Berlin, Humboldt-Universität, Thesis (doctoral), 2001.

Universiẗat, Diss., 2006--Kassel.

Nachhaltige Landbewirtschaftung impliziert ausgeglichene Pflanzennährstoffflüsse ohne die Abhängigkeit von Düngern aus nicht erneuerbaren Quellen. Stickstoff, Phosphor und Kalium aus der menschlichen Nahrung werden in Mitteleuropa im Allgemeinen in Schwemmkanalisationen gesammelt und dabei mit Schadstoffen vermengt. Neuartige stoffstromtrennende Sanitärsysteme ermöglichen die Bereitstellung von Humanurin und Fäkalien zur Verwendung als Düngemittel. In der vorliegenden Arbeit wurden praxisrelevante Aspekte der Verwendung von Düngemitteln anthropogener Herkunft untersucht. Die in Gefäß- und Feldversuchen in Berlin Dahlem ermittelte Ertragswirkung zeigte, dass Urin in dieser Hinsicht äquivalenten Mineraldüngern grundsätzlich gleichwertig ist. Bei sehr hohen Konzentrationen kam es abhängig von der Pflanzenart zu Depressionseffekten, welche vermutlich auf den Salz- und Ammoniumgehalt von Urin zurückzuführen sind. Unter Freilandbedingungen traten diese Effekte nicht auf. Bodenbiologische Auswirkungen von Düngerapplikationen sind entscheidend für die Abschätzung ihrer langfristigen Bodenfruchtbarkeitserhaltung. Sowohl in Labor-versuchen als auch im Freiland zeigten sich Regenwürmer durch menschlichen Urin aus Trenntoiletten deutlich beeinträchtigt. Die Ursache der Schädigung konnte nicht geklärt werden. Von einer langfristigen bodenfruchtbarkeitsreduzierenden Beein-trächtigung wird jedoch nicht ausgegangen. Mikrobielle Enzymaktivitäten im Boden wurden im Freiland durch Urinapplikation nicht beeinflusst. Für die Praxis wird empfohlen Urin während der Ausbringung einzuarbeiten, da die Tiere dann weniger mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen. Da es ein umweltpolitisches Ziel ist, die Ammoniakemissionen der Landwirtschaft zu minimieren, wurden diese nach der Urinausbringung im Freiland gemessen. Auf Grund der sehr geringen Trockensubstanzgehalte von Humanurin emittierte deutlich weniger NH3 als üblicherweise nach Ausbringung von Schweine- oder Rindergülle. Verbraucherumfragen bestätigten eine hohe Bereitschaft pflanzliche Nahrung, welche mit Urin als Dünger erzeugt wurde, zu kaufen und zu verzehren. Praktizierende Landwirte reagierten dagegen deutlich reservierter. Die Ausbringung von Urin aus Trenntoiletten kann im Sinne einer nachhaltigen Landwirtschaft grundsätzlich empfohlen werden. Es besteht aber weiterer Forschungsbedarf. / Sustainable agriculture implies balanced nutrient flows and independence from fertiliser made from non renewable resources. In Europe, plant nutrients excreted by humans are commonly collected in water borne sewage systems and thus mixed with potentially harmful substances. Novel segregating sanitation techniques can collect separated urine and faeces in a form which enables their use as fertiliser. In the presented thesis selected aspects concerning the use of anthropogenic plant nutrients relevant to farming were investigated. Pot and field experiments indicated that equal yields can be gained if urine instead of mineral fertiliser is applied. Very high concentrations of urine led to reduced growth, presumably caused by the presence of ammonium or salt. However, this was not found under field conditions. Soil biological effects caused by the application of a fertiliser must be considered when assessing its long term contribution to soil fertility. Laboratory experiments as well as field investigations showed that human urine application severely affects earthworms, however, the harmful components were not identified. The results suggest that the effect is of short term only. Soil microbial enzyme activities were not influenced by urine fertiliser. For farming practice it is recommended to inject or incorporate urine to prevent earthworms from coming into direct contact with the infiltrating fertiliser. Gaseous ammonia loss was measured after urine application on fields as reducing harmful emissions from agriculture is a goal of European environmental policy. Because of the very low Dry Matter contents of urine, far less ammonia was emitted to the atmosphere than usually occurs after application of cattle or pig slurry. A consumer acceptance study showed a general high public willingness to accept urine as fertiliser even if used on crops for food production. The reaction of farmers was mainly reserved as a result of the present legal regulations in Germany. Within the context of sustainable agriculture the use of human urine as fertiliser can be recommended. Further research is necessary, especially concerning any effects resulting from residues of pharmaceutical substances contained in human excreta.

