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Sep 06, 2023

Nature Food Band 4, Seiten 148–159 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Nachhaltige Praktiken, die Lebensmittelverluste reduzieren, sind für die Verbesserung der globalen Ernährungssicherheit von entscheidender Bedeutung. Wir berichten über eine „Wrap and Plant“-Plattform zur Saatgutbehandlung, um Pflanzen vor bodenbürtigen Krankheitserregern zu schützen. Diese papierähnlichen, biologisch abbaubaren Samenverpackungen wurden aus den reichlich vorhandenen Abfällen der Bananenernte und recycelten alten Wellpappkartons durch chemikalienfreies Auflösen entwickelt und weisen eine einstellbare Integrität und Bioverfügbarkeit der beladenen Bestandteile auf. Diese Wickel wurden zur Nematodenbekämpfung an Samenstücken der Yamswurzel (Dioscorea cayenensis-rotundata) in Benin verwendet, einem wichtigen Produzenten dieser Grundnahrungspflanze im „Yamsgürtel“ Afrikas südlich der Sahara. Unsere mit Abamectin in extrem geringer Menge (1/100 ≤ kommerzielle Formulierung) beladenen Samenwickel kontrollierten die Populationen des Yamswurzelnematoden (Scutellonema bradys) konsistent und steigerten den Ertrag an verschiedenen Standorten im Zeitraum 2015–2018 erheblich. Nach 3 und 5 Monaten Lagerung wurde eine erhebliche Verringerung des Gewichtsverlusts und der Rissbildung der Knollen nach der Ernte beobachtet, was zu einem höheren Wert, mehr Nährwert und der Präferenz der Interessengruppen für die Verpackung und Pflanzenbehandlung beitrug.

Der Agrarsektor muss ganzheitliche Ansätze für die Nahrungsmittelproduktion verfolgen, da die globale Nahrungsmittelversorgung für eine exponentiell wachsende Bevölkerung nachhaltig verbessert werden muss. Dies ist besonders relevant in Regionen, die von kleinbäuerlicher Landwirtschaft dominiert werden, beispielsweise in Subsahara-Afrika (SSA)1,2,3. Es wird erwartet, dass sich die Bevölkerung SSAs bis 2100 fast verdreifachen wird (Lit. 3); Die landwirtschaftliche Produktivität hält jedoch nicht Schritt4. Dies ist auf ungünstige Klimaveränderungen, schlechte Bodenfruchtbarkeit, kontinuierlichen Anbau, Krankheitserregerdruck und in hohem Maße auf Wissens- und Ressourcenmangel bei Kleinbauern zurückzuführen, die etwa 80 % der Bevölkerung ausmachen5,6,7,8,9. Unter den verschiedenen Knollen- und Wurzelfrüchten ist die Yamswurzel (Dioscorea rotundata und D. alata) in Westafrika äußerst wertvoll und beeinflusst das wirtschaftliche Schicksal von Millionen Kleinbauern10,11,12,13,14. Verschiedene klimatische, kulturelle und edaphische Faktoren bestimmen den Ernteertrag und die Qualität der Yamswurzel11; Noch wichtiger ist, dass jährlich 17–50 % der Ernte durch pflanzenparasitäre Nematoden (PPNs) verloren gehen13,15,16,17.

PPNs, insbesondere Wurzelknoten (Meloidogyne spp.), Yamswurzel (Scutellonema bradys) und Läsion (Pratylenchus spp.)13,14,18, spielen eine wichtige Rolle bei der Reduzierung der Yamswurzel-Erntewerte, vor allem aufgrund des Mangels an verfügbaren, erschwinglichen Bekämpfungsmöglichkeiten6,9 ,11. Der Yamswurzelnematode S. bradys ist aufgrund seiner allgegenwärtigen Präsenz in Yamswurzelpflanzungen wahrscheinlich der wichtigste Parasit14. Da es sich um einen wandernden Endoparasiten (der in Wurzeln und Knollen sowie im Boden vorkommt) der Yamswurzel handelt, wird er häufig regional mit Yamswurzel-Samenstücken transportiert18,19. Seine fortgesetzte Vermehrung in gelagerter Yamswurzel führt zum Verlust wertvoller Nahrungsmittel und trägt auch zur Nematodenpopulationsdichte beim Pflanzen bei, da der Yamswurzel-Samenstückbestand aus befallenen, gelagerten Knollen stammt13,19,20. Während die PPN-Vorpflanzungsdichte negativ mit dem Ernteertrag korreliert, resultiert die anfängliche Nematodendichte im Yamswurzel-Scutellonema-Pathosystem häufig aus Nematoden in Samenstücken21,22 und nicht aus dem Boden beim Pflanzen.

Ein frühzeitiger PPN-Schutz ist entscheidend für den Ernteerfolg. Eine Methode zur Anwendung von Nematiziden ist die Saatgutbehandlung, bei der die Menge des Wirkstoffs (AI) im Vergleich zu Breitband- oder Reihenanwendungen reduziert wird, das PPN nur in der Wurzelzone der Kulturpflanzen einer höheren AI-Konzentration ausgesetzt wird und Nichtzieleffekte erheblich reduziert werden Umweltauswirkungen23. Unsere früheren Studien untersuchten verschiedene Optionen für einen kostengünstigen, biologisch abbaubaren Wirkstoff und deuten auf vielversprechende Eigenschaften von papierähnlichen Matrizen hin, die auf einem chemikalienfreien Weg aus Bananenernteabfällen (Musa acuminata) als Plattform für die kontrollierte, gezielte Abgabe kleiner Moleküle entwickelt wurden8 ,24,25. Neben ihrer Fülle, Kosteneffizienz, Zusammensetzung und Haltbarkeit24,26,27,28,29 machen die einzigartige dreidimensionale, offenporöse, hierarchische Struktur und die vergleichsweise geringe Dichte Bananenfasern (BF) zu einem idealen Substrat für die Beladung kleiner Moleküle. Hier präsentieren wir eine einzigartige „Wrap and Plant“-Plattform (W&P) zur nachhaltigen Erzeugung biologisch abbaubarer Matrizen mit kontrollierter Freisetzung als Samen-/Samenstückverpackungen. Zur Feinabstimmung der BF-Festigkeit und des Freisetzungsprofils haben wir Verpackungsmaterialien aus recycelter, alter Wellpappe (OCC) verwendet, die aus einer der am häufigsten verbrauchten Papiersorten hergestellt wurden – Pappe30,31,32,33,34,35. Nachdem wir eine geeignete Zusammensetzung ermittelt hatten, verwendeten wir diese Matrizen mit und ohne extrem geringe Mengen eines Nematizids Abamectin (Abm) als Yamswurzel-Samenhüllen in mehreren Feldversuchen in drei verschiedenen Benin-Bezirken von 2015 bis 2018. Benin ist einer von fünf großen Yamswurzeln. produzierende westafrikanische Länder (der „Yamswurzelgürtel“), die etwa 92 % der weltweiten Yamswurzeln produzieren10. Unter der Annahme, dass die Kontrolle zu Beginn der Saison zu geringeren Verlusten nach der Ernte führen könnte, die hauptsächlich durch S. bradys12,22,36,37 verursacht werden, haben wir auch die Qualität der Knollen im Hinblick auf den Reproduktionsfaktor von S. bradys, das Knollengewicht sowie das Ausmaß der Trockenfäule und der Rissbildung nach 3 bewertet und 5 Monate Lagerung.

