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Zusammenfassung Die europäische Buche (Fagus sylvatica, L.) ist eine dominante Waldbaumart von hohem ökonomischen und ökologischem Wert in Zentraleuropa. Die natürliche Verbreitung der Spezies in Zentraleuropa ist abhängig von der Wasserverfügbarkeit. In der Zukunft wird vermehrt von extremen Wetterbedingungen wie Hitzewellen und extreme Trockenheit ausgegangen. In ausgedehnten Bereichen des Waldes wird die Wasserversorgung wahrscheinlich ein limitierender Faktor. Daher ist es notwendig, die potentielle Fähigkeit der Buchen, sich bei Wasserlimitierung zu akklimatisieren oder anzupassen, zu bewerten. Die Reaktionen der Buche auf Wasserknappheit könnten in anatomischen Eigenschaften des Holzes abgespeichert sein und durch die Analyse dieser Eigenschaften bewertet werden. Darüber hinaus könnte die Wasserlimitierung die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte im Buchenholz negativ beeinflussen. Die Bodenfeuchte ist ein wichtiger Faktor, der den 13C-Gehalt in den Baumringen beeinflußt. Da Wasserknappheit den Verschluß der Stomata induzieren kann, wird das δ13C des eingebauten Kohlenstoffes erhöht. Daher wurden C- und N-Gehalte und δ13C Signaturen in Buchenholzproben analysiert, um die Auswirkungen von Wasserknappheit auf Buchenholzeigenschaften zu untersuchen. Eine Schlüsselrolle für die Akklimatisierung an Trockenheit spielt Abscisinsäure (ABA), wodurch Abwehrreaktionen hervorgerufen werden, die zum Verschluß der Stomata führen und somit den Wasserverbrauch der Pflanzen regulieren. Ein weiteres Merkmal von Trockenstress ist eine erhöhte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies. Daher ist die Aktivierung von Schutzenzymen, insbesondere der antioxidativen Abwehr, wichtig bei der Bekämpfung des oxidativen Abbaus anfälliger Strukturen wie etwa der Zellmembranen. Um die Plastizität und Anpassung der Buche in Reaktion auf Trockenheit zu untersuchen, wurde die Expression von ABA- und stressverwandten Genen für die Analyse ausgewählt. Darüber hinaus wurden die Blattflächen und die Membranintegrität als Indikatoren für Reaktionen der Buche auf Trockenstress bestimmt. Pflanzen haben unterschiedliche Strategien, um Trockenstress zu bewältigen: Vermeidung oder Toleranz. Der Grundmechanismus beider Strategien beinhaltet die isohydrische oder anisohydrische Regulation der Stomata. Isohydrische Pflanzen schließen ihre Stomata noch bevor sich der Wasserstatus in der Pflanze verändert, wohingegen anisohydrische Spezies eine langsame stomatale Reaktion als Antwort auf ein geringeres Wasserpotential zeigen. Der Wassergehalt des Bodens, in den Blättern vor Sonnenaufgang (Predawn Water Potential), der relative Wassergehalt, Chlorophyllfluoreszenz und stomatäre Leitfähigkeit wurden als gute Merkmale charakterisiert, um diese Strategien zu testen. Des Weiteren wurde die Expression von OST1 (open stomata 1), einer Proteinkinase, die zur Schließzellenreaktion des ABA-Signalnetzwerkes führt, untersucht. In dieser Studie wurden die Reaktionen von Sämlingen und jungen, sowie ausgewachsenen europäischen Buchen auf Trockenheit untersucht. Die folgenden Hypothesen wurden getestet: • Buchenpopulationen aus trockeneren Lebensräumen weisen Veränderungen in der Anatomie des Xylems auf, um mit geringem Niederschlag umzugehen. • Trockenes Klima wirkt sich negativ auf den Kohlenstoff und den Stickstoffgehalt in Buchenholz aus. • Buchennachkommen von trockenen Standorten zeigen eine konstitutiv erhöhte Expression von ABA-und stressinduzierten