Die Auswertung des Ist-Zustands von 546 Dauerbeobachtungsflächen gibt einen Überblick über die N- und Humusversorgung sächsischer Ackerböden. Auf dieser Basis wurden Handlungsempfehlungen zur Optimierung des Kohlenstoff- und Stickstoffkreislaufs erarbeitet. Die Methoden zur Anrechnung der N-Verfügbarkeit und der N-Mineralisation aus organischen Düngern und Humusumsatz bedürfen bei der N-Düngebedarfsermittlung in Abhängigkeit von den Standortbedingungen der weiteren Optimierung. Redaktionsschluss: 09.12.2019

Die Anwendung von Biokohlen in der Landwirtschaft gewinnt durch die positiven Aspekte der Kohlenstoffsequestrierung, Bodenverbesserung und eines erhöhten Pflanzenwachstums in den letzten Jahren an Bedeutung. Deshalb geht die vorliegende Arbeit den Fragen nach, welche Wirkungen unterschiedliche Biokohlen in Kombination mit oder ohne Gärrest und / oder Stickstoffdünger auf die Bodenchemie, Bodenbiologie und Wachstum, Entwicklung, Ertrag, Ertragsstruktur, Nährstoffe sowie Qualität von Nutzpflanzen haben. Außerdem wurden die Effekte unterschiedlicher Biokohlen auf die Wurzelmorphologie von Sommerweizen quantifiziert. Eine weitere Frage war, inwiefern Biokohlen Stickstoffquellen sorbieren. Es wurden ein Feldversuch und mehrere Gefäßversuche durchgeführt, um die Änderungen der Bodenchemie, den Einfluss auf die Bodenbiologie am Beispiel von Collembolen und die Pflanzenparameter zu bestimmen. Für die Wurzeluntersuchungen wurden Rhizoboxversuche durchgeführt und zur Quantifizierung der Stickstoffsorption ein in vitro Versuch angelegt. Die Ergebnisse der Feld- und Gefäßuntersuchungen zeigten, dass die Biokohlen die Bodeneigenschaften positiv beeinflussten. Die Biokohlen nahmen keinen konsistenten Einfluss auf die Erträge von Kulturpflanzen. Die Nährstoffgehalte der Kulturpflanzen konnten zum Teil positiv beeinflusst werden. Die Collembolenabundanzen zeigten sowohl in der Feldstudie als auch im Gefäßversuch keine signifikanten Unterschiede zwischen den getesteten Biokohlen. Hohe Mengen der fermentierten HTC-Biokohle führten zu negativen Wirkungen auf die Collembolenabundanz im Gefäßversuch. Die Rhizoboxversuche zeigten einen positiven Einfluss der Pyro-Biokohle auf die oberirdische und unterirdische Trockenmasse sowie die Wurzelmorphologie von Sommerweizen. Unterschiedliche Stickstoffquellen wurden von der HTC-Biokohle stärker sorbiert als von der Pyro-Biokohle. Generell lässt sich aus den differenzierten Wirkungen der Biokohlen weitere Forschung mit dem Fokus Boden ableiten. / Over the past few years the use of biochars in agriculture has gained more importance due to positive effects on carbon sequestration, soil improvement and increased plant growth. Therefore, the present work pursues the question which effects different biochars have in combination with or without digestate and / or nitrogen fertilizer on soil chemistry, soil biology and growth, development, yield, yield components, nutrients and quality of crops. In addition, the effects of different biochars on root morphology of spring wheat were quantified. Further to elucidate potential mechanisms underlying biochar effects on crops it was studied how biochars sorb various nitrogen sources. A field test and several pot experiments were conducted to determine the changes in soil chemistry, the impact on soil-dwelling Collembola and plant parameters. For the root studies rhizobox experiments were performed. To quantify the nitrogen sorption of biochars an in vitro experiment was conducted. The results of the field test and pot experiments showed that biochars positively affected soil chemical characteristics. However, yields of crops were not consistently affected by biochars. The nutrient content of crops were positively influenced to some extent. The abundance of Collembola was not significantly influenced by the biochars tested in the field study and in the pot experiment. High amounts of fermented HTC-biochar had negative effects on the abundance of Collembola in the pot experiment. Rhizobox experiments showed a positive influence of Pyro-biochar on the aboveground dry matter, belowground dry matter and root morphology (e.g. root length) of spring wheat. Amount and reversibility of nitrogen sorption was dependent on the type of biochar with HTC-biochar sorbing more nitrogen than Pyro- biochar. Generally it can be concluded that because of the different effects of biochars further research with a focus on soil is needed.