Wir haben biologisch abbaubare Matrizen ohne chemische Zusätze hergestellt, indem wir einfach eine Aufschlämmung aus gehacktem BF (Abb. 1a, b) und OCC (Abb. 1c, d) einzeln oder gemischt in verschiedenen Anteilen von BF:OCC wie folgt entwässert haben: BF, nur BF; BO82, 80:20; BO64, 60:40; BO46, 40:60; BO28, 20:80; und OCC, nur OCC. Der Anstieg der Grobheit und ausgeprägten Faserstrukturen mit höherem BF-Gehalt in den Handblättern (kreisförmige Blätter mit einem Durchmesser von 15, 2–16, 5 cm; ergänzende Abbildung 1a) kann auf das Fehlen jeglicher aggressiven chemischen Behandlung zurückgeführt werden, die normalerweise zum Auflösen von Fasern verwendet wird . Während der Ligningehalt mit zunehmendem OCC-Anteil leicht ansteigt (ergänzende Abbildung 1b), deutet das Fehlen zusätzlicher Peaks in den Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopiespektren der Hybride darauf hin, dass durch OCC keine neue funktionelle Gruppe eingeführt wird (ergänzende Abbildung 1c).

a,b, Foto des Bananenpseudostamms (a) und repräsentative REM-Querschnitte von BF-Papier (b; drei Proben verschiedener BF-Papiere wurden in fünf verschiedenen Vergrößerungen gescannt, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen). c,d, Foto von OCC-Boxen (c) und Querschnitt-REM von OCC-Papier (d; drei Proben verschiedener OCC-Papiere wurden in fünf verschiedenen Vergrößerungen gescannt, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen). e, Fotos, die Stücke von BF- und Hybridpapieren (BO82, BO64, BO46 und BO28) zeigen, die nach 4, 5, 6 und 7 Wochen aus dem Boden entfernt wurden. f–i, Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Papier aus BF, BO82, BO64, BO46, BO28 und OCC vor dem Vergraben im Boden (f) und nach 1 (g), 2 (h) und 3 (i) Wochen Inkubation mit Wurzeln lebender Tomatenpflanzen im Boden. Einfügungen zeigen Fotos des entsprechenden BF nach der Entfernung aus dem Boden. j, Diagramm, das die kumulativen Young-Moduli von BF-, BO82-, BO64-, BO46-, BO28- und OCC-Papieren vor und nach Inkubation im Boden für 1, 2 und 3 Wochen zeigt. k, SEM-Bilder mit hoher und niedriger Vergrößerung, die Bodenpartikel zeigen, die die Oberfläche und das hohle Innere einer Bananenfaser aus BF-Papier bedecken, die 21 Tage lang im Boden vergraben war.

Quelldaten

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder von BF- (Extended Data Abb. 1a) und OCC-Oberflächenabschnitten (Extended Data Abb. 1b) zeigen eine analoge Morphologie mit locker gepackten Fasern, die aus der ähnlichen Herstellung der Handblätter resultiert. Querschnitte der entsprechenden Handblätter zeigen jedoch einen starken Kontrast in der Fasermorphologie und dem Packungsmuster (Abb. 1b, d). Während BF reichlich in locker gepackten Hohlfasern vorkommt, fehlen bei OCC völlig hohle röhrenförmige Fasern und es kommt reichlich in Schichtstrukturen vor. Bei Kombination in unterschiedlichen Anteilen weisen die resultierenden Hybride mit zunehmendem OCC-Gehalt einen allmählichen Verlust der Anzahl hohler Bananenfasern auf (Extended Data Abb. 1c – f). Zusätzlich zu seiner Kosteneffizienz und einfachen Verfügbarkeit verwendeten wir OCC mit BF, um die Festigkeit und das Freisetzungsprofil der Hybridmatrizen abzustimmen, da die durch OCC30,33 beigetragene Schichtmorphologie die Bindung und Gleichmäßigkeit des BF-Papiers erleichtern könnte.

Während die Fasermorphologie und die Zusammensetzung des Papiers dabei helfen können, die Ladungsfreisetzungseigenschaften zu bestimmen, ist das Ausmaß des Schutzes, der dem keimenden Samen ohne Beeinträchtigung des Wurzelwachstums geboten wird, ein weiterer entscheidender Parameter für die Auswahl der Matrix für Feldversuche. Unsere vorläufigen Untersuchungen haben den Zusammenhang zwischen dem Berstindex (Mindestdruck, der erforderlich ist, um pro Gramm Papier zu reißen) und dem Wurzeldurchdringungsprofil der Samenhülle24 gezeigt. BF-Papier weist einen Berstindex von 3,8 kPa m2 g−1 auf (Extended Data Abb. 1g), fast 3,5-mal niedriger als der Berstindex von OCC-Papier (13,4 kPa m2 g−1). Dieser Unterschied in der Festigkeit lässt sich auf das Ausmaß der Bindung zurückführen, das auf die Packung und die Art der Fasern in den einzelnen Papieren zurückzuführen ist. Das heißt, kompaktere Fasern verstärken die Wasserstoffbindung in OCC-Papier, während locker gepackte Hohlfasern die Festigkeit von BF verringern Papier38,39,40. Interessanterweise nimmt die Festigkeit von BO-Hybriden mit der Zugabe von BF erheblich ab. Beispielsweise kommt es nach Zugabe von 20 % BF zu BO28 zu einer Verringerung des OCC-Burst-Index um 61 %, was auf die Rolle vergleichsweise schwächerer Hohlbananenfasern bei der Verringerung der Festigkeit hinweist aus OCC-Fasern. Ein Zusammenspiel von Morphologie, Festigkeit, Ladungsfreisetzung und biologischer Abbaubarkeit bestimmt die endgültige Leistung und das Schicksal einer W&P-Matrix in einer Feldumgebung.

Wir bewerteten die Stärke und Integrität verschiedener Matrizen, indem wir sie für den untersuchten Zeitraum im Boden einer wachsenden Tomatenpflanze inkubierten (Erweiterte Daten, Abb. 2a – e). Bitte beachten Sie, dass Tomaten nur als einfacher Bioindikator für die Fähigkeit von Pflanzenwurzeln verwendet wurden, verschiedene Papierzusammensetzungen zu durchdringen. Papiere mit höherem BF-Gehalt (BF, BO82, BO64) begannen innerhalb der ersten drei Wochen an Festigkeit zu verlieren (Abb. 1f–j und erweiterte Daten Abb. 2f), mit einem deutlichen Verlust der Faserintegrität und -festigkeit, wenn sie darin aufbewahrt wurden den Boden über längere Zeiträume (Abb. 1e – k und Ergänzungstabelle 1). Ein niedrigerer Wert des Elastizitätsmoduls der Proben mit höherem BF-Gehalt (was auf eine bessere Flexibilität hinweist) kann auf den größeren Durchmesser der BFs zurückgeführt werden (Abb. 1b)41, was dazu führt, dass im Vergleich zu OCC-Fasern weniger Fläche für die Faserbindung zur Verfügung steht. REM-Bilder von Proben, die nach drei Wochen aus dem Boden entnommen wurden (Extended Data Abb. 2g–l), zeigen die Bildung deutlicher Risse und einen Verlust der Fasermorphologie. BO82 und BO64 deuten auf eine lebensfähige Hülle hin, die allmählich ihre Integrität im Boden verliert, während sie während der frühen Wachstumsphase intakt bleibt. Im Gegensatz dazu zerfällt Papier, das nur aus BF entwickelt wurde, schnell. Außerdem ist uns aufgefallen, dass sogar das Innere der hohlen Bananenfaser nach drei Wochen mit Erdpartikeln bedeckt ist (Abb. 1k). Aufgrund der großen Oberfläche, die den Bodenmikroorganismen zur Verfügung steht, kann diese Beschichtung den Abbauprozess zusätzlich beschleunigen. Interessanterweise bemerkten wir nach drei Wochen auch sporenartige Strukturen auf BF, BO82 und BO64 (dargestellt als Pfeilspitzen in Abb. 2g – i der erweiterten Daten), die auf die unterstützende Umgebung hinweisen, die BF für das Wachstum von Bodenmikroorganismen bietet, die den biologischen Abbau von fördern können BF-angereicherte Matrizen im Boden. Während verschiedene Studien kürzlich gezeigt haben, dass der Abbau von Lignozellulose im Boden eine synergistische Wirkung mehrerer Parameter ist, darunter verschiedene Enzymfamilien, die von verschiedenen Bodenmikroorganismen abgesondert werden, Zusammensetzung der Lignozellulose und Beschaffenheit des Bodens42,43, ist ein niedriger Ligningehalt in unserem synthetischen Polymer- Freie BF-Hybride können zusammen mit der großen Oberfläche (durch das Hohllumen), die der Bodenbiota ausgesetzt ist, innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens zu deren biologischem Abbau beitragen.