Genen und reagieren somit weniger auf Trockenheit als Nachkommen von feuchteren Standorten. • Buchen, die aus niederschlagsarmen klimatischen Bedingungen stammen, zeigen eine stärkere Trockenheitsvermeidung. Buchen aus mesischen Habitaten bilden eine stärkere Toleranz gegenüber Trockenheit aus, als solche aus trockenen Habitaten, wenn sie einer abnehmenden Wasserverfügbarkeit in der Erde ausgesetzt sind. Um diese Hypothesen zu testen, wurden drei Experimente durchgeführt. Einerseits mit adulten Buchen entlang eines Niederschlagsgradienten, andererseits mit Buchensetzlingen, die experimentell veränderten Bodenwassergehalten ausgesetzt waren. Ein Freilandexperiment wurde in drei verschiedenen Gebieten durchgeführt, die ähnliche Bodeneigenschaften aufwiesen, sich aber hinsichtlich der jährlichen Niederschlagsrate unterschieden. Holzzuwachs, die anatomischen Eigenschaften des Xylems, sowie C- und N- Gehalt und die δ13C Signaturen wurden untersucht. Es wurde eine starke Reduzierung des jährlichen Zuwachses bei Buchen von feuchten hin zu trockenen Standorten gefunden. So könnte die Verfügbarkeit von Wasser in den Untersuchungsgebieten einer der begrenzenden Faktoren des Holzzuwachses bei Buchen sein. Buchen auf trockenen Standorten zeigten Veränderungen anatomischer Merkmale, die ihnen ermöglichten, besser mit geringen Niederschlägen umzugehen. Um schmale Gefäßlumen auszugleichen, zeigten Buchen an trockenen Standorten mehr Gefäße. Diese anatomischen Veränderungen ermöglichen Buchen wahrscheinlich die Balance zwischen Wasseraufnahmeeffizienz und der Vermeidung von Embolien im Buchenstamm zu halten. Darüber hinaus trägt dieser Mechanismus wahrscheinlich dazu bei, das Wasserpotential und den C- und N-Gehalt im Holz der Buchen unter trockenen Bedingungen zu erhalten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Buchen von trockenen Standorten eine Vermeidungsstrategie gegen Trockenheit haben, um mit geringer Wasserverfügbarkeit in der Natur umgehen zu können. Anatomische Merkmale variierten während der Vegetationsperiode signifikant. Zwischen den Standorten wiesen die anatomischen Parameter im Frühholz keine bemerkenswerten Veränderungen auf. Im Spät- und Übergangsholz war die Fläche der Gefäßlumen stark vermindert und die Anzahl der Gefäße signifikant erhöht. Im Spätholz der Buchen auf trockenen Standorten wurden dickere Wände und schmalere Faserlumina gefunden. Darüber hinaus zeigten verringerte δ13C Werte bei den Buchen auf den trockensten Standorten eine höhere Wassernutzungseffizienz am Ende der Wachstumsperiode. Der Vergleich der Bäume von feuchten und von trockenen Standorten wies darauf hin, dass die Verfügbarkeit von Wasser anatomische Veränderungen beeinflußte. Jedoch können auch andere Faktoren als die genetischen zu einer besseren Anpassung der Buchen auf den trockenen Standorten an geringe Niederschläge beitragen. Um die Expression von Genen im Zusammenhang mit ABA und Stress als Reaktion auf Trockenstress zu untersuchen, wurde ein Gartenexperiment durchgeführt. Für dieses Experiment wurden die Nachkommenschaften von fünf Buchenbeständen entlang eines Niederschlagsgradienten verwendet. Die Reaktionen von gut bewässerten und trockengestressten Keimlingen gegenüber Trockenstress wurden während des Sommers zu einem frühen, mittleren und späten Zeitpunkt gemessen. Die Expressionsniveaus von ABA- und stressbezogenen Genen wurde ermittelt. Um die Genexpression mit der Leistungsfähigkeit der Pflanzen vergleichen zu können, wurden herkunfts- und dürrebedingte Auswirkungen auf die