The influence of uranyl and sodium nitrate under aerobic and anaerobic conditions on the microbial community structure of a soil sample from the uranium mining waste pile Haberland in Germany was studied by using the 16S rRNA gene retrieval. The results demonstrate a shifting in the bacterial populations depending on the treatment, whereas the archaeal community was changed independently of the treatment. By using the nitrate reductase gene (narG) as a functional marker, it was additionally demonstrated that some of the bacteria stimulated possess the membrane-bound nitrate reductase. In addition, two Arthrobacter strains were isolated from the studied uranium mining waste pile, which tolerate relatively high concentrations of uranium and heavy metals. These strains are able to precipitate lead as lead sulphide (galena) or lead phosphate mineral phase (pyromorphite) depending on their physiological state and to accumulate uranium intracellularly. The results demonstrate a microbial community in the uranium mining waste pile Haberland, which is able to influence the fate of uranium.

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The influence of uranyl and sodium nitrate under aerobic and anaerobic conditions on the microbial community structure of a soil sample from the uranium mining waste pile Haberland in Germany was studied by using the 16S rRNA gene retrieval. The results demonstrate a shifting in the bacterial populations depending on the treatment, whereas the archaeal community was changed independently of the treatment. By using the nitrate reductase gene (narG) as a functional marker, it was additionally demonstrated that some of the bacteria stimulated possess the membrane-bound nitrate reductase. In addition, two Arthrobacter strains were isolated from the studied uranium mining waste pile, which tolerate relatively high concentrations of uranium and heavy metals. These strains are able to precipitate lead as lead sulphide (galena) or lead phosphate mineral phase (pyromorphite) depending on their physiological state and to accumulate uranium intracellularly. The results demonstrate a microbial community in the uranium mining waste pile Haberland, which is able to influence the fate of uranium.

Biogas im Rahmen einer nachhaltigen Landwirtschaft zu erzeugen bedeutet u. a., die anfallenden Gärprodukte als Dünger zu verwenden, um die Verluste im Nährstoffkreislauf zu minimieren. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, welche Wirkungen Gärprodukte aus der Biogasproduktion bei der Verwendung als Dünger auf Boden und Pflanzen haben. Die Ergebnisse von Parzellenfeld- und Praxisversuchen, in denen Gärprodukte aus der Mono- und Kofermentation von Energiepflanzen im Vergleich zu N-Mineraldünger untersucht wurden, werden vorgestellt und diskutiert. Zur Beurteilung der Wirkungen auf den Boden wurden bodenchemische und bodenbiologische Parameter herangezogen sowie die Abbaustabilität der organischen Substanz der Gärprodukte gemessen. Zur Untersuchung der Wirkungen auf die Pflanzen wurden verschiedene Wachstums-, Entwicklungs-, Ertrags- und Qualitätsparameter erfasst und ausgewertet. Die Gärprodukte zeichnen sich durch relativ hohe Ammoniumgehalte sowie durch hohe pH-Werte aus. Das Pflanzenwachstum und die Erträge werden durch die Düngung mit Gärprodukten gesteigert, wobei die Wirkung trotz der hohen Ammoniumgehalte deutlich hinter denen des N-Mineraldüngers zurückbleibt. Die berechneten Nährstoffbilanzen weisen auf deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Gärprodukten und Kulturarten, aber auch zwischen den beiden Versuchsjahren hin. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass durch die Verwendung von Gärprodukten als Dünger wichtige Pflanzennährstoffe rezykliert werden können, wodurch der Einsatz von Mineraldüngern reduziert werden kann. Hinsichtlich der Wirkungen von Gärprodukten auf den Boden zeichnen die umfangreichen Analysen ein differenziertes Bild. Die mikrobiologischen Umsetzungsprozesse im Boden werden insbesondere in den ersten Tagen nach der Ausbringung gefördert. Weiterer Forschungsbedarf wird insbesondere hinsichtlich der Wirkungen auf die Bodenmakrofauna aufgezeigt. / Producing biogas in a sustainable agricultural system means using digestates as fertilizers, in order to minimize leaks in nutrient cycles. The aim of this work is to investigate effects on soil and plants after field application of digestates. In this respect, results from plot- and practical fieldexperiments are analyzed to compare digestates from mono- and from co-fermentation of energy crops in comparison to mineral N-fertilizer. Soil chemical and biological effects were assessed on the basis of selected parameters, one of which was the stability of the organic matter applied. Effects on crops have been evaluated by measuring growth, development, yields, and quality of the crops. The digestates have been analyzed and showed especially high amounts of ammonium and a high pH-value. Plant growth and yields increased as a result of fertilization. However, despite high amounts of ammonia present in digestates, fertilizing effects have been much lower compared to mineral N-fertilization. The calculated nutrient balances showed obvious differences between the digestates analyzed, crops, and also between the two experimental years. Generally, the results demonstrate that nutrients can be recycled by using digestates as fertilizers and thus the use of mineral fertilizers can be reduced. The extensive soil analyses presented in this work show diverse results. Microbial metabolic processes in the soil are increased especially during the first few days after digestate application. More research is needed with respect to effects on macro fauna.