Die Diffusion kleiner Moleküle (z. B. AI) in einer Festphasenmatrix wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, einschließlich Wechselwirkungen zwischen der Matrix und dem Diffusionsmittel sowie den wässrigen Pfaden (Sorption und Diffusion), die durch die Art und den Gehalt des Wassers in der Matrix bestimmt werden Matrix. Eine höhere Wasserflussrate in BF und BO82 (Abb. 2a) kann auf ihre geringe Dichte und hohe Porosität (angezeigt durch den geringen Luftwiderstand in Abb. 1h mit erweiterten Daten) und die Fülle an hohlen röhrenförmigen Fasern zurückgeführt werden, die als Autobahn für dienen Wassermoleküle44,45. Darüber hinaus zeigt die thermogravimetrische Analyse der Matrizen eine große Menge an schwer zu entfernendem (gebundenem und eingeschlossenem46) Wasser (56,5 mg g−1) und flüchtigen Stoffen (15,4 mg g−1) pro Gramm in BO82 im Vergleich zu hohem OCC -inhaltige Papiere, die einen hohen Gehalt an schwach gebundenem Wasser aufweisen (freies Wasser, angezeigt durch Gewichtsverlust zwischen 25 und 50 °C; ergänzende Abbildung 2a). Im Allgemeinen ist schwer zu entfernendes Wasser in einer Matrix für die Diffusion gelöster/suspendierter Moleküle innerhalb der Fasern verantwortlich, während freies Wasser (im Inneren der porösen Struktur eingeschlossen41) Oberflächenphänomene wie Adsorption und Trocknung beeinflusst. Der vergleichsweise höhere Gehalt an schwer zu entfernendem Wasser sowie der schnellere Wasserfluss in Papieren mit hohem BF-Gehalt (BF und BO82) weisen auf deren Tendenz hin, in Wasser gelöste/suspendierte kleine Moleküle (Pestizide, Nährstoffe) schnell zu absorbieren und zu verteilen erleichtert das Sprühen und Diffusion von AI in den Samenhüllen.

a, Absorbiertes Wasser und Geschwindigkeit der Wasserbewegung durch verschiedene Matrizen (n = 5, Fehlerbalken geben die Standardabweichung von den Mittelwerten der Menge (%) und Rate des durch BF, OCC und verschiedene Hybride sorbierten Wassers an). b, Gehalt an stark und schwach gebundenem Abm in BF-, OCC- und Hybridpapier (n = 3, Fehlerbalken stellen Standardabweichung von den Mittelwerten von stark und schwach sorbiertem Abm auf den jeweiligen Matrizen dar). c, ITC-Thermogramm, das die durch Wechselwirkungen zwischen Abm mit OCC, BF, Lignin und Cellulose freigesetzte Wärme zeigt.

Quelldaten

Für eine längerfristige Bioverfügbarkeit für PPNs sollte die Matrix langsam AI (hier Abm) freisetzen, um eine kontinuierliche Exposition gegenüber der Nematodenpopulation sicherzustellen, insbesondere während der frühen Wachstumsphase. Außerdem bindet überschüssiges Abm an den Boden, was zu einem Verlust der Bioverfügbarkeit führt24,25. Wie in Abb. 2b dargestellt, nimmt der leicht verfügbare Abm-Gehalt mit steigendem OCC-Gehalt in den Hybriden ab, während BF die maximale Menge (32 % der Gesamtbeladung) an leicht verfügbarem Abm anzeigt. OCC- und BO28-Papiere weisen kein nachweisbares schwach gebundenes Abm auf, was nicht die gewünschte Eigenschaft zur Kontrolle von PPN-Populationen während der frühen Pflanzenwachstumsphasen ist.

Um die Wechselwirkungen von Abm mit den Komponenten BF und OCC sowie den Hauptbausteinen der Lignocellulose (Cellulose und Lignin) zu entkoppeln, wurden vorläufige Messungen der isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) durchgeführt (Abb. 2c und ergänzende Abb. 2b). Alle Experimente zeigen exotherme Wechselwirkungen von Abm mit BF, OCC, Lignin und Cellulose. Die ITC-Thermogramme zwischen Abm und OCC und Lignin zeigen eine ähnliche zweistufige Bindung, bei der eine anfängliche steile Wärmeänderung bei jeder Titration in kleinere Wärmeänderungen übergeht, was auf eine Sättigung der Bindungsstellen hinweist. Im Gegensatz dazu zeigt BF mehrstufige Wechselwirkungen mit Abm, was die Bindung von Abm an verschiedenen Stellen von BF zeigt. Beim Vergleich der Wechselwirkungswärmen setzt Cellulose nur 6,9 μJ Wärme frei, was den reichlich vorhandenen -OH-Gruppen in Cellulose zugeschrieben werden kann, was zu schwächeren Wechselwirkungen mit dem hydrophoben Abm-Molekül führt (Struktur in ergänzender Abbildung 2c). Im Gegensatz dazu setzt OCC etwa 28 μJ Wärme frei, was auf eine stärkere Bindung mit Abm hinweist, während BF und Lignin ein ähnliches Ausmaß der Bindung mit Abm aufweisen, was durch ähnliche Werte der Wechselwirkungswärme von 23 μJ bzw. 21 μJ angezeigt wird. Zusammengenommen deuten das Ausmaß der Abm-Bindung und die Isothermenform (Abb. 2b, c) darauf hin, dass mehrere Faktoren an der Bestimmung des Freisetzungsprofils dieser Matrizen beteiligt sind. Während ein höherer OCC-Gehalt die Festigkeit und AI-Bindung der Matrix erhöht, sorgt BF für eine schnellere Diffusion gelöster/suspendierter Moleküle und die entsprechende mechanische Flexibilität, die für eine Samenhülle erforderlich ist. Darüber hinaus vergrößert die BF-Hohlfaserstruktur die verfügbare Oberfläche für die Adsorption und Diffusion von in Wasser gelösten/suspendierten Frachtmolekülen (AI).