Blattfläche und Membranintegrität in Abwesenheit und Anwesenheit von akutem oxidativen Stress untersucht. Trockenstress führte zu einer verringerten Blattfläche verglichen mit gut gewässerten Setzlingen. Die Nachkommen von feuchteren Standorten zeigten allgemein größere Blattflächen als die von trockenen Standorten. Der relative Verlust von Elektrolyten wurde durch Trockenstress verändert und erhöhte sich gegen Ende der Vegetationsperiode. Die Expressionsniveaus von ABA- und stressverwandten Genen wurden stark von Trockenstress beeinflußt. Eine Ausnahme bildet die Glutamin Amidotransferase (GAT). Zusätzlich waren die Expressionsniveaus der Gene Nine cis-Epoxy Dioxygenase (NCED), Proteinphosphatase 2C (PP2C), Early Responsive to Dehydration (ERD), Ascorbat-Peroxidase (APX), Superoxid Dismutase (Cu / Zn-SOD), Aldehyde Dehydrogenase (ALDH), Glutamin Amido-Transferase (GAT) höher in den Nachkommen von feuchten Standorten verglichen mit trockeneren Standorten. Saisonale Analysen der transkriptomalen Regulation von Genen für die Signalisierung und Abwehr von Trockenheit zeigten intraspezifische Unterschiede in der konstitutiven Expression und Reaktionsfähigkeit bei Trockenheit. Die herkunftsbedingten Unterschiede waren größer als die Stressreaktionen, was darauf hindeutet, dass die Selektion für eine Anpassung an Trockeheit bereits in lokalen Buchenpopulationen stattfindet. Um zu untersuchen, ob es intraspezifische Unterschiede bei den Resistenzmechanismen gegen Trockenheit gibt, wurden drei Buchenherkünfte, aus einem niedrigen, einem mittleren und einem hohen Niederschlagsklima (als LP, IP und HP bezeichnet), zunehmender Trockenheit ausgesetzt. Der Wassergehalt in Boden und Pflanzen, die maximale Quantenausbeute des Photosystems II und die stomatäre Leitfähigkeit der Kontrollen und der trockenheitsbehandelten Setzlinge wurden regelmäßig gemessen. Außerdem wurden die Transkriptionsniveaus von OST1 bestimmt. Die Daten weisen darauf hin, dass die innerartlichen Reaktionen auf Trockenheit bei Buchen auch zwischen isohydrischem und anisohydrischem Verhalten der Stomata variieren können. Die Buchenherkunft LP zeigte einen isohydrischen Phänotyp, da die Pflanzen einen schnelleren Verschluß der Stomata, einen höheren relativen Wassergehalt, sowie einen höheren Wassergehalt in den Blättern vor Sonnenaufgang (Predawn Water Potential) zeigten als Buchennachkommen aus mesischen Bedingungen. Dadurch wies die Population aus dem trockenen Habitat eine deutliche Vermeidungsstrategie bei Trockenheit auf. Im Gegensatz dazu zeigten die HP Nachkommen bei Wasserlimitierung einen langsamen Abfall der stomatären Leitfähigkeit, jedoch eine stärkere Abnahme des Predawn Water Potential. Es gab keinen Einfluss durch Trockenheit auf das Pflanzenwachstum oder die Biomasseallokation während der Trockenheitsbehandlung. Buchen zeigten intraspezifische Unterschiede bei den Resistenzstrategien gegen Trockenheit, gekennzeichnet durch anisohydrisches oder isohydrisches Verhalten. Das legt nahe, dass der anisohydrische Funktionstyp bei Buchen besser geeignet ist, um mit den vorhergesagten Klimaextremen umzugehen, als die isohydrische Typ, da er eine Trockentoleranz-Strategie aufweist. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass Klimate mit geringen Niederschlägen und Trockenheit die Anatomie, Physiologie und molekulare Reaktionen von Buchen beeinflussen. Buchen zeigten recht hohe intraspezifische Unterschiede bei den Strategien zur Trockenheitsresistenz, mit Strategien zur Trockenheitsvermeidung und Trockentoleranz.

