading to an aggregate formation. The stabilization was based on the precipitation of toxic long-chain fatty acids with calcium and thus the formation of surfaces for biofilms. Even a long-term high-performance co-digestion (up to OLR = 9 kg VS m 3 d 1, t > 100 d) was established by adding CaO. In this connection the formation of highly effective fatty acid degrading microbial consortia was detected consisting of syntrophic bacteria and hydrogenotrophic archaea that contributed to the process stability. Analyzing the microbial communities the results of the metagenome analysis and of the classical genetic fingerprinting via DGGE were compared. Both methods showed an increase in acidogenic bacteria and thereby especially in lactic acid producing bacteria with increasing loading rates. The results of the metagenome analysis were much more detailed. Zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute in einstufigen, landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden Versuche zur Entwicklung von Frühwarnindikatoren (FWI) für Prozessstörungen und von Maßnahmen zur Prozessstabilisierung, sowie zur Substratzusammensetzung durchgeführt. Ein neuer FWI wurde entwickelt, der A/elCon, das Verhältnis aus der Konzentration organischer Säuren (engl.: org. acids) zur elektrischen Leitfähigkeit (engl.: electr. conductivity), der im Labor und in der Großtechnik am effektivsten vor drohenden Prozessstörungen warnte. Als Maßnahme zur Prozessstabilisierung wurde die Zugabe von Additiven untersucht. Grundsätzlich wurde durch die Additivzugabe eine Übersäuerung bei hohen Raumbelastungen vermieden. Im Unterschied zur Leistungssteigerung ohne Additivzugabe, passte sich die mikrobielle Lebensgemeinschaft durch Zunahme der relativen Abundanz hydrogenotropher und säuretoleranter mixotropher Methanogener an hohe Raumbelastungen (BR) an. Eine Kombination aus Spurenelementen und NaOH eignete sich am besten zur Prozessstabilisierung und wurde zusammen mit dem A/elCon erfolgreich zur Etablierung einer Langzeit-Hochlast-Vergärung (bis BR = 7,5 kg oTS m 3 d 1, t > 100 d) von NawaRo eingesetzt. Eine weitere Leistungssteigerung wurde durch Co-Vergärung energiereicher lipidhaltiger Substrate erzielt. Wie aus Anlagen der Abfallwirtschaft bekannt, wurden die Hochlast-Co-Vergärungen bei CaO-Zugabe durch eine Aggregatbildung stabilisiert. Die Aggregate binden toxische, langkettige Fettsäuren und bilden Oberflächen für Biofilme. Es wurde auch eine Langzeit-Hochlast-Co-Vergärung (t > 100 d) durch Zugabe von CaO etabliert. Dabei wurde die Ausbildung einer hocheffektiven fettsäureabbauenden mikrobiellen Lebensgemeinschaft, bestehend aus syntrophen Bacteria und hydrogenotrophen Archaea detektiert, die entscheidend zur Prozessstabilität beitrug. Bei der Charakterisierung der mikrobiellen Biozönosen wurden die Ergebnisse der Metagenomanalyse und des klassischen genetischen Fingerprintings mittels DGGE verglichen. Beide Methoden zeigten eine Zunahme acidogener Bacteria und dabei speziell von Milchsäurebakterien mit zunehmender Raumbelastung. Die Ergebnisse der Metagenomanalyse waren deutlich detaillierter.