Die in den vorherigen Abschnitten durchgeführten Studien deuten darauf hin, dass BO82 im Hinblick auf ein Gleichgewicht zwischen biologischer Abbaubarkeit, Freisetzung, Wasseraufnahme und Festigkeit ein geeigneter Kandidat ist. Für Feldtests wurde eine 25,4 cm breite Papierrolle (als BP bezeichnet) durch Entwässerung einer 0,3–0,5 Gew.-%igen Faseraufschlämmung bestehend aus BF und OCC in einer Zusammensetzung von 80:20 hergestellt (Abb. 3a–d). Die zufällige Ausrichtung der locker gepackten Faser- und Hohlfasermorphologie wurde mittels Röntgentomogramm und REM-Aufnahmen verifiziert (Extended Data Abb. 3a,b), während Berstindex, Porosität und mechanische Leistung optimiert wurden, um in einem ähnlichen Bereich zu bleiben BF und BO82 (Erweiterte Daten Abb. 3c und Ergänzungstabelle 2). Das Eindringen von Tomatenwurzeln durch ein intaktes Papier (Abb. 3e) zeigte ein Gleichgewicht in Festigkeit und Wurzeldurchdringungsprofil. Interessanterweise stellten wir fest, dass BP nach einem Monat im Boden reichlich Sporen von Bodenmikroorganismen aufwies (Abb. 3f). Diese Beobachtung weist darauf hin, dass es durch die Aktivität von Mikro- und Makroorganismen dazu neigt, biologisch zu Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht abgebaut zu werden47.

a–d, Fotos, die die Papierherstellung auf einer Fourdrinier-Maschine aus einer Faseraufschlämmung aus dem Stoffauflaufkasten (a) zeigen, die gleichmäßig verteilt und entwässert wird, um auf der Siebpartie (b) eine feuchte Faserbahn zu erzeugen, und nach weiterer Entfernung von Wasser darin die Pressen- und Trockenpartie (c), wird in eine Papierrolle (d) umgewandelt. e, Foto von Bananenpapier mit eingedrungenen Tomatenwurzeln, nachdem es 21 Tage lang zusammen mit einer Tomatenpflanze im Boden gehalten wurde. f: SEM-Bilder mit hoher und niedriger Vergrößerung des Oberflächenabschnitts von Bananenpapier, das 28 Tage lang im Boden gelagert wurde. Pfeilspitzen im unteren Mikrobild und eingekreiste Bereiche oben weisen auf das Vorhandensein von Sporen von Bodenmikroorganismen hin. g, Diagramm, das die Datenverteilung und Standardabweichung im Mittelwert der Bioverfügbarkeit von Abm aus BF, OCC, BO82 und BP nach 25-tägiger Lagerung im Boden zeigt (n = 3).

Quelldaten

Um den Einfluss der Bodenumgebung auf die Bioverfügbarkeit von AI zu verstehen, verglichen wir die Bioaktivität von Abm aus BP, OCC, BF und BO82 (Abb. 3g) in Caenorhabditis elegans-Bioassays 24, 49, nachdem wir die mit Abm beladenen Matrizen im Boden vergraben hatten verschiedene Intervalle. Die von BP gezeigte verlängerte Beibehaltung der Bioaktivität weist darauf hin, dass die W&P-Formulierung das Abm teilweise sequestrierte und so seine Wechselwirkung mit der Bodenumgebung einschränkte. Diese Ergebnisse, zusammen mit den im vorherigen Abschnitt gezeigten Wassersorptionsstudien, legen nahe, dass im Vergleich zu OCC und BF der größte Teil des auf BP aufgetragenen Abm über das eingeschlossene Wasser (schwer zu entfernen) mit der Matrix assoziiert und nicht verbleibt an der Oberfläche und wird daher unabhängig von den Hydratationszyklen (Extended Data Abb. 3d) und der Bodenumgebung langsam freigesetzt. Darüber hinaus deuten unsere vorläufigen Studien auf eine verbesserte UV-Stabilität von ansonsten photolytischem Abm48,49 hin, wenn es auf BP geladen wird (ergänzende Abbildung 3), was auf die Lagerstabilität der BP-Abm-Matrix hinweist.

Wir haben 2015 Feldversuche auf landwirtschaftlichen Betrieben in den Landkreisen Savè und Glazoué in Benin durchgeführt (Erweiterte Daten, Abb. 4). Alle Versuche zeigten eine erhebliche Verbesserung des Knollengewichts und der Knollenqualität unter Verwendung der W&P-Behandlung im Vergleich zur konventionellen Praxis der Landwirte (FP: kein BP, kein Abm; Abb. 4a–e und ergänzendes Video). Abbildung 4f zeigt auch eine beeindruckende Ertragssteigerung, nämlich 28–57 % mit Abm-beladenem BP (BP-Abm) und 27–53 % mit unbehandeltem BP als Samenhülle. Die Kontrollparzellen (FP) waren in allen Fällen die ertragsärmsten und qualitativ schlechtesten. Im Jahr 2016 wurde in allen Versuchen in den Regionen Savè und Glazoué eine Ertragssteigerung sowohl für BP-Abm- als auch für reine BP-Behandlungen beobachtet (Abb. 4g). Aufgrund starker Regenfälle (Extended Data Abb. 5) und Überschwemmungen von Feldern sind jedoch kleinere Unterschiede zwischen FP- und W&P-Behandlungen festzustellen. Im Jahr 2017 beobachten wir einen erheblichen Ertragsanstieg der behandelten (BP-Abm und BP) Pflanzen auf denselben Feldern in Savè und Glazoué (Abb. 4h). In die Studie wurden auch sechs Felder des Kreises Savalou einbezogen; Nach W&P-Behandlungen stellen wir eine Ertragssteigerung von 9–22 % fest. Im Jahr 2018 zeigten alle sechs in Savalou durchgeführten Versuche eine Ertragssteigerung von 16–40 % im Vergleich zu FP (Abb. 4i). Bemerkenswert ist, dass Feldversuche, die an fast allen Standorten durchgeführt wurden, eine Gesamtertragssteigerung von 2015 bis 2018 zeigen. Beispielsweise stieg der Ertrag bei BP-Abm-Behandlungen von 13,2 Tonnen pro Hektar (t ha-1) im Jahr 2015 auf 15,2 t ha-1 im Jahr 2018 mit gleichzeitiger Steigerung der Knollenqualität.

a–e, Fotos, die das Besprühen von Papier mit Abm auf dem Rasengelände der North Carolina State University (a), das Einwickeln eines Yamswurzelsamenstücks in Papier (b), die Ernte auf Yamswurzelfeldern (c), gesunde Knollen zeigen, die nach der W&P-Behandlung mit erhalten wurden BP-Abm (d) und mit FP hergestellte Knollen. (e). f–i, Diagramme, die die Datenverteilung und die Standardabweichung im Mittelwert (dargestellt als einzelne Beschriftungen für jeden Balken) im Ertrag von Yamswurzeln in t ha−1 in Glazoué (Gl-1, Gl-2, Gl-3, Gl-4, Gl-5), Savè (Sa-1, Sa-2, Sa-3, Sa-4, Sa-5) und Savalou (Sv-1, Sv-2, Sv-3, Sv-4, Sv-5, Sv-6) als Ergebnis von Feldversuchen, die 2015 (f), 2016 (g), 2017 (h) und 2018 (i) durchgeführt wurden; n = 5 für jede Behandlung (FP, BP–Abm und BP) in jedem Feld). j–m, Diagramme, die die Population von S. bradys pro Gramm Knollenschalen bei der Ernte in Glazoué, Savè und Savalou aus Feldversuchen zeigen, die 2015 (j), 2016 (k), 2017 (l) und 2018 (m) durchgeführt wurden; n = 3 für Peelings, die bei jeder Behandlung entfernt wurden (FP, BP–Abm und BP) in jeder Parzelle). Die Buchstaben in den Akronymen beziehen sich auf die Namen des Landkreises, während die Zahlen die Farmnummer im jeweiligen Landkreis angeben, also Glazoué, Save und Savalou, die Teil dieser Studie waren. FP = Bauernpraxis (kein Wrap, kein Abm); BP = nur Papier; BP–Abm = Abm-beladenes Papier. Fehlerbalken in allen Diagrammen geben die Standardabweichung vom arithmetischen Mittel an.