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Pappelsorten (Populus) für den Anbau in Kurzumtriebsplantagen sollten neben einer hohen Biomasseproduktion und der Vermehrbarkeit über Steckhölzer auch Trockentoleranz aufweisen. Trockenheit stellt einen wichtigen abiotischen Stressor dar, der das Wachstum der Pflanze, ihre Vitalität und ihre Produktivität negativ beeinflussen kann. Polyploide Sorten von Getreidepflanzen (Triticum), krautigen Pflanzen (Lonicera, Spathiphyllum und Nicotiana) aber auch Baumarten (Betula) zeigen eine höhere Toleranz gegenüber Stress, wie z.B. Trockenstress, im Vergleich zu Sorten mit niedrigerem Ploidiegrad. Hybridaspen Populus tremula (L.) x P. tremuloides (Michx.) der Sektion Populus können auch auf Grenzertragsböden ökonomische Zuwächse verzeichnen, auf denen andere Baumarten ausfallen. Den Hybridaspen fehlt allerdings die Vermehrbarkeit über Steckhölzer. Anderen Pappelarten der Sektionen Tacamahaca und Aigeiros wie beispielsweise P. nigra (L.) and P. trichocarpa (Torr. & Gray) x P. deltoides (Bartram ex Marsh) zeigen diese entscheidende Eigenschaft. Da Kreuzungen zwischen den Sektionen Populus und Tacamahaca oder Aigeiros auf natürlichem Weg schwierig sind, wurde die Methode der somatischen Hybridisierung eingesetzt. Der Klon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') wurden als ein Fusionspartner und einer der Klone P. x canescens (INRA clone No. 717 1‑B4), P. nigra oder P. trichocarpa x P. deltoides (B19) als zweiter Fusionspartner in Hybridisierungsexperimenten verwendet. Blattmorphologisch und durch Mikrosatellitenanalysen konnten die erhaltenen Fusionsprodukte dem Ausgangsklon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zugeordnet werden, wiesen dabei aber einen tetraploiden Chromosomensatz auf. In der vorliegenden Dissertation war das zentrale Ziel, Trockenstressreaktionen tetraploider Hybridaspenlinien (HAL) im Vergleich zur diploiden Ausgangslinie P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zu untersuchen. Dazu wurden die folgenden Fragen aufgestellt. (i) Sind die tetraploiden HAL dem diploiden Ausgangsklon unter Trockenheit überlegen z.B. hinsichtlich des Wasserverbrauchs und des Verwelkungs- und Vertrocknungszeitpunktes der Blätter? (ii) Unterscheiden sich die tetraploiden HAL von dem diploiden Ausgangklon in morphologischen Ausprägungen wie beispielsweise der Stomatamorphologie, der Höhe, der Biomasse und der Gesamtblattfläche? (iii) Ist die höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL durch den erhöhten Ploidiegrad verursacht? (iv) Zeigen die tetraploiden HAL unter Trockenstress früh physiologische Veränderungen im Kohlenhydratgehalt, dem relativen Blattwassergehalt und der stomatären Leitfähigkeit? (v) Gibt es genetische Modifikationen abgesehen von der Tetraploidie wie z.B. Duplikationen und Deletionen, die eventuell Einfluss auf das Trockensressverhalten haben könnten? In einem ersten Experiment wurden vier tetraploide HAL untersucht. Zwei HAL zeigten einen geringeren Wasserverbrauch und drei HAL eine spätere Verwelkung als der diploide Ausgangsklon. Außerdem entwickelten die tetraploiden HAL eine geringere Stomatadichte, größere Stomata und eine vergleichbare oder geringere Höhe, Biomasse und Gesamtblattfläche im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Das zweite Experiment wurde mit vier diploiden und 16 weiteren tetraploiden HAL durchgeführt. Auch die diploiden Linien stammten aus Protoplastenfusions-experimenten. Die tetraploiden HAL wiesen im Mittel eine höhere Überlebensrate als die diploiden HAL auf, entwickelten aber durchdschnittlich ein geringeres Höhenwachstum. Unter Berücksichtigung der Höhe verwelkten 11 tetraploide, aber keine diploide HAL später als der diploide Ausgangsklon. In einem dritten