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Energy crops for sustainable biofuel production: The utilization of the halophytic crop Panicum turgidum on marginal land for food production to provide feedstock for bioenergy, non-food products and biofuel.

Philipp Körner (2013)

Masterthesis vom 17.09.2013

 

Energy crops for sustainable biofuel production: The utilization of the halophytic crop Panicum turgidum on marginal land for food production to provide feedstock for bioenergy, non-food products and biofuel.


Energiepflanzen für die nachhaltige Bioenergieproduktion. Optimierung der Kulturbedingungen von Panicum turgidum zur Produktion von Rohstoff, Bioenergie, Non-food Produkte und Biokraftstoff auf Brachland.


Abstract

Humanity is facing great problems regarding the shortage of fossil fuels that can be predicted for the future. An important term in this regard is the "peak-oil". Proposed by Hubbert in 1956. It describes the point where the maximal worldwide conveyance mass cannot keep up with the demand for crude oil. Analysts state that this event had taken place somewhere in the year 2005 and 2006 (Bardi, 2009). The demand for humanity to find alternative energy carriers can be seen as inevitable. First steps in this direction had been made when more and more scientists worked on the emerging field of biofuels (Naik et al. 2010). In this thesis the basic adequacy of the halophytic bunchgrass Panicum turgidum Forssk. under stress conditions was assessed in a greenhouse experiment. It was grown under the stress factors drought and salinity and later on analyzed for the exact effects that are induced by the stress in planta. Furthermore two fertilizers were tested to see their influence on the plants stress level. One of the fertilizers was a common manure compost the other one was a mixture of compost and biochar. To analyze the plants stress level it was first rated and then the gas exchange, the ionic and osmotic relations and chlorophyll fluorescence measurements were done. The result is a comprehensive study on P. turgidum that provides a good overview on stress responses in a C4-plant with promising features for bio-energy production. The plants biomass was the main parameter the stress level measurements were correlated to. The control and the fertilized plants showed a good biomass production in the 0mM NaCl groups with yields of around 7 t/ha (DW). Salinity and drought caused a severe loss of biomass production which was mainly due to an impaired gas exchange as well as distortions in the electron transport chain from the light harvesting complex to the photosynthetic apparatus.

Kurzfassung

Die Menschheit sieht sich großen Problemen, insbesondere wegen der zukünftig zu erwartenden Knappheit an fossilen Brennstoffen gegenüber. Ein wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist der sog. "peak-oil". Dieser wurde von Hubbert 1956 eingeführt und beschreibt den Zustand wenn die maximale weltweite Ölfördermenge den weltweiten Bedarf an Rohöl nicht mehr decken kann. Analysten gehen davon aus dass dieser Punkt bereits im Zeitraum zwischen den Jahren 2005-2006 erreicht war (Bardi, 2009). Die Notwendigkeit alternative Energieträger zu finden kann somit als unabdingbar angesehen werden. Die ersten Schritte in dieser Richtung wurden gemacht, als mehr und mehr Wissenschaftler begannen an der sich rasch entwickelnden Erforschung der Biokraftstoffe zu arbeiteten (Naik et al., 2010). In dieser Arbeit wurde die grundlegende Eignung der Wüsten-Rispenhirse Panicum turgidum Forssk. unter Stressbedingungen in einem Treibhausexperiment getestet. Sie wurde unter den Stressoren Trockenheit und Salinität kultiviert und anschließend analysiert wie genau sich die Stress Faktoren in planta auswirkten. Außerdem wurden zwei Dünger getestet um herauszufinden wie sich diese auf den Stress-Level der Pflanzen auswirken. Einer der Dünger war ein handelsüblicher Mist-Kompost der andere eine Mixtur aus Kompost und Bio-Kohle. Um den Stress eingehend zu analysieren wurde zunächst eine Bonitur durchgeführt und im Anschluss der Gaswechsel, die ionischen und osmotischen Verhältnisse sowie die Chlorophyll Fluoreszenz gemessen. Das Ergebnis ist eine umfassende Studie an P. turgidum, die einen guten Überblick über die Stress Antworten dieser C4-Pflanze mit vielversprechenden Eigenschaften für die Bio-Energiegewinnung liefert. Die von den Pflanzen produzierte Biomasse war dabei der Hauptparameter mit dem die Ergebnisse der Stress-Level Messungen korreliert wurden. Die Kontroll-sowie die gedüngten Pflanzen zeigten hierbei eine gute Biomasseproduktion mit Ernte-Werten um 7 t/ha (Trockenmasse). Salinität und Trockenheit verursachten dabei ernste Einbrüchen in der Biomasse Produktion die hauptsächlich auf einen verringerten Gaswechsel sowie auf die Störung der Elektronen-Transportkette vom Licht-Sammel-Komplex zum photosynthetischen Apparat zurückzuführen waren.