Quelldaten

Die Niederschlagsmuster variierten während der 4-Jahres-Studie stark (Erweiterte Daten, Abb. 5). Es wurde ein allgemeiner Trend beobachtet, dass weniger Niederschläge zu größeren Ertragsunterschieden zwischen behandelten und FP-Parzellen führten. Dies machte sich insbesondere in der Saison 2015 bemerkbar (Abb. 3 und Extended Data Abb. 5). In der Saison 2016–2018 fielen die Niederschläge viel stärker, und in einigen Fällen wurden Felder zeitweise überschwemmt. Beispielsweise kam es im August 2016 in Savè zu starken Regenfällen, die zu Überschwemmungen führten. In Glazoué fielen die Niederschläge im Jahr 2016 deutlich höher als im Jahr 2015, und im Jahr 2017 kam es unmittelbar nach der Pflanzung zu sehr starken Regenfällen. Darüber hinaus führte ein heftiger Septemberregen ebenfalls zu Überschwemmungen (Extended Data Abb. 5). Nematodenschäden an Wurzelsystemen können die Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens beeinträchtigen, können jedoch häufig durch die Zufuhr von überschüssigem Wasser ausgeglichen werden. Es ist wahrscheinlich, dass die in feuchteren Jahreszeiten beobachteten geringeren Ertragsunterschiede zwischen den Behandlungen auf dieses Phänomen zurückzuführen sind. Regenfälle unmittelbar nach der Pflanzung könnten zu einer Verdünnung der bereits in der W&P-Behandlung enthaltenen Abm-Mikrodosis geführt haben, wodurch diese mit der Zeit weniger wirksam wurde. Trotz der geringeren Ertragssteigerungen in feuchteren Jahren war die Verbesserung der Yamswurzelqualität durch die W&P-Behandlungen in allen Versuchen erheblich46,47.

Die statistische Datenanalyse (Erweiterte Daten, Abb. 6 und Ergänzungstabelle 3) zeigt, dass die Yamswurzelerträge in allen Jahren (P ≤ 0,01) durch W&P-Behandlungen im Vergleich zu FP gesteigert wurden (Abb. 5a). Obwohl BP-Abm im Allgemeinen unbehandeltem Papier (BP) überlegen war, war der Unterschied zwischen den beiden oft nicht zu unterscheiden (Extended Data Abb. 6a, b), was darauf hindeutet, dass BP allein einen deutlichen Vorteil gegenüber FP bot. Frühere Studien haben gezeigt, dass BP die chemische Kommunikation zwischen Wirt und Nematoden stört, indem es Wurzelexsudate des Wirts bindet und die Fähigkeit des Nematoden beeinträchtigt, die Wurzel zu lokalisieren 10 . Trockenfäule war bei FP-Behandlungen größer (P ≤ 0,01) als bei W&P (Extended Data Abb. 6c). Bemerkenswert ist hier der Unterschied in der Knollenqualität (Gewicht, Größe und Gesundheit); Landwirte gaben an, dass die BP-Abm-Behandlung immer zu längeren und größeren Knollen führte, die frei von PPN-Infektionen aussahen (Abb. 4d, e). In allen Feldversuchen wurde im Vergleich zu FP eine erhebliche Verringerung der Yamswurzelnematodenpopulationen in Knollenschalen beobachtet (Abb. 4j – m). Im Vergleich zu BP allein und Kontrollen (FP) führte die BP-Abm-Behandlung beim Pflanzen zu einer erheblichen Verringerung der endgültigen Nematodenpopulationen. Wir beobachteten eine 80-prozentige Reduzierung der endgültigen Yamswurzelnematodenpopulationen in Knollenschalen (Abb. 4j – m). Dies war nicht nur maßgeblich für die hohe Knollenqualität verantwortlich, sondern deutet auch darauf hin, dass das Risiko von Knollenschäden und -verlusten nach der Ernte durch diesen Fadenwurm erheblich verringert wurde. Die Variation der endgültigen Nematodenpopulationen war in allen vier Feldversuchsjahren durchweg gering.

a, Yamswurzelertrag in t ha−1, beeinflusst durch W&P-Behandlungen für Feldversuche 2015–2018 (lsd = 0,34, α = 0,01). b, Statistische Daten, die den Einfluss von BP-Abm-, BP- und FP-Behandlungen in Feldversuchen von 2015 bis 2018 auf die Populationsdichte von S. bradys pro Gramm Yamswurzelschale bei der Ernte und 3 Monate nach der Ernte zeigen (lsd = 1,41 bzw. 2,95). , α = 0,01). c–e, Diagramme, die die endgültige Population (Pf) von S. bradys nach der Lagerung von Knollen (hergestellt nach FP-, BP- und BP-Abm-Behandlungen) für 3 und 5 Monate in den Regionen Glazoué (c), Savè (d) und Savalou (e) zeigen (n = 3 für jede Behandlung). Die Zahlen 3 und 5 nach jedem Jahr auf den X-Achsen-Beschriftungen geben die Lagerzeit in Monaten an. An verschiedenen Standorten gesammelte Knollen wurden im selben Yamswurzelstall gelagert, daher wurde das Lagerbarkeitsexperiment unter denselben klimatischen Bedingungen durchgeführt, um eine Beeinflussung der Ergebnisse zu vermeiden. f–h, Fotos, die Yamswurzelknollen zeigen, die zur Bewertung des Knollengewichts, der Qualität und der S. bradys-Population gelagert wurden (f), einzeln beschriftete poröse Behälter, die mit Yamswurzelknollen gefüllt sind, die nach der Behandlung und FP hergestellt wurden (g) und Knollen, deren Schalen zur Probenahme entfernt wurden (h) . Die Datenanalyse in den Panels a und b besteht aus einer einfaktoriellen ANOVA für ein randomisiertes vollständiges Blockdesign mit drei Behandlungen und fünf Wiederholungen. Die kombinierte Analyse wurde wie bei einem faktoriellen Design mit drei Behandlungen (BP-Abm, BP und FP), fünf Wiederholungen, 26 Betrieben und 4 Jahren ohne Anpassungen durchgeführt. Die gesamte Datenanalyse wurde unter Verwendung des allgemeinen linearen Modellverfahrens der PC/SAS-Software (SAS Institute) durchgeführt. Die mittlere Trennung erfolgte durch den Waller-Duncan-K-Verhältnis-T-Test. Die Kästchen werden durch Quartil 1 (unten, 25. Perzentil) und Quartil 3 (75. Perzentil) begrenzt, Whisker als Minimum (Quartil 1 − 1,5 × Interquartilbereich) und Maximum (Quartil 3 + 1,5 × Interquartilbereich), der Median wird durch die Linie in definiert die Box (Interquartilbereich), der Mittelwert wird durch X dargestellt und Ausreißer werden durch Punkte dargestellt. Fehlerbalken in den Feldern a–e geben die Standardabweichung vom arithmetischen Mittel an (dargestellt als entsprechende Beschriftung).