Die Produktion von Biogas aus landwirtschaftlichen Primärprodukten oder Reststoffen stellt einen we-sentlichen Beitrag zur Reduktion des CO2-Ausstoßes sowie zur Entwicklung einer nachhaltigen Landbewirtschaftung dar. Gegenwärtig stehen im Fokus der Forschung die Entwicklung und Optimierung von Biogasreaktoren und Betriebstechniken sowie die Optimierung der Substratbereitstellung. Über die Zusammensetzung der an der Biogasbildung beteiligten mikrobiellen Lebensgemeinschaften in landwirt-schaftlichen Biogasanlagen gibt es jedoch bis heute nur wenige Informationen. Im Rahmen dieser Studie wurde die Struktur der methanogenen Biozönose in zehn landwirtschaftlichen Biogasanlagen, welche auf Basis von Nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) betrieben wurden, unter-sucht. Hierzu wurde ein polyphasischer Ansatz mit verschiedenen kultivierungsunabhängigen, molekularen Verfahren gewählt. Primär wurde eine PCR-RFLP Analyse der Nukleotidsequenz der 16S rDNA sowie des mcrA Gens durchgeführt. Die Bestimmung der relativen Häufigkeit der Methan bil-denden Mikroorganismen in den Proben erfolgte mittels quantitativer real-time PCR (Q-PCR) auf Basis gruppenspezifischer Primer für das 16S rDNA Gen. Für ausgewählte Biogasreaktoren wurde ergänzend eine mikroskopische Quantifizierung mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) durchgeführt. Für die FISH wurden spezifische Sonden für die Domänen Bacteria (EUB338) und Archaea (ARCH915) so-wie für die Ordnungen Methanomicrobiales (MG1200), Methanobacteriales (MB311 und MB1174) und den Familien Methanosarcinaceae (Ms821) und Methanosaetaceae (Mx825) verwendet. Die Ergebnisse der Analysen zeigten, dass in neun der zehn untersuchten Biogasanlagen die hydroge-notrophen Methanogenen, repräsentiert durch Vertreter der Ordnungen Methanomicrobiales und Methanobacteriales, vorherrschend waren. In diesen Biogasreaktoren wurde die Gattung Methanoculleus (Ordnung Methanomicrobiales) als dominierende Gattung nachgewiesen. Nennenswerte Anteile an ace-toklastischen Methanbildnern, insbesondere der Gattung Methanosaeta, konnten für sechs der untersuchten zehn Anlagen nachgewiesen werden. Jedoch wurde nur in einer Biogasanlage diese Gattung als die dominierende Gruppe von Methanbildnern nachgewiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in 90 % der untersuchten Biogasanlagen die hydrogenotrophe Methanogenese der vorrangige Stoff-wechselweg für die Methanproduktion ist. In dieser Studie konnte kein Zusammenhang zwischen den jeweils zur Biogasgewinnung eingesetzten Substraten und der Struktur der Archaea-Biozönose beobachtet werden. Ebenso wenig scheinen unter-schiedliche Verweilzeiten der Substrate sowie die Raumbelastung der Reaktoren einen Einfluss auf die methanogenen Archaea zu haben. Jedoch ließ sich ein negativer Einfluss hoher Ammonium- bzw. Am-moniakkonzentrationen auf das Wachstum acetoklastischer Methanbildner, insbesondere Methanosaeta spp., in den untersuchten landwirtschaftlichen Biogasanlagen feststellen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse dienen dem grundlegenden Verständnis der methanoge-nen Lebensgemeinschaft in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, und sollen somit zur weiteren Optimierung der Biogasgewinnung beitragen. Biogas production from agricultural main products or remnants provides a substantial contribution to the reduction of CO2 emissions but also to the development of a sustainable agriculture. Currently, the re-search focuses on development and optimization of biogas reactors and reactor performance as well as optimization of substrate eligibility. However, the knowledge of the structure and dynamics of microbial communities which are involved in the biogas production is still insufficient. Within this study, the structures of methanogenic biocoenosis in ten agricultural biogas plants which are operated on basis of renewable raw materials were analyzed. Therefore a polyphasic approach with differ-ent culture independent molecular genetic techniques was chosen. First, PCR-RFLP analyses of 16S rDNA and mcrA genes were conducted. For determination of the relative abundance of methane pro-ducing microorganisms in the samples a quantitative real-time PCR (Q-PCR) on basis of 16S rDNA group-specific primers was applied. Fluorescence in situ hybridization (FISH) was carried out for direct quantification of methanogenic cells in reactor contents of six of the ten biogas plants. FISH was carried out with specific probes for the domains Bacteria (EUB338) and Archaea (ARCH915), the orders Metha-nomicrobiales (MG1200) and Methanobacteriales (MB311 and MB1174) and the families Methanosarcinaceae (Ms821) and Methanosaetaceae (Mx825). The results of the analyses showed, that in nine of the ten biogas plants the hydrogenotrophic methano-gens, represented by the orders Methanomicrobiales and Methanobacteriales, were prevalent. The genus Methanoculleus (Methanomicrobiales) was the predominating genus in these biogas plants. Acetoclastic methanogens such as organisms of the genus Methanosaeta were found only in six of the ten analyzed biogas plants. However, in one biogas plant Methanosaeta was determined as the predominant methano-genic group. These results indicate that the hydrogenotrophic methanogenesis was the major metabolic pathway for methane production in 90 % of the analyzed biogas plants. In this study, no correlation between used substrates for biogas production and the structure of Archaea biocoenosis could be observed. Also, the retention time of substrates and the organic loading rate of reac-tors seemed to have no obvious effect on the methanogenic Archaea. However, in the analyzed biogas plants a negative influence of high ammonium and ammonia concentrations, respectively, on the growth of acetoclastic methanogens in particular Methanosaeta spp. was determined. The results of this study serve the basic understanding of the methanogen community in agricultural bio-gas plants and are to contribute to further optimization of biogas production.