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Aktuelle Forschungs- und Transferprojekte

Campus Soest
  1. Forschung & Transfer
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Zentrum für klimaangepasste und nachhaltige Landnutzung und Lebensmittelproduktion

Kurztitel: ZEKAN-2L

Laufzeit: 01.09.2024 – 31.08.2027

Kurzbeschreibung

Mit ZEKAN-2L soll in den kommenden Jahren am Fachbereich Agrarwirtschaft ein Zentrum zur Untersuchung drängender Fragestellungen rund um die Landnutzung entstehen. Globale Herausforderungen wie der Klimawandel, der Rückgang der Biodiversität sowie die Belastung natürlicher Ressourcen rücken die Fragen nach angepassten Landnutzungssystemen immer weiter in den gesellschaftlichen Fokus: Wie kann eine nachhaltige Landnutzung unter Ausgleich der Nutzungskonkurrenz um die Fläche gelingen? Unter welchen Voraussetzungen kann die Nahrungsmittelproduktion, trotz sich ändernder klimatischer Bedingungen, sichergestellt werden? Wie müssen sich Anbaumethoden entwickeln, um sowohl ressourceneffizient als auch klimaresilient zu sein? Auf welche Weise lässt sich Tierhaltung in die Landnutzung besonders vorteilhaft integrieren? Wodurch können Haltungssysteme weiter im Sinne des Tierwohls optimiert und Emissionen gesenkt werden?

Im Rahmen dieses Projektes wird eine Forschungsinfrastruktur geschaffen, um in Zukunft diese und weitere Fragen mit moderner Analytik erforschen zu können.

Ergänzt wird das neue Forschungszentrum „ZEKAN-2L“ um bauliche Einrichtungen. Hierzu zählt ein Forschungsgewächshaus mit unterschiedlichen Funktionsbereichen und Klimakammern. Hier werden u.a. Klimaszenarien modelliert und ihr Effekt auf das Pflanzenwachstum untersucht. Des Weiteren wird ein Labor für Umwelt-/ Lebensmittelanalytik entstehen. Mit anspruchsvoller und innovativer Analytik werden hier Untersuchungen zu Rückständen in der Umwelt mit Anreicherungspotenzial in der Nahrungsmittelkette durchgeführt. In der Lebensmittelanalytik geht es neben potenziell schädlichen Inhaltsstoffen (Mykotoxine, PAK‘s, PCB’s, PFAS, Schwermetalle und Konservierungsstoffen) auch um wertgebende Inhalte (z.B. Vitamine und Aminosäuren).

Die Forschung in Freiland-Reallaboren und die Vielfalt an Untersuchungsgebieten, die speziell die Wechselwirkungen unterschiedlicher Landnutzungssysteme und deren Zusammenspiel adressieren, machen den innovativen Forschungsansatz von ZEKAN-2L aus. Gleichzeitig setzt das Projekt auf Machine-Learning-basierte Verfahren und KI-Anwendungen, um generierte Versuchsdaten aus mobilen und stationären Laboreinheiten sowie dem Forschungsgewächshaus zu nutzen. Hierbei ist es das Ziel möglichst automatisierte Bewertungsansätze für die Nachhaltigkeit auf Landschaftsebene zu entwickeln. Darüber hinaus sollen die gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um innovative und nachhaltige Business Modelle für die Landwirtschaft und die vor- und nachgelagerten Bereiche der Wertschöpfungsstufen zu identifizieren.

Ausführende Stelle

Fachhochschule Südwestfalen, Fachbereich Agrarwirtschaft, Soest

Drittmittelgeber / Förderung

Land NRW und EU im Rahmen des EFRE/JTF-Programms NRW 2021-2027

Leitung / Kontakt

Prof. Dr. Tanja Schäfer

Wissenschaftliche Bearbeitung

Die Säulen des Projekts

Forschungsstation für Landnutzungsökologie Gerlingen

Die neue Forschungsstation ist das Herzstück des Projektes und zentrale Basis-Station für die mobilen Labore.

Mehr Infos zur Forschungsstation
Labor für Lebensmittel- und Umweltanalytik

Aufbau eines Labors mit modernster Technik zur Durchführung anspruchsvoller und innovativer Methoden in den Bereichen Lebensmittel- und Umweltanalytik.