Quelldaten

Yamswurzel gilt auch als einkommensschaffende Nutzpflanze, da sie in den „hungrigen Monaten“, in denen der Anbau anderer Nutzpflanzen nicht möglich ist, gehandelt, gelagert und konsumiert werden kann11. Gesunde Knollen aus gelagerten Yamswurzeln werden auch als Samen für die Ernte der nächsten Saison verwendet. Die Erhaltung der Knollengesundheit nach der Ernte ist eine entscheidende Herausforderung, da jährlich etwa 1 Million Tonnen Yamswurzel während der Lagerung verloren gehen50. Während beim Verlust nach der Ernte verschiedene Faktoren eine Rolle spielen, gilt der Yamswurzelnematode als Hauptverursacher, der Hausschwamm verursacht und die Knollen anfällig für Pilz- und Bakterieninfektionen macht14,20.

Das Gewicht der Yamswurzelknollen bei der Ernte wurde durch W&P-Behandlungen (Abb. 5a; P ≤ 0,01) von 2016 bis 2018 mit einer erheblichen Verbesserung gegenüber FP erhöht (geringster signifikanter Unterschied (lsd) = 31,2, α = 0,01). Nach dreimonatiger Lagerung nahm das Knollengewicht ab, wobei das durchschnittliche Knollengewicht der Behandlungen BP–Abm > BP > FP war (lsd = 26,5, α = 0,01). Der prozentuale Gewichtsverlust der Knollen wurde durch W&P-Behandlungen beeinflusst (Extended Data Abb. 6a,b; P ≤ 0,01). Knollen von FP verloren im Vergleich zu BP-Abm-Behandlungen einen größeren Prozentsatz an Gewicht, während der BP-Gewichtsverlustprozentsatz größer war als der von BP-Abm (lsd = 0,81, α = 0,01).

In allen drei Regionen stellten wir im Vergleich zu FP eine erhebliche Verringerung der S. bradys-Endpopulation in den behandelten (BP-Abm und BP-allein) Knollenschalen fest (Abb. 5b). Die statistische Analyse der Knollenlagerdaten zeigt, dass W&P-Behandlungen bei der Ernte zu einer geringeren (P ≤ 0,01) S. bradys-Populationsdichte pro Gramm Schalen führten als FP (Abb. 5b und Ergänzungstabelle 4). Die BP-Abm-Behandlung wies deutlich geringere Nematodenpopulationsdichten auf als unbehandeltes BP, das auch niedriger war als FP (lsd = 1,41, α = 0,01). Während der Reproduktionsfaktor und die Anzahl von S. bradys in Yamswurzelknollenschalen nach der Lagerung in den Knollen zunahmen (Abb. 5b – e), waren weiterhin Behandlungsunterschiede in der Populationsdichte vorhanden (P ≤ 0,01). FP hatte eine größere Anzahl als BP-Behandlungen, was wiederum größer war als die BP-Abm-Behandlung (lsd = 2,95, α = 0,01).

Nach 5-monatiger Lagerung wurde eine 2,5- bis 3-fache Vermehrung der S. bradys-Population in Knollen beobachtet, die durch FP-Behandlung erzeugt wurden, während die Populationsvermehrung bei den Knollen, die mit BP-Abm-Behandlung hergestellt wurden, zwischen dem 1,5- und 2-fachen lag unter ähnlichen Bedingungen und Dauern (Abb. 5c – e). In Kombination mit den geringeren Ausgangspopulationen in W&P-behandelten Knollen zu Beginn der Lagerung ist dies eine beeindruckende Reduzierung der Yamswurzelnematodenbelastung. Der Gewichtsverlust der Knollen während der Lagerung kann teilweise mit dem Feuchtigkeitsverlust durch das Trocknen der Knollen bei hohen Umgebungstemperaturen (25–30 °C) zusammenhängen. Den größten Anteil am Gewichtsverlust der Yamsknolle während der Lagerung hat jedoch S. bradys, der die Qualität, den Nährwert und die Marktfähigkeit der Knollen stark beeinträchtigt. Im Vergleich zu Kontrollen (FP) zeigen behandelte Knollen bei einer Lagerung von 3 und 5 Monaten einen geringeren Gewichtsverlust (Extended Data Abb. 6a–b und 7a–c). Wir beobachten auch eine Verringerung von Trockenfäule und Rissbildung in den mit W&P behandelten Knollen über einen Zeitraum von 3 und 5 Monaten Lagerung in allen drei Regionen (Extended Data Abb. 6c und 7d–f).

Um die Wahrnehmung der W&P-Technologie durch die Landwirte und ihre Marktfähigkeit zu bewerten, wurden drei große Studien in den Regionen Savè, Savolou und Glazoué durchgeführt (Ergänzungsvideo). Ein durchschnittliches Kosten-Gewinn-Verhältnis von 79,3 % für nach BP-Abm-Behandlungen hergestellte Yamswurzeln im Vergleich zu 59,93 % nach FP-Behandlungen zeigt, dass die Yamswurzelproduktion mittels W&P-Behandlung im Hinblick auf variable und feste Produktionskosten wirtschaftlich rentabel ist51. Die durch die BP-Abm-Behandlung erzielte Nettomarge von 1.112.080 Francs der Afrikanischen Finanzgemeinschaft pro Hektar (FCFA ha-1) ist 153,7 % höher als die von FP (723.498 FCFA ha-1), während mit BP allein behandelte Yamswurzeln eine Nettomarge generierten von 768.515 FCFA ha−1. Insgesamt erhielten die Landwirte aufgrund der höheren Qualität und des besseren Aussehens einen viel höheren Preis für mit W&P behandelte Knollen als für von FP produzierte Knollen.51 Es bleibt abzuwarten, wie hoch die Kosten für die Kommerzialisierung dieser Technologie sein werden. Dies ist ein Weg, der untersucht wird, mit dem Ziel, diese Technologie für Kleinbauern so kostengünstig und zugänglich wie möglich zu machen.

Wir haben auch die Wirkung der BP-Abm-Behandlung auf die organoleptischen Eigenschaften von Yamswurzelknollen untersucht, indem wir Attribute wie Vegetation, Ernte, Lebensmittelverarbeitung und Schmackhaftigkeit von Yamswurzelknollen untersucht haben, die durch W&P-Behandlung hergestellt wurden52. Die hohen Bewertungsindizes für gekochte und zerstoßene Yamswurzel, die durch W&P-Behandlung hergestellt wurde, lieferten bei den Verbrauchern starke Unterstützung für die Einführung der W&P-Technologie für eine bessere Yamswurzelproduktion in Westafrika52. Die Reaktion verschiedener Interessengruppen, darunter Landwirte, Yamswurzel-basierte Lebensmittelverarbeiter und Händler, wurde anhand der Vegetations-, Ernte- und Knollenverarbeitungsstadien von W&P-behandelter Yamswurzel im Vergleich zu FP aufgezeichnet. In Savalou und Savè stellten die sensorische/organoleptische Qualität von Lebensmitteln aus BP-Abm-behandelten Knollen sowie die nematologischen und agronomischen Aspekte Schlüsselkomponenten für die Präferenz der Yamswurzel-Stakeholder für die Einführung dieser Innovation im Zusammenhang mit der Yamswurzelproduktion dar. In Glazoué waren jedoch nematologische und agromorphologische Deskriptoren bei der Auswahl von BP für die Yamswurzelproduktion wichtiger52. Insgesamt zeigt die Studie die Präferenz von Yamswurzel-Interessenvertretern aus der Zentralregion Benins für die W&P BP-Abm-Behandlung, basierend auf der Qualität der Knollen und der daraus gewonnenen Lebensmittel (z. B. Mehl).

