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Halophytes – Utilization on poor saline soils as second generation bioenergy crops.

Sebastian Linsel (2012)

Masterthesis vom 06.02.2012

 

Halophytes – Utilization on poor saline soils as second generation bioenergy crops.

Halophyten – Nutzung als „second generation bioenergy crops“ (SGEC) auf trockenen und salinen Böden.


Abstract


The depletion of fossil energy resources, climate change, the increasing desertification and salinization of fertile soils and the growing demand for energy are forcing humanity to invest in alternative, carbon neutral energy sources. The second generation of non-food energy plants minimizes the competition between food and energy on the world market. Moreover the utilization of so-called halophytes can used to reclaim salinized and non-usable arable land for conventional agriculture. Halophytes are able to grow in extreme habitats caused by diverse adaptions and mechanisms. The high Water-Use-Efficiency (WUE) and Nitrogen-Use-Efficiency (NUE) of halophytes decreases the demand of freshwater and fertilizers to produce a high biomass yield. The aim of this study is to find out the usability of different halophyte species ant their optimal growth conditions for subsequent high efficient biomass pyrolysis and biomass fermentation processes. Preliminary test suggests that at the one hand a flooding system increases the methane yield potential during biomass fermentation and on the other hand salt increases the pyrolysis efficiency of biomass. To investigate the ecophysiological mechanisms and the energy potential, a replicated pot experiment with a poor sandy soil in a greenhouse was conducted. The pots were seeded with Chenopodium quinoa (C3, annual), Phragmites karka (C3, perennial) and Panicum turgidum (C4, perennial). The irrigation was performed with a flooding system and four saline levels (0; 125; 250; 375 mM NaCl). The impact of the different salinities on the plants was tested during photosynthesis and chlorophyll fluorescence measurements. After harvest the total biomass yield, moisture content, ash content, alkali metal content and the cellulose/lignin ration were determined. All three species were able to grow on hypoxic/anoxic poor soil substrates. Reactions of hyper osmotic stress led to adjustment of plants osmotic potential due to different substances, like carbohydrates, ions and (probably) the amino acid prolin in dependence of present salt tolerance mechanisms. The CO2-assimilation rate, stomatal conductance therefore the inner leaf CO2-concentration decreased with increasing level of salinity. Moreover the dark respiration rates of both Poaceae species were significantly increased in addition to a decreased transpiration rate of Quinoa. Hyper osmotic and hyper ionic stress led (probably) to higher WUE, NUE and higher biomass yield of (Panicum and) Quinoa (+182.1 %) in moderate Salinity level (125 mM NaCl). Phragmites shows linear reduced biomass yield (up to -65.9% in the 375 mM NaCl-treatment) during increased levels of salinity. The effects of salinity on the cell wall structure were significant for Phragmites and Quinoa. Both show decreased cell wall contents though applied high levels of salinity (375 mM NaCl).

Kurzfassung

In Anbetracht endlicher, sich verknappender Ressourcen fossiler Energieträger, dem Klimawandel, der wachsenden Weltbevölkerung, der reduzierten Frischwasserverfügbarkeit sowie dem steigenden Energiebedarf sieht sich die Menschheit gezwungen alternative Energiequellen ausfindig zu machen. Die zweite Generation der Energiepflanzen (Second Generation Bioenergy Crops) minimiert die Konkurrenz zwischen dem Anbau von Lebensmittel- und Energiepflanzen. Der Anbau sogenannter Halophyten würde zukünftig eine Nutzung von Versalzung und Verwüstung verloren geglaubter landwirtschaftlicher Nutzfläche erlauben. Zusätzlich könnten jene Flächen auch für herkömmliche genutzte Nutzpflanzen (meist Glycophyten) durch die Halophyten vorkommenden Salz-Includer Mechanismen erneut erschlossen werden. Halophyten sind auf  Grund verschiedener Adaptionen in der Lage in extremen Lebensräumen zu überleben. Hohe Wasser- und Stickstoff-Nutzungseffizienzen haben einen geringen Wasserverbrauch und Düngemittelbedarf bei gleichzeitig hoher Biomassenproduktion als Konsequenz. Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Nutzbarkeit dreier Halophyten-Arten und deren optimalen Wachstumsbedingungen für eine finale energetische Konversion (Pyrolyse, anaerobe Fermentation). Vorversuche haben gezeigt, dass die Anwendung von hypoxischer/anoxischer Bodensubstrat-Bedingungen bei einer Pflanzenkultivierung eine gesteigerte Methan-Ausbeute während der anaeroben Fermentation bewirkt. Darüber hinaus ist eine Effizienz-Steigerung während der Pyrolyse durch hohe Alkalimetall-Gehalte im Feedstock zu erwarten. Es soll der Einfluss verschiedener Salinitäten (0mM-, 125mM-, 250mM- und 375mMNaCl) bei einer Flutbewässerung (ca. 1h täglich) auf die ökophysiologische Parameter und das daraus resultierende energetische Potential untersucht werden. Dafür wurde ein repliziertes Experiment (n=4) unter konstanten Gewächshaus Bedingungen mit Panicum turgidum (c4, mehrjährig), Phragmites karka (C3, mehrjährig) und  Chenopodium quinoa (C3, einjährig) durchgeführt. Das Wachstum wurde mit Blattgaswechsel- und Chlorophyllfluoreszenz-Messungen begleitet. Nach der Ernte wurde die aufgebaute Biomasse, der Wassergehalt, Kationengehalt, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt sowie der der Kohlenhydrat-Anteil bestimmt. Alle drei Arten waren in der Lage unter gegebenen Bedingungen Biomasse aufzubauen. Eine osmotische Anpassung erfolgte durch Einlagerungen von osmotisch wirksamen Kohlenhydraten, Natriummoleküle oder durch die Aminosäure Prolin in Abhängigkeit der vorhandenen Salztoleranzmechanismen. Der ansteigende hyperosmotische und hyperionische Stress bewirkte eine verringerte Blatt-interne CO2-Konzentation. Zusätzlich wurde eine gesteigerte Dunkelrespiration für beide Poaceaeen neben einer reduzierten Dunkelrespiration von Quinoa nachgewiesen. Es konnten signifikante Ertragssteigerung(en für Panicum und) für Quinoa (+182,1%) im 125mMNaCl-Treatment nachgewiesen werden. Phragmites zeigte eine lineare Abnahme der Aufgebauten Biomasse mit steigender Salinität (bei 375mMNaCl mit -65,9%). Quinoa und Phragmites zeigten vor allem im Hochsalz-Treatment (375mMNaCl) prozentual signifikant reduzierte Zellwandbestandteile an der absoluten Gesamtbiomasse.