Experiment wurden zwei Linien aus dem zweiten Experiment ausgewählt, die vergleichbares Höhenwachstum zeigten, aber später verwelkten als der diploide Ausgangklon. Es wurden physiologische Merkmale wie der Wasserverbrauch und der Verwelkungszeitpunkt der Blätter beobachtet und der relative Blattwassergehalt, die stomatäre Leitfähigkeit und der Kohlenhydratgehalt in einer Zeitreihe untersucht. Geringerer Wasserverbrauch im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon konnte in beiden tetraploiden HAL gezeigt werden. Diese Beobachtung deckt sich mit dem höheren relativen Bodenwassergehalt der tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Insgesamt spricht das für geringeren Trockenstress in den tetraploiden HAL. Auf der anderen Seite sollte ein geringerer Wasserverbrauch auch eine geringere stomatäre Leitfähigkeit nach sich ziehen. Dies war in den tetraploiden HAL nicht durchgehend der Fall. Relativ zur Kontrolle konnten die tetraploiden Linien aber eine höhere stomatäre Leitfähigkeit bei Bodenwassergehalten aufrechterhalten, bei denen die diploide Ausgangslinie bereits ihre Stomata geschlossen hatte. Dies weist ebenfalls auf eine höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL hin. Genetische Modifikationen wie beispielsweise Duplikationen und Deletionen wurden mit Hilfe von “copy number variation”(“Kopienzahlvariation”)-Analysen an drei tetraploiden HAL und der diploiden Ausgangslinie durchgeführt. Die drei tetraploiden Linien zeigten vergleichbares Höhenwachstum, aber spätere Verwelkung als die diploide Ausgangslinie. Bei dieser Analyse konnten nur drei Segmente detektiert werden, die bei allen drei tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon verändert vorlagen. Die putativen Gene der detektierten Segmente wiesen keine Annotation auf. Eine der drei tetraploiden HAL zeigte eine hohe Anzahl von 90 Segmenten, die hier aber weder in dem diploiden Ausgangsklon noch in den beiden anderen tetraploiden Linien erhöht vorlagen. Diese Linie zeigte zwar eine höhere Trockentoleranz als der diploide Ausgangsklon, aber nicht gegenüber der anderen untersuchten tetraploiden HAL (Experiment 3). Beide tetraploiden HAL waren bezüglich des Wasserverbrauchs, des Verwelkungszeitpunktes und der stomatären Leitfähigkeit ähnlich. Dies lässt vermuten, dass die Trockentoleranz durch die Tetraploidie und nicht durch weitere genetische Modifikationen bedingt ist. Trotzdem ist eine weiterführende funktionelle Untersuchung der drei Segmente, die in allen tetraploiden HAL verändert auftraten, sinnvoll, da auch hier ein trockenrelevantes Gen verändert sein könnte. Um eine Relevanz der putativen Gene bezüglich Trockenheit zu testen, könnte zukünftig das Verhalten von Knock-out-Mutanten, denen die entsprechende Sequenz fehlt, unter Trockenstress untersucht werden. Abschließend ist zu bemerken, dass neben den hier untersuchten HAL mehrere hundert Fusionsprodukte in einem Verbundprojekt genetisch charakterisiert wurden. Die Heterofusionsfrequenz war äußerst gering und die Hybriden waren bereits in der in vitro Phase nicht überlebensfähig. Geringe Heterofusionsfrequenz wurde beteits in anderen Arten beobachtet (Cyclamen, Brassicaceae, Fabaceae, Poaceae, Solanaceae). Da in dieser Dissertation nur Homofusionslinien verwendet wurden, wurde die Vermehrbarkeit über Steckhölzer nicht getestet, sondern der Fokus auf das Trockenstressverhalten der tetraploiden Homofusionslinien gelegt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass veränderte morphologische Ausprägungen und eine höhere Trockentoleranz in den HAL mit erhöhten Ploidiegrad auftraten. Dies prädestiniert die tetraploiden Linien für Standorte, an denen Wasser als limitierender Faktor auftritt und hohe Ausfallraten durch Dürre erwartet werden.

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Klimawandelmodelle sagen für Deutschland sowohl höhere Jahresdurchschnittstemperaturen als auch eine Abnahme von Niederschlägen in den Sommermonaten voraus. Mögliche Konsequenzen für Bäume sind eine verlängerte Vegetationsperiode, ein erhöhtes Spätfrostrisiko und mehr Trockenstress während des Sommers. Diese veränderten Umweltbedingungen könnten zu Veränderungen der Konkurrenzverhältnisse zwischen Baumarten führen. Die Rotbuche (Fagus sylvatica L.) ist eine der wichtigsten Laubbaumarten Mitteleuropas. Daher ist das genetische Anpassungspotential dieser Baumart an den Klimawandel von großem Interesse. In dieser Studie wurden sowohl die neutrale als auch die adaptive genetische Variation der Buche untersucht. Dafür wurde ein Translokationsexperiment mit Nachkommen von Buchenpopulationen, die unter verschiedenen Umweltbedingungen in Norddeutschland wachsen, etabliert. Wiederholte Aufnahmen wichtiger phänotypischer Merkmale (Höhe, Austrieb, Trockenstresssensitivität, Sterblichkeit) zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Populationen. Interessanterweise zeigten Populationen mit einer größeren geographischen Distanz teilweise ähnlichere Phänotypen als benachbarte Populationen. Die neutrale genetische Variation der untersuchten Sämlingspopulationen wurde anhand neun verschiedener Mikrosatellitenmarker analysiert. Zwischen den analysierten Buchenpopulationen wurde nur eine geringe genetische Differenzierung ermittelt. Die genetische Diversität war hoch und statistisch nicht signifikant unterschiedlich von den Altbeständen, aus denen sie stammten. Die hohe genetische Diversität ist eine gute Basis für Adaption, allerdings könnte sie wahrscheinlich nur eine kurzfristige Anpassung an den Klimawandel ermöglichen. Daher ist es wichtig, Einblicke in die genetische Basis von klimawandelrelevanten Merkmalen zu gewinnen. Deshalb wurden in dieser Studie Kandidatengene für das Austriebsverhalten untersucht. Bei der Analyse von Fragmenten von zehn verschiedenen Kandidatengenen wurden 20 Indels und 116 SNPs identifiziert. Insgesamt wurden 46 SNPs erfolgreich zur Genotypisierung von über 1.400 Individuen, die aufgrund ihres Austriebsverhaltens ausgewählt wurden, verwendet. Assoziationsanalysen wurden durchgeführt, um potentiell adaptive SNP-Marker zu identifizieren. Diese ergaben unter einem „generalisierten linearen Modell“ 23 signifikant mit dem Austrieb assoziierte SNPs. Ein zusätzlich verwendetes „gemischtes lineares Modell“ ergab nahezu gleiche Ergebnisse. Die phänotypische Variation, die durch signifikant mit dem Austrieb assoziierte SNPs erklärt wird, war niedrig (R2 < 2,2), aber in Übereinstimmung mit anderen Studien mit Waldbaumarten. Zusätzlich zu den Assoziationsanalysen wurden auch FST-Outlier-Analysen durchgeführt. Diese ergaben sieben verschiedene SNPs, die potentiell unter ausgleichender oder gerichteter Selektion stehen. Insgesamt wurden vier potentiell adaptive SNPs gleichzeitig durch Assoziations- und Outlier-Analysen identifiziert. Diese könnten die höchste Wahrscheinlichkeit aufweisen, an der Ausprägung des Austriebsverhaltens beteiligt zu sein. Allerdings sind viele potentiell adaptive SNPs, die in dieser Studie identifiziert wurden, nicht-kodierend oder synonym und somit nicht die kausativen SNPs, sondern eher gelinkt mit ihnen. Allerdings wurde in dieser Studie ein geringes Kopplungsungleichgewicht (linkage disequilibrium) gefunden. Somit könnten die kausativen SNPs in naher Umgebung liegen. Die in dieser Studie identifizierten potentiell adaptiven SNPs sollten in weiteren Studien mit zusätzlichen Populationen bestätigt werden.