Zusammenfassend haben wir eine robuste, flexible Plattform für nachhaltigen Pflanzenschutz für Kleinbauern entwickelt, indem wir Abfälle aus der Bananenernte und alte Wellpappkartons auf einem unkomplizierten, chemikalienfreien Weg recyceln. Feldversuche in drei verschiedenen Regionen Benins zeigten eine erhebliche Steigerung des Ertrags und der Qualität von Pflanzen aus Knollen, die entweder mit Abm-beladenem oder unbehandeltem Bananenpapier behandelt wurden. Erhebliche Verringerungen der Reproduktionsfaktoren von Yamswurzelnematoden (S. bradys) in Knollenschalen nach drei- und fünfmonatiger Lagerung zeigen die Wirksamkeit der W&P-Plattform bei der Reduzierung von Nachernteverlusten. Darüber hinaus bot mit Abm beladenes Bananenpapier den größten Schutz vor Trockenfäule und Rissbildung, gefolgt von Bananenpapier allein. Neben verlängerter Freisetzung, einstellbarer Stärke, Bodenintegrität und reduzierter AI-Photolyse ist die W&P-Technologie eine Festphasenbehandlung, für deren Anwendung keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist. Eine einzelne Behandlung mit einer extrem geringen Menge an künstlicher Intelligenz (1/100 oder weniger einer kommerziellen Formulierung) senkt die Kosten und minimiert gleichzeitig unerwünschte Wirkungen. Sowohl die Wahrnehmung der Landwirte als auch der Verbraucher hinsichtlich der W&P-Technologie, der Lebensmittelqualität und der Zubereitung von Yamswurzelmehl zeigte eine starke Präferenz für mit Abm-Bananenpapier behandelte Yamswurzeln, wobei Bananenpapier allein auch die Praxis der Landwirte in Bezug auf Qualität und Lagerung übertraf. In Zukunft wird diese Plattform für strukturelle Modifikationen wie Beutel, Slips und Setzlingsschalen geeignet sein, um Skalierbarkeit, einfache Anwendung und KI-Bereitstellung zu gewährleisten. Die abstimmbare Beschaffenheit unserer Saatgutverpackungen ist auch ein vielversprechendes Merkmal für die Bereitstellung anderer Pflanzenproduktionseinheiten, wie Makro- und Mikronährstoffe, biologischer Wirkstoffe oder Insektizide und Fungizide, mit Anwendung für Kleinbauernhöfe, Bioproduzenten und potenziell größere Produzenten.

Bananenfasern (Musa acuminate) wurden von der Agricultural Industrial Unit der Earth University, Costa Rica, bezogen. OCC-Boxen wurden in der Papierpilotanlage des Bundesstaates North Carolina beschafft. Abm (97 %) wurde von Alfa Aesar geliefert. Der Caenorhabditis elegans-Stamm N2 (Wildtyp) wurde vom Caenorhabditis Genetics Center erhalten. Aceton in Reagenzienqualität (99,5 %) und Acetonitril in Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC)-Qualität (99,8 %) wurden von Millipore Sigma bezogen. Der Farbstoff Rhodamin B (≥95 %) wurde von Millipore Sigma gekauft und ohne weitere Reinigung verwendet. Für die Messung des Ligningehalts wurden von Fisher Scientific Natriumthiosulfatlösung (0,2 N), Kaliumiodidlösung (1 N), Schwefelsäure (4 N), Kaliumpermanganatlösung (0,1 N) und ein Stärkeindikator bereitgestellt. Während der gesamten Experimente wurde entionisiertes (DI) Wasser (pH 5,77 ± 0,13) verwendet, außer bei der Papierherstellung und beim Sprühen für Feldversuche.

Um Handblätter aus BF-, OCC- und Hybridfaseraufschlämmungen herzustellen, wurden die Fasern separat oder in verschiedenen Zusammensetzungen (Ergänzungstabelle 1) über Nacht in Wasser eingeweicht und auf eine Konsistenz von 1,57 % verdünnt, bevor sie 3 Minuten lang im Talschläger geschlagen wurden, gemäß der Technical Association of die T200-Standardmethode der Zellstoff- und Papierindustrie (TAPPI). Zur Herstellung von mindestens zehn runden Handbögen pro Zusammensetzung (15,88 cm Durchmesser mit einem Flächengewicht von 70 g/m²) aus dem Zellstoff wurde eine Standard-Laborform für britische Handbögen gemäß der Standardmethode TAPPI T205 verwendet. Nach Auswahl der endgültigen Zusammensetzung für die W&P-Matrix wurden OCC und BF gemischt und zu einer Zellstoffaufschlämmung mit einer Konsistenz von 1,57 % verarbeitet, indem die Fasern 3 Minuten lang in einem Talschläger in Wasser mechanisch zerkleinert (raffiniert) wurden. Zur Herstellung einer 25,4–30,48 cm breiten Papierrolle wurde eine 30,48-cm-Fourdrinier-Papiermaschine verwendet (Abb. 3a–d). Die vorbereitete Faseraufschlämmung wurde über Nacht im Tank gelagert. Diese Aufschlämmung wurde dann über einen offenen Stoffauflaufkasten (Abb. 3a) in eine Folie umgewandelt, um die Suspension zur anfänglichen Entwässerung gleichmäßig auf dem Siebabschnitt zu verteilen (Abb. 3b). In der Pressenpartie wurde der nassen Bahn weiter Wasser entzogen, gefolgt von einer Trocknung durch beheizte Zylinder in der Trockenpartie, ähnlich dem Prozess bei Papiermaschinen im industriellen Maßstab. Das Papier wurde kontinuierlich auf eine Rolle gewickelt (Abb. 3d). Das angestrebte Flächengewicht (Gewicht pro Fläche) betrug 70–80 gm−2. Das Papier (Handblätter und Papierrolle) wurde bei 23 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % konditioniert, bevor die Dichte, der Luftwiderstand (Gurley-Methode), die Berstfestigkeit und der Ligningehalt gemäß den Tests TAPPI T410, T460, T810 bzw. T236 getestet wurden .

Ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (Verios FE1) wurde verwendet, um die Morphologie verschiedener Proben zu charakterisieren, die vor der Charakterisierung durch Beschichten mit einer 10 nm dicken Goldschicht leitfähig gemacht wurden, während die Beschleunigungsspannung bei 2,0 kV gehalten wurde. Typischerweise wurden drei Querschnitte verschiedener Proben jeder Papiersorte mit fünf verschiedenen Vergrößerungen gescannt, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen. Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopiedaten wurden mit einem Perkin Elmer Frontier-Spektrometer gesammelt, das mit einer abgeschwächten Diamant/ZnSe-Totalreflexionsstufe ausgestattet war. Es wurden jeweils 64 Scans durchgeführt, während auf die Daten über die OMNIC-Software zugegriffen wurde. Ein thermogravimetrischer Analysator SDT von TA Instruments wurde verwendet, um den freien und schwer zu entfernenden Wassergehalt jeder Probe mittels thermogravimetrischer Analyse zu messen. Eine Probe von 10–12 mg wurde mit einer Geschwindigkeit von 10 °C min−1 erhitzt, um den Gewichtsverlust bei 50, 90 und 120 °C zu bestimmen. Die mechanische Leistung der Proben wurde mithilfe eines dynamisch-mechanischen Analyseaufsatzes auf einem TA Instruments Discovery Series Hybrid Rheometer HR-3 untersucht. Rechteckige Proben mit einer Länge von 30 mm und einer Breite von 10 mm wurden an beiden Enden mit einem auf 15 mm festgelegten Belastungsspalt und einer konstanten Zuggeschwindigkeit von 3 mm min−1 eingespannt. Die minimale Kraft zum Aufzeichnen, um jegliches Durchhängen der Proben zu beseitigen, wurde auf 0,1 N eingestellt. Die Dicke jeder Probe wurde mit einem Mikrometer-Schraubenmessgerät gemessen. Von jeder Probe wurden mindestens drei Proben ausgewertet und für alle Proben ein Mittelwert ermittelt.