Mehr Infos zum Labor

Forschungsstation für Landnutzungsökologie Gerlingen

Die neue Station für Landnutzungsökologie in Ense-Gerlingen bietet hervorragende Voraussetzung für die Erforschung unterschiedlicher Landnutzungsformen und deren Wechselwirkungen. So verfügt der Forschungsstandort über Acker- und Grünlandflächen, Wald sowie Übergangs- und Saumstrukturen. Zudem dient die Station als Basis für die mobilen Laboreinheiten.

Mobile Labore & Satellitenstandorte

Die Forschungsstation für Landnutzungsökologie wird um mobile Laboreinheiten ergänzt, die sowohl vor Ort als auch auf landwirtschaftlichen Praxisbetrieben (Satellitenstandorten) tätig sein werden. Acht mobile Laboreinheiten (Bodenlabor, Pflanzenlabor, THG-Messung Pflanze, Biomasseerntetechnik und -analyse, Thermoregulation Tier, Mobilstall für Masthühner, THG-Emissionen Tier, Landschaftsästhetik) bedienen hierbei eine Fülle von potenziellen Ansatzpunkten. Im Pflanzenbereich beginnen die Untersuchungen bereits im Boden und reichen über Themen wie Bodengesundheit, Wurzelentwicklung (verschiedener Kulturpflanzen in unterschiedlichen Anbausystemen) bis hin zur Ertragsbildung und Fotosyntheseleistung unter verschiedenen Umwelteinwirkungen. Im Tierbereich werden vor allem relevante Einflussfaktoren auf Freilandhaltungssysteme wie die Witterung (Thermoregulation) und das Tierwohl (Mobilstall für Masthühner) untersucht. Sowohl für pflanzliche als auch für tierische Produktionssysteme besteht die Möglichkeit THG-Emissionen zu quantifizieren. Die Landschaftsästhetik untersucht schließlich die Wahrnehmung der Landschaft und die Frage was Ästhetik für den Betrachter ausmacht.

Die mobilen Labore im Portrait

Aufgaben des mobilen Pflanzenlabors:

Das mobile Labor analysiert zum einen die Photosyntheseprozesse von Pflanzen, insbesondere die Photosyntheserate, um deren Produktivität und Vitalität zu bewerten. Es misst zusätzliche Parameter wie Transpirationsrate, stomatäre Leitfähigkeit und CO2-Konzentration, um die Effizienz der Ressourcennutzung, selbst unter Umweltstress, zu bestimmen. Zum anderen kann mit Mini-Rhizotronen und einem Wurzelscanner die Wurzelentwicklung in verschiedenen Anbau- u. Klimasystemen erfasst werden. Die Ergebnisse helfen, Pflanzengesundheit zu beurteilen und gezielte Maßnahmen zur Ertragssteigerung sowie nachhaltigem Pflanzenmanagement in der Landwirtschaft zu entwickeln.

Aufgabe des mobilen Labors Analytik Thermoregulation bei Tieren:

Die Thermografie ist ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung der Thermoregulation von Nutztieren in Freilandhaltung. Während sie in der Human- und Veterinärmedizin etabliert ist, sind weitere Untersuchungen nötig, um optimale Rahmenbedingungen für ihren Einsatz zu definieren. Dabei werden zentrale Einflussfaktoren wie Temperatur, Lichtverhältnisse, Luftfeuchtigkeit und Abstand zu den Tieren analysiert, da sie die Qualität der Datenerfassung und die Aussagekraft zur Thermoregulation sowie zum Temperaturstress der Tiere beeinflussen.

Aufgaben eines mobilen Bodenlabors:

Das mobile Bodenlabor ist speziell dafür ausgerüstet, umfassende Analysen des Bodens mit Fokus auf die Bodengesundheit durchzuführen. Ausgestattet mit einem GPS-gestützten Bodenprobenehmer auf einem UTV, modernster Analytik und Mikroskopen ermöglicht es präzise physikalische, chemische und biologische Untersuchungen des Bodens.

So sollen verschiedene Landnutzungsformen in Hinblick auf relevante Parameter wie die Wasserkapazität, Humus- u. Nährstoffgehalte, Regenwurmabundanz untersucht werden, um die Auswirkungen landwirtschaftlicher Praktiken, klimatischer Bedingungen und anderer Faktoren auf die Bodenbeschaffenheit zu analysieren.

Aufgaben des mobilen Labors zur THG-Messung Pflanzenbau:

Das mobile Labor nutzt einen modernen Trace-Analyser, ein tragbares Messgerät, das speziell für die Erfassung von Treibhausgasen entwickelt wurde. Es ermöglicht die präzise Messung und Quantifizierung von Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂) und Lachgas (N₂O) aus der Umgebungsluft sowie dem Boden. Diese Messungen können unter verschiedenen landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsformen durchgeführt werden, was wichtige Erkenntnisse zur Anpassung und Optimierung in der Praxis liefert.

Aufgaben des mobilen Labors Biomasseerntetechnik & Analytik:

Dieses Arbeitspaket widmet sich der präzisen Analyse der Erntemenge und wertgebenden Inhaltsstoffe von Biomasse. Der Versuchsbiomasseernter mit Wiegevorrichtung und Probehäcksler dient der exakten Erfassung der erzielten Erntemenge. Im Labor erfolgt die weiterführende Analytik mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), die sowohl für Trocken- als auch Nassanalysen von Futter- und Lebensmitteln eingesetzt wird. Ziel ist die genaue Bestimmung der Zusammensetzung und Qualität der Biomasse. Zudem wird die Biomasseleistung verschiedener Landnutzungssysteme ermittelt, um deren Effizienz und nachhaltige Nutzung zu bewerten.

Aufgaben des mobilen Labors für Landschaftsästhetik:

Ziel des mobilen Labors für Landschaftsästhetik ist es, eine auf Remote-Eyetracking basierte Methodik zur Erfassung der individuellen landschaftsästhetischen Wahrnehmung von vordergründig agrar- und forstwirtschaftlich geprägten Kulturlandschaften zu entwickeln. Die Methodik wird anhand der etablierten Methode des mobilem Eye-Tracking sowie der Methode des VR-Eye-Tracking validiert. Für spezifische Fragestellungen wird herausgearbeitet, welche Methodik das individuelle Landschaftserlebnis am besten erfasst bzw. ob ein komplementärer Einsatz unterschiedlicher Methoden sinnvoll ist.

Aufgaben des mobilen Labors zur Untersuchung der Treibhausgasemissionen:

Ein mobiles Labor wird zur Untersuchung der Treibhausgasemissionen in der Nutztierhaltung eingesetzt. Mithilfe eines spezialisierten Messsystems werden die Konzentrationen von Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) direkt aus der Atemluft von Rindern erfasst. Die flexible und mobile Struktur des Labors ermöglicht Untersuchungen sowohl einzelner Tiere als auch ganzer Herden unter realen Weidebedingungen. Durch die integrierte Feldanalytik im Transporttrailer können Emissionsdaten effizient erfasst und analysiert werden. Die automatisch generierten Berichte liefern eine Grundlage für die Bewertung und Optimierung nachhaltiger Managementstrategien in der Tierhaltung und Fütterung.

Aufgaben des Mobilstalls für Masthühner:

Im Rahmen unseres Projekts wird ein innovativer Mobilstall für Masthühner angeschafft, um praxisnahe und anwendungsorientierte Forschung zu ermöglichen. Dieser Stall ermöglicht interdisziplinäre Untersuchungen in den Bereichen Genetik, Haltung, Fütterung, Auslaufgestaltung und Tierwohl. Darüber hinaus wird er aktiv in die Lehre eingebunden und steht sowohl für externe Lehreinheiten als auch für studentische Arbeiten zur Verfügung – eine wertvolle Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Praxis.

Forschungsgewächshaus

Das neu zu errichtende Forschungsgewächshaus wird derzeit unter Berücksichtigung der vielfältigen Anforderungen der Forschung in den Bereichen Pflanze, Biene und Boden sowie Klimawandel geplant. In Kürze folgen weitere Informationen.

Labor für Lebensmittel- und Umweltanalytik

Das Labor für Umwelt- und Lebensmittelanalytik bietet präzise Analysen für ausgewählte pflanzliche und tierische Lebensmittel sowie Umweltproben. Ziel ist es, gesundheitsgefährdende Kontaminationen zu identifizieren und die Qualität von Lebensmitteln oder beispielsweise Wasser- und Bodenproben zuverlässig zu beurteilen. Im Rahmen des Projektes ZEKAN-2L wird das Labor um modernste Analysetechnik erweitert, um hochpräzise, zuverlässige und sensitive Messergebnisse zu gewährleisten.

