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Mold fungi on malting barley grains cause major economic loss in malting and brewery facilities. Possible proxies for their detection are volatile and semivolatile metabolites. Among those substances, characteristic marker compounds have to be identified for a confident detection of mold fungi in varying surroundings. The analytical determination is usually performed through passive sampling with solid phase microextraction, gas chromatographic separation, and detection by electron ionization mass spectrometry (EI-MS), which often does not allow a confident determination due to the absence of molecular ions. An alternative is GC-APCI-MS, generally, allowing the determination of protonated molecular ions. Commercial atmospheric pressure chemical ionization (APCI) sources are based on corona discharges, which are often unspecific due to the occurrence of several side reactions and produce complex product ion spectra. To overcome this issue, an APCI source based on soft X-radiation is used here. This source facilitates a more specific ionization by proton transfer reactions only. In the first part, the APCI source is characterized with representative volatile fungus metabolites. Depending on the proton affinity of the metabolites, the limits of detection are up to 2 orders of magnitude below those of EI-MS. In the second part, the volatile metabolites of the mold fungus species Aspergillus, Alternaria, Fusarium, and Penicillium are investigated. In total, 86 compounds were found with GC-EI/APCI-MS. The metabolites identified belong to the substance classes of alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, esters, substituted aromatic compounds, terpenes, and sesquiterpenes. In addition to substances unspecific for the individual fungus species, characteristic patterns of metabolites, allowing their confident discrimination, were found for each of the 4 fungus species. Sixty-seven of the 86 metabolites are detected by X-ray-based APCI-MS alone. The discrimination of the fungus species based on these metabolites alone was possible. Therefore, APCI-MS in combination with collision induced dissociation alone could be used as a supervision method for the detection of mold fungi.
Die Entwicklung nachhaltiger Bewirtschaftungs- und Produktionsmethoden ist eine der zentralen Fragestellungen der modernen Agrarwirtschaft. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Forschungsthemen, die das Konzept Nachhaltigkeit beinhalten. In beiden Fällen werden analytische Grundlagen für die Entwicklung entsprechender landwirtschaftlicher Arbeitsmethoden gelegt.
Das erste Thema ist an den sogenannten Präzisionsackerbau angelehnt. Bei diesem wird die Bearbeitung von Agrarflächen ortsabhängig ausgeführt. Das heißt, die Ausbringung von Saatgut, Dünger, Bewässerung usw. richtet sich nach den Eigenschaften des jeweiligen Standortes und wird nicht pauschal gleichmäßig über ein ganzes Feld verteilt. Voraussetzung hierfür ist eine genaue Kenntnis der Bodeneigenschaften. In der vorliegenden Arbeit sollten diese Parameter mittels der analytischen Technik der Laser-induzierten Breakdown Spektroskopie (LIBS), die eine Form der Elementaranalyse darstellt, bestimmt werden. Bei den hier gesuchten Bodeneigenschaften handelte es sich um die Gehalte von Nährstoffen sowie einige sekundäre Parameter wie den Humusanteil, den pH-Wert und den pflanzenverfügbaren Anteil einzelner Nährstoffe. Diese Eigenschaften wurden durch etablierte Referenzanalysen bestimmt. Darauf aufbauend wurden die Messergebnissen der LIBS-Untersuchungen durch verschiedene Methoden der sogenannten multivariaten Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Daraus sollten Modelle zur Vorhersage der Bodenparameter in zukünftigen LIBS-Messungen erarbeitet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass mit der Kombination von LIBS und MVA sämtliche Bodenparameter erfolgreich vorhergesagt werden konnten. Dies beinhaltete sowohl die tatsächlich messbaren Elemente als auch die sekundären Eigenschaften, welche durch die MVA mit den Elementgehalten in Zusammenhang gebracht wurden.
Das zweite Thema beschäftigt sich mit der Vermeidung von Verlusten durch Schädlingsbefall bei der Getreidelagerung. Hier sollten mittels der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) Schimmelpilzkontaminationen detektiert werden. Dabei wurde nach den flüchtigen Stoffwechselprodukten der Pilze gesucht. Die durch Referenzmessungen mit Massenspektrometern identifizierten Substanzen konnten durch IMS im Gasvolumen über den Proben, dem sogenannten Headspace, nachgewiesen werden. Dabei wurde nicht nur die Anwesenheit einer Kontamination festgestellt, sondern diese auch charakterisiert. Die freigesetzten Substanzen bildeten spezifische Muster, anhand derer die Pilze identifiziert werden konnten. Hier wurden sowohl verschiedene Gattungen als auch einzelne Arten unterschieden. Die Messungen fanden auf verschiedenen Nährböden statt um den Einfluss dieser auf die Stoffwechselprodukte zu beobachten. Auch die sekundären Stoffwechselprodukte der Schimmelpilze, die Mykotoxine, konnten durch IMS detektiert werden.
Beide in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsthemen konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Sowohl LIBS als auch IMS erwiesen sich für den Nachweis der jeweiligen Analyten als geeignet, und der Einsatz moderner computergestützter Auswertemethoden ermöglichte die genaue Charakterisierung der gesuchten Parameter. Beide Techniken können in Form von mobilen Geräten verwendet werden und zeichnen sich durch eine schnelle und sichere Analyse aus. In Kombination mit entsprechenden Modellen der MVA sind damit alle Voraussetzungen für Vor-Ort-Untersuchungen und damit für den Einsatz in der Landwirtschaft erfüllt.