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In order to produce protein-rich duckweed for human and animal consumption, a stable cultivation process, including an optimal nutrient supply for each species, must be implemented. Modified nutrient media, based on the N-medium for duckweed cultivation, were tested on the relative growth rate (RGR) and crude protein content (CPC) of Lemna minor and Wolffiella hyalina, as well as the decrease of nitrate-N and ammonium-N in the media. Five different nitrate-N to ammonium-N molar ratios were diluted to 10% and 50% of the original N-medium concentration. The media mainly consisted of agricultural fertilizers. A ratio of 75% nitrate-N and 25% ammonium-N, with a dilution of 50%, yielded the best results for both species. Based on the dry weight (DW), L. minor achieved a RGR of 0.23 ± 0.009 d−1 and a CPC of 37.8 ± 0.42%, while W. hyalina’s maximum RGR was 0.22 ± 0.017 d−1, with a CPC of 43.9 ± 0.34%. The relative protein yield per week and m2 was highest at this ratio and dilution, as well as the ammonium-N decrease in the corresponding medium. These results could be implemented in duckweed research and applications if a high protein content or protein yield is the aim.
Duckweeds can be potentially used in human and animal nutrition, biotechnology or wastewater treatment. To cultivate large quantities of a defined product quality, a standardized production process is needed. A small-scale, re-circulating indoor vertical farm (IVF) with artificial lighting and a nutrient control and dosing system was used for this purpose. The influence of different light intensities (50, 100 and 150 µmol m−2 s−1) and spectral distributions (red/blue ratios: 70/30, 50/50 and 30/70%) on relative growth rate (RGR), crude protein content (CPC), relative protein yield (RPY) and chlorophyll a of the duckweed species Lemna minor and Wolffiella hyalina were investigated. Increasing light intensity increased RGR (by 67% and 76%) and RPY (by 50% and 89%) and decreased chlorophyll a (by 27% and 32%) for L. minor and W. hyalina, respectively. The spectral distributions had no significant impact on any investigated parameter. Wolffiella hyalina achieved higher values in all investigated parameters compared to L. minor. This investigation proved the successful cultivation of duckweed in a small-scale, re-circulating IVF with artificial lighting.
Im Rahmen des Forschungsprojektes „LemnaProtein“ wird ein standardisierter Produktionsprozess für Wasserlinsen an der Hochschule Osnabrück entwickelt. Durch die Produktion der Wasserlinsen in einem hydroponischen Kultursystem und der anschließenden Nutzung der Wasserlinsen als alternative Proteinquelle im Tierfutter für Monogastrier sollen Nährstoffkreisläufe geschlossen werden. Das Wachstum und die chemische Zusammensetzung der Wasserlinsen können durch verschiedene Umweltfaktoren beeinflusst werden. Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören die Wachstumsfaktoren: Nährstoffangebot, Temperatur, pH-Wert, Licht und Photoperiode. Da der Anbau in einem vertikalen System geplant wird, ist eine Zusatzbelichtung erforderlich. Zur Überprüfung des Einflusses des Lichtspektrums und der Lichtintensität auf die Pflanzenperformance von Wasserlinsen wurde im Sommer 2020 ein Versuch mit zwei Arten (siehe Abb. 1) durchgeführt.
Die intensive Tierhaltung im Nordwesten Deutschlands führt zu deutlichen Nährstoffüberschüssen in Form von Gülle und daraus folgend zu unerwünschten Nährstoffeinträgen in nichtagrarische Ökosysteme. Diese können beispielsweise zur Eutrophierung von Oberflächengewässern oder zur Verunreinigung des Grundwassers mit Nitrat führen. Derzeit werden für die Nutztierhaltung deutschlandweit Proteinfuttermittel, hauptsächlich in Form von Sojaextraktionsschrot, in einer Größenordnung von ca. 4,5 Mio. t pro Jahr aus Nord- und Südamerika importiert. Ziel des LemnaProtein-Projektes war die Entwicklung eines standardisierten, rezirkulierenden Kultivierungsverfahrens für Wasserlinsen, in welches die Gülledünnphase als alternative Nährstoffquelle integriert werden sollte. Dabei sollte ein Produktionsprozess zur Erzeugung qualitativ hochwertiger und standardisierter Proteinträger für die Tierernährung anhand verschiedener Umweltparameter definiert und Nährstoffkreisläufe geschlossen werden. In dem 3,5- jährigen Projekt wurden hierzu verschiedene Versuche in den Bereichen Pflanzenwissenschaften und Tierernährung durchgeführt. Zunächst erfolgte eine Identifikation geeigneter Wasserlinsenarten unter Berücksichtigung der ernährungsphysiologischen Anforderungen landwirtschaftlicher Nutztiere. Daran anschließend wurde der Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Pflanzenperformance von L. minor und W. hyalina untersucht. Der Rohproteingehalt ließ sich vor allem durch die Nährlösung und insbesondere durch ein verändertes Nitrat-Ammonium-Verhältnis beeinflussen. Die Nährlösung hatte ebenfalls einen starken Einfluss auf die Wachstumsdynamik ebenso wie die Lichtintensität. Bei den Einflussfaktoren Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Lichtqualität konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse dienten der Entwicklung und Optimierung eines standardisierten hydroponischen Kultursystems mit einer Produktionsfläche von 25,2 m². Der Versuch zum Einsatz der Gülledünnphase hat eine mögliche Erhöhung des Rohproteingehaltes gezeigt. Es besteht aber noch weiterer Forschungs- und Optimierungsbedarf zum standardisierten Einsatz bei der Kultivierung von Wasserlinsen. In den Versuchen zur qualitätsorientierten Trocknung von Wasserlinsen konnte dargestellt werden, dass zuvor erzeugte Qualitäten durch den Trocknungsprozess erheblich beeinflusst werden können. So zeigte sich ein Einfluss der Vortrocknungsverfahren auf die Trockenmasse- und Rohproteinausbeute. Zudem bewirkten hohe Trocknungstemperaturen eine signifikante Reduktion des Gehalts an fermentlösbarem Rohprotein. Der Einsatz unterschiedlicher Wasserlinsenchargen in der Fütterung von Masthähnchen ergab signifikante Unterschiede zwischen den Fütterungsgruppen sowohl in den Parametern Tageszunahmen, Futteraufnahme und Futterverwertung als auch in den Verdauungswerten. Die 2 standardisierte ileale Verdaulichkeit des Rohproteins variierte zwischen 40,2 und 83,7 %, wobei die höchsten Verdauungskoeffizienten für das Rohprotein und die Aminosäuren bei Tieren ermittelt wurden, die mit Lemna obscura (35,5 % Rohprotein) gefüttert wurden. Die Masthähnchen dieser Fütterungsvariante zeigten bei einem Anteil von 25 % in der Ration auch die besten tierischen Leistungen. Des Weiteren konnten Differenzen der Fütterungsgruppen hinsichtlich der Phosphorverdaulichkeit festgestellt werden. Im Rahmen der laboranalytischen Untersuchung wurden für alle Wasserlinsenproben geringe Gehalte an Phytat (2,9 – 7,8 % des Gesamtphosphorgehaltes) ermittelt. Die Werte liegen damit deutlich unter den Gehalten anderer pflanzlicher Futterkomponenten und deuten an, dass Wasserlinsen eine interessante Rationskomponente in P-reduzierten Futtermischungen für Masthähnchen darstellen können. Der Einsatz von Wasserlinsen in der Fütterung landwirtschaftlicher Nutztiere kann somit zukünftig einen Beitrag für eine nachhaltige und ressourcenschonende Tierhaltung leisten. Weiterer Forschungsbedarf betrifft die Prozessoptimierung und Automatisierung, um die erforderlichen Wasserlinsenmengen kultivieren zu können, sowie die Integration der Gülledünnphase in die entwickelte Kultivierungsweise von Wasserlinsen. Zudem sind Untersuchungen mit standardisierten Produkten zur Etablierung praxisgerechter Fütterungskonzepte erforderlich.