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Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des DFG Graduiertenkollegs 1703 „Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken – Methoden zur betrieblichen und überbetrieblichen Planung für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe“ durchgeführt. Es wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie der Holzkomponente von Holz-Kunststoff-Kompositen (Wood Plastic Composites – WPC) untersucht. Die Ergebnisse wurden bereits anderswo publiziert bzw. zur Publikation eingereicht (insgesamt vier Publikationen) und werden innerhalb individueller Kapitel der vorliegenden Arbeit wiedergegeben. WPC vereinen die Eigenschaften von Holz als Füllstoff mit den Eigenschaften von Polymeren als Matrixmaterial. Aktuelle Literatur und Forschungsarbeiten wurden gesichtet, um Möglichkeiten zu identifizieren, wie WPC zu einer effizienten Ressourcennutzung beitragen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Vielzahl von Abfall- und Nebenprodukten aus Holz- und Agrarwirtschaft zur Herstellung von WPC verwendet werden kann, z.B. Sägespäne, Reststoffe aus der Plattenproduktion und Schlämme aus der Faserstoffproduktion. Darüber hinaus können auch Kunststoff-Rezyklate und Biokunststoffe als Rohstoff dienen. Für die Eigenschaften von WPC spielt die Morphologie der Holzkomponente – Fasern oder Partikel – eine entscheidende Rolle. Während der Verarbeitung von WPC treten hohe Temperaturen und Scherkräfte auf, welche zur Zerkleinerung der Holzkomponente führen. Um die Zerkleinerung während der Verarbeitung analysieren zu können, wurde die Eignung der Partikel¬charakterisierung mittels dynamischer Bildanalyse zur Größenbestimmung von WPC-Füllstoffen geprüft. Dafür wurden Holzpartikel aus der Polymermatrix gelöst und ihre Morphologie vor und nach der Verarbeitung verglichen. Es zeigte sich, dass eine Auswertung bezüglich der längenbasierten Größenverteilung am besten geeignet ist, um Prozess-Effekte zu analysieren, da Partikel an beiden Enden der Größenverteilung gut abgebildet werden. Die Effekte von Prozessparametern wie Holzanteil, Beschickungsmethode, Vorwärmen des Holzes, Polymerviskosität, Rotor-/Schneckendrehzahl, Förderrate und Schneckenkonfiguration auf die Holzzerkleinerung wurden untersucht. Dazu wurden Fichtenholz-Partikel (Picea abies) entweder unter Verwendung eines Innenmischers oder eines Doppelschnecken-Extruders mit Polypropylen (PP) compoundiert. Zur Bestimmung des Einflusses der Polymerviskosität wurden verschiedene Sorten PP und schwachverzweigtes Polyethylen (HDPE) verwendet, welche sich in ihrem Schmelzflussindex (melt flow rate – MFR) unterscheiden. Nach dem Compoundieren betrug die Partikelgröße nur noch < 3 % der ursprünglichen Größe. Bei den PP-Kompositen nahm die Partikelzerkleinerung sowohl im Innenmischer als auch im Extruder mit zunehmendem Holzanteil zu. Auch eine zunehmende Anzahl an Knetelementen im Schneckenprofil führte zu einer stärkeren Partikelzerstörung. Bei den HDPE-Kompositen war der Einfluss des Holzanteils nur gering. Wurden die Holzpartikel und das Polymer dem Prozess gleichzeitig zugeführt, war die Partikelzerstörung intensiver als wenn die Partikel dem bereits geschmolzenen Polymer zugegeben wurden. Auch ein Vorwärmen der Partikel führte zu einer stärkeren Zerkleinerung. Die Zerkleinerung konnte unter Verwendung eines Matrixpolymers mit hohem MFR reduziert werden. Zum einen variierte der Einfluss der Förderrate mit der Schneckendrehzahl, zum anderen variierte der Einfluss von Förderrate und Schneckendrehzahl auch mit dem Holzanteil. Da die Bedingungen des Compoundierprozesses im Labormaßstab üblicherweise nicht mit Bedingungen im Industriemaßstab vergleichbar sind, wurden die Prozessparameter an einem Labor-Extruder so gewählt, dass sie industrielle Bedingungen imitieren. Die Einkürzung von Kiefernholzfasern (Pinus radiata) wurde mit der Einkürzung von Glasfasern verglichen, da diese ein Standardmaterial in der industriellen Kompositfertigung darstellen. Mittels sogenannter „Dead-stop“-Versuche und Probennahme entlang der Extruderschnecken wurde der Einfluss von Schneckenkonfiguration, Schneckendrehzahl und Förderrate analysiert. Prozesseinstellungen, die einen geringeren Anteil an spezifischer mechanischer Energie ins Material eintrugen, sowie eine schonende Schneckenkonfiguration verzögerten die Fasereinkürzung entlang der Extruderschnecken. Für eingangs längere Glasfasern war dieser Effekt ausgeprägter als für eingangs kürzere Holzfasern. Die Faserlänge im Endprodukt zeigte jedoch keine Unterschiede bezüglich der Prozesseinstellungen. Glasfasern zeigten deutlichere Unterschiede in der Faserlänge aufgrund der Schneckenkonfiguration als Holzfasern. Diese spiegelten sich auch in den mechanischen Eigenschaften wieder: ein aggressiveres Schneckenprofil resultierte in geringeren Festigkeiten bei den Glasfaser-Kompositen, jedoch nicht bei den Holzfaser-Kompositen.

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