Um das Ausmaß der Bindung zwischen den Matrizen und AI (in diesem Fall Abm) abzuschätzen, haben wir ein 1 cm2 großes Stück Matrix, das mit 10 ppm Abm in 10 ml entionisiertem Wasser beladen war, 5 Minuten lang beschallt. Das gleiche Stück Papier wurde später in 10 ml Aceton überführt und 30 Minuten lang kräftig geschüttelt, um eine vollständige Auflösung von Abm sicherzustellen. Die HPLC-Analyse der Aliquots ergab eine Schätzung für schwach gebundenes AI, das in den ersten 5 Minuten in entionisiertem Wasser freigesetzt wurde, und für stark anhaftendes Abm, das in Aceton gesammelt wurde. Alle Experimente wurden dreifach durchgeführt. Um die Art der Wechselwirkungen zwischen Abm und Komponenten von Hybridmatrizen (BF und OCC) und ihren Bausteinen (Lignin und Cellulose) zu verstehen, wurde ITC mit einem isothermen Titrationskalorimeter (NanoITC, TA Instruments) von TA Instruments bei 298 K durchgeführt. A 2,5 Eine 10−6 M Abm-Lösung in DI:Aceton (Volumenverhältnis 95:5) wurde in eine 170-ml-Zelle titriert, die zunächst die Titriermitteldispersionen (BF, OCC, Lignin oder Cellulose) (0,001 Gew.-%) im gleichen Lösungsmittel enthielt (DI:Aceton) über 20 Injektionen zu je 2,45 µl. Die Injektionen waren vorprogrammiert und wurden automatisch in 250-s-Intervallen bei einer Rührgeschwindigkeit von 350 U/min durchgeführt. Der Zeitabstand zwischen den Injektionen wurde so gewählt, dass sichergestellt ist, dass vor der nächsten Injektion ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht wird. Die Basislinie vor der ersten Injektion und nach der letzten wurde 100 s lang erfasst. Das Experiment zur Verdünnung der Abm-Lösung mit dem Lösungsmittel (DI:Aceton im Volumenverhältnis 95:5) wurde durchgeführt, um Daten bezüglich der Verdünnungswärme des Titriermittels zu sammeln. Die Abhängigkeit der Wechselwirkungswärme vom Verhältnis von Abm:Titriermittel wurde durch Berechnung der Fläche der bei jeder Injektion erhaltenen Peaks ermittelt. Jedes Titrationsexperiment wurde dreifach durchgeführt.

Eine INTELLI-RAY 400 UV-Lampe mit einer Intensität von 50 mW cm-2 wurde verwendet, um drei Replikate von nur Abm (auf Kopierpapier), BP-Abm-, Abm-BF- und Abm-OCC-Proben 30, 60 Minuten lang UV-Licht auszusetzen , 120 und 180 Minuten (Ergänzende Abbildung 3). Der Abm-Gehalt wurde bei etwa 10 ppm pro Gramm Probe gehalten. Die Proben wurden eine Stunde lang in Aceton gerührt, um eine vollständige Auflösung von Abm sicherzustellen, was mittels HPLC bestimmt wurde.

Die Feldstudie wurde von 2015 bis 2018 in der Guinea-Sudan-Übergangszone von Benin (Zentrum von Benin, Westafrika) in drei Distrikten durchgeführt: Glazoué (Standort von Houin), Savalou (Standort von Agbadogo) und Savè (Standort von Gobé). . Drei aufeinanderfolgende Jahre lang wurden Experimente auf insgesamt 16 Bauernfeldern in Glazoué (Gl-1, Gl-2, Gl-3, Gl-4 und Gl-5) und Savè (Sa-1, Sa-2, Sa-3, Sa-4 und Sa-5) und zwei aufeinanderfolgende Jahre in Savalou (Sv-1, Sv-2, Sv-3, Sv-4, Sv-5 und Sv-6). Die Akronyme beziehen sich auf die Namen der verschiedenen landwirtschaftlichen Betriebe, die Teil dieser Studie waren. Das Klima, in dem die Versuche durchgeführt wurden, ist die tropische feuchte Savanne Guinea-Sudans mit einem Übergangsregime zwischen einer bimodalen Niederschlagsverteilung (südlicher Benin) und einer unimodalen Niederschlagsverteilung (nördlicher Benin). Die durchschnittliche jährliche Niederschlagsmenge in der Übergangszone liegt zwischen 900 und 1.200 mm mit saisonalen Schwankungen und ungleicher Verteilung, was durch den zunehmenden Klimawandel noch verschärft wird. Die meisten Böden in dieser Region werden als tropische eisenhaltige Böden53 mit sandiger Lehmstruktur klassifiziert (Ergänzungstabelle 5). Die Standorte Agbadogo und Gobé liegen im Tiefland (mäßig gut durchlässige Böden), während Houin auf einem Plateau liegt (gut durchlässige Böden).

Feldaktivitäten wurden in der subhumiden agroökologischen Savannenzone durchgeführt, einer der wichtigsten Yamswurzel-Produktionsregionen Benins (Erweiterte Daten, Abb. 4a). Zur vorläufigen Beurteilung des Ausmaßes des Nematodenbefalls wurden Bodenproben entnommen. Nach der Probenanalyse wurde das Feld mit der höchsten Nematodenpopulationsdichte ausgewählt. Daher wurden insgesamt zehn Felder (fünf pro Standort) für den Versuch ausgewählt. Die Felder wurden von der Vegetation befreit und nach den Methoden des Yamswurzelanbaus wurden Hügel errichtet. Die Hügel wurden entsprechend dem Versuchsdesign beschriftet (Extended Data Abb. 4b – d). Jeder Feldversuch wurde in einem randomisierten vollständigen Blockdesign mit fünf Wiederholungen und drei Behandlungen angeordnet (Extended Data Abb. 4e): Parzellen mit einem Abstand von 2 m enthielten vier Reihen mit sechs Hügeln. In jedem Feld wurde der Versuch in einem randomisierten vollständigen Blockdesign mit fünf Wiederholungen und drei Behandlungen angeordnet (Extended Data Abb. 4d): (1) Bananenpapier + Abm (BP-Abm); (2) Bananenpapier allein (BP); und (3) unbehandelte Kontrolle (als Farmer's Practice, FP bezeichnet), bei der Yamswurzeln ohne Bananenpapier gepflanzt wurden. Jede BP-Abm-Hülle (15,25 × 20,25 cm2) enthielt 10 µg Abm. Dies führte zu Parzellen mit Abm-Werten von 1,0 g ha−1 oder 4,54 ppb.

Nachdem die Hügel für die Bepflanzung vorbereitet und nach den Behandlungen beschriftet worden waren, wurden Bodenproben entnommen, um die Nematodenpopulationsdichten vor der Bepflanzung abzuschätzen. Pro Parzelle wurden vier Bodenkerne aus einer Tiefe von 5 bis 30 cm mit einer Handkelle nach einem Zick-Zack-Muster entnommen54. Bodenkerne aus derselben Parzelle wurden kombiniert und gründlich gemischt, bevor eine 250 cm3 große Mischprobe zur Nematodenextraktion unter Verwendung der in Lit. beschriebenen Zentrifugationