Aus dem Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung I Justus-Liebig-Universität Gießen Biogasbildungspotenzial von ausgewählten Nutzpflanzen aus der Familie der Brassicaceae INAUGURAL-DISSERTATION zur Erlangung des Doktorgrades (Doctor agriculturae – Dr. agr.) im Fachbereich Agrarwissenschaften, Ökotrophologie und Umweltmanagement der Justus-Liebig-Universität Gießen vorgelegt von BETTINA LESCHHORN geb. Siekmann aus Dortmund Gießen, im Dezember 2015 Datum der Disputation: 7.12.2015 Prüfungskomission: Vorsitzende: Prof. Gesine Lühken Erstgutachter: Prof. Dr. Bernd Honermeier Zweitgutachter: Prof. Dr. Günter Leithold Prüferin: Prof. Dr. Gertrud Morlock Prüfer: PD Dr. Feng Yan 1 Die Wissenschaft fängt eigentlich erst da an, interessant zu werden, wo sie aufhört. (Justus von Liebig) 2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS.................................................................................. 6 FORMELVERZEICHNIS .......................................................................................... 7 TABELLENVERZEICHNIS ...................................................................................... 8 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS .............................................................................. 10 1 EINLEITUNG................................................................................................... 12 2 LITERATURÜBERSICHT ............................................................................... 15 2.1 Botanische Charakterisierung ............................................................... 15 2.2 Glucosinolate .......................................................................................... 17 2.2.1 Struktur, Synthese und Vorkommen von Glucosinolaten ........ 17 2.2.2 Abbau von Glucosinolaten ......................................................... 18 2.2.3 Bioaktive Effekte der Spaltprodukte von Glucosinolaten ........ 19 2.3 Biogasbildung ......................................................................................... 23 3 MATERIAL UND METHODEN ........................................................................ 27 3.1 Feldversuche .......................................................................................... 27 3.1.1 Standortbedingungen ................................................................. 27 3.1.2 Versuchsanlage ........................................................................... 29 3.2 Laboranalyse der Isothiocyanat-Verbindungen ................................... 34 3.2.1 Extraktion .................................................................................... 34 3.2.2 Gaschromatographische Analyse .............................................. 36 3.3 Biogasbildungspotenzial ....................................................................... 41 3.4 Biogasversuche ...................................................................................... 43 3.5 Statistische Auswertung ........................................................................ 45 4 ERGEBNISSE ................................................................................................. 47 4.1 Ergebnisse der Feldversuche mit Zwischenfrucht-Arten .................... 47 4.1.1 Zwischenfrüchte 2009 ................................................................. 47 3 Inhaltsverzeichnis 4.1.3 Zwischenfrüchte 2010 ................................................................. 49 4.2 Ergebnisse der Feldversuche mit Kohlarten ........................................ 51 4.2.1 Feldversuch mit Kohl 2009 ......................................................... 51 4.2.2 Feldversuch mit Kohl 2010 ......................................................... 52 4.2.3 Feldversuch mit Kohl 2012 ......................................................... 52 4.3 Isothiocyanat-Gehalte ............................................................................ 54 4.3.1 Zwischenfrüchte 2009 und 2010 (silierte Proben) ..................... 54 4.3.2 Zwischenfrüchte 2010 (gefrorene Proben) ................................ 55 4.3.3 Kohl 2009 (silierte Proben) ......................................................... 58 4.3.4 Kohl 2012 (gefrorene Proben) .................................................... 59 4.4 Biogasbildungspotenzial ....................................................................... 61 4.4.1 Zwischenfrüchte 2010 (gefrorene Proben) ................................ 61 4.4.2 Zwischenfrüchte 2010 (silierte Proben) ..................................... 62 4.4.3 Kohl 2010 (gefrorene Proben) .................................................... 63 4.5 Biogasversuche ...................................................................................... 65 4.5.1 Zwischenfrüchte 2010 (gefrorene Proben) ................................ 65 4.5.2 Zwischenfrüchte 2010 (silierte Proben) ..................................... 67 4.5.3 Kohl 2010 (gefrorene Proben) .................................................... 70 4.5.4 Kohl 2010 (silierte Proben) ......................................................... 72 5 DISKUSSION .................................................................................................. 75 5.1 Biomasse-Erträge ................................................................................... 75 5.2 Isothiocyanat-Gehalte ............................................................................ 76 5.2.1 Einfluss von Erntebedingungen und Lagerung ........................ 76 5.2.2 Einfluss der Stickstoff-Düngung und der Witterung................. 77 5.2.3 Isothiocyanat-Gehalte in Zwischenfrüchten und Kohl-Arten ... 79 5.3 Biogasbildungspotenzial ....................................................................... 80 5.4 Biogasversuche ...................................................................................... 81 5.4.1 Vergleich von Zwischenfrüchten und Kohl-Arten mit Mais ...... 81 4 Inhaltsverzeichnis 5.4.2 Einfluss auf die Methanbildung .................................................. 83 5.5 Fazit ......................................................................................................... 86 ZUSAMMENFASSUNG ......................................................................................... 88 SUMMARY ............................................................................................................ 90 REFERENZEN ....................................................................................................... 92 ANHANG ............................................................................................................... 99 DANKSAGUNG ................................................................................................... 110 ERKLÄRUNG ...................................................................................................... 111 5 Formelverzeichnis ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abb. 2.1: Grundstruktur der Glucosinolate .......................................................... 18 Abb. 2.2: Hydrolyse von Glucosinolat. ................................................................ 19 Abb. 2.3: Chemische Strukturen und Molekülmassen von ITCs und Goitrin ....... 23 Abb. 2.4: Anaerober Abbau organischen Materials zu Biogas ............................ 24 Abb. 3.1: Chromatogramm der Standard-Mischung, Skalierung bis 3 MCounts 40 Abb. 3.2: Chromatogramm der Standard-Mischung, Skalierung bis 60 kCounts 40 Abb. 4.1: Verlauf der Methanbildung von gefrorenen Zwischenfrüchten ............. 67 Abb. 4.2: Verlauf der Methanbildung von silierten Zwischenfrüchten .................. 69 Abb. 4.3: Verlauf der Methanbildung von gefrorenem Kohl ................................. 71 Abb. 4.4: Verlauf der Methanbildung von siliertem Kohl ..................................... 74 Abb. 5.1: Typische Verläufe von Gasbildungskurven .......................................... 84 Abb. A.2: Massenspektrum von A-ITC ................................................................ 99 Abb. A.3: Massenspektrum von 3-B-ITC ........................................................... 100 Abb. A.4: Massenspektrum von P-ITC .............................................................. 100 Abb. A.5: Massenspektrum von B-ITC .............................................................. 101 Abb. A.6: Massenspektrum von 4-Mtb-ITC ....................................................... 101 Abb. A.7: Massenspektrum von Iberin .............................................................. 102 Abb. A.8: Massenspektrum von PE-ITC ............................................................ 102 Abb. A.9: Massenspektrum von Goitrin ............................................................. 103 Abb. A.10: Massenspektrum von Sulforaphan .................................................... 103 Abb. A.11: Kalibrierfunktion von A-ITC................................................................ 104 Abb. A.12: Kalibrierfunktion von 3-B-ITC ............................................................ 104 Abb. A.13: Kalibrierfunktion von P-ITC................................................................ 105 Abb. A.14: Kalibrierfunktion von B-ITC................................................................ 105 Abb. A.15: Kalibrierfunktion von 4-Mtb-ITC ......................................................... 106 Abb. A.16: Kalibrierfunktion von PE-ITC ............................................................. 106 Abb. A.17: Kalibrierfunktion von Goitrin .............................................................. 107 Abb. A.18: Kalibrierfunktion von Iberin ...............................................................