Probenvorbereitung

Die Probenvorbereitung im Labor wird durch einen PAL-Probenaufbereiter unterstützt. Dieser ermöglicht eine zeit- und kosteneffiziente, reproduzierbare und vollautomatisierte Vorbereitung von Proben mit komplexen Matrices. Arbeitsabläufe können standardisiert und die Genauigkeit der Ergebnisse verbessert werden. Darüber hinaus bietet das Gerät eine Steigerung des Probendurchsatzes, sowie die präzise und konsistente Durchführung komplexer Schritte wie Extraktion, Derivatisierung oder Verdünnung.

Eine Labor-Gefriertrocknungsanlage wird zusätzlich für die Aufarbeitung verschiedenster anspruchsvoller Matrices, wie z.B. Pflanzenmaterialien eingesetzt. Die Anlage garantiert eine schonende Probenaufarbeitung empfindlicher Proben und ermöglicht eine natürliche Konservierung, so dass die Qualität der zu untersuchenden Pflanzen und der Gehalt sekundärer Inhaltsstoffe bei der Aufarbeitung ohne nennenswerte Metabolismenbildung erhalten bleibt.

Instrumentelle Analytik

Im Rahmen des Projektes ZEKAN-2L wird das Labor analytisch um mehrere chromatographische Systeme erweitert, um eine möglichst große Bandbreite an Analyten aus dem Bereich Lebensmittel- und Umweltanalytik in hoher Qualität analysieren zu können:
  • 2 Hochleistungsflüssigchromatographen mit Diodenarray-Detektoren sowie einem Fluoreszenzdetektor (HPLC DAD/FLD)
  • 1 Hochleistungsflüssigchromatograph gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS)
  • 1 Gaschromatograph gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (GC-MS/MS) und integriertem Pyrolyse-Injektor

Die Analytik ermöglicht die Beurteilung der Qualität und Sicherheit verschiedenster Lebensmittel und Umweltproben. Beispielsweise können Inhaltsstoffe wie Konservierungsstoffe, sekundäre Pflanzenstoffe, wie phenolische Verbindungen, Tocopherole oder auch einzelne Aminosäuren identifiziert werden, aber auch Kontaminationen durch Pflanzenschutzmittelrückstände, Mykotoxine, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK’s), polychlorierte Biphenyle (PCB’s) und Mikroplastik können nachgewiesen werden.

Data-Fusion-Modelle für nachhaltige Landschaftsbewertung

Moderne Forschungsansätze setzen zunehmend auf die Fusion unterschiedlichster Datenquellen, um präzise Analysen und belastbare Prognosen zu ermöglichen. In diesem Kontext verarbeiten und kombinieren Data-Fusion-Modelle Versuchsdaten aus mobilen und stationären Laboreinheiten sowie aus einem Forschungsgewächshaus. Durch den Einsatz leistungsstarker Machine-Learning-Algorithmen werden komplexe Zusammenhänge erfasst und analysiert, um belastbare Prognosen zur Biomasseleistung und Umweltwirkungen abzuleiten. Das übergeordnete Ziel besteht in der umfassenden Nachhaltigkeitsbewertung auf Landschaftsebene, wodurch wissenschaftlich fundierte Grundlagen für eine ressourcenschonende Landnutzung geschaffen werden.

Innovative und nachhaltige Business-Modelle in der Landnutzung

Die Identifikation und Analyse innovativer sowie nachhaltiger Business-Modelle spielt eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung der Landnutzung und der damit verbundenen Wertschöpfungsketten. Neben klassischen Geschäftsmodellen werden neue Ansätze erforscht, die ökologische, ökonomische und soziale Nachhaltigkeitsaspekte integrieren.

Diese Business-Modelle sollen Betrieben und Unternehmen Werkzeuge an die Hand geben, um tragfähige und zugleich nachhaltige Konzepte für die Zukunft zu entwickeln. Die Nachhaltigkeitsbewertung stellt dabei einen zentralen Baustein dar und ermöglicht eine ganzheitliche Betrachtung von Geschäftsmodellen sowie deren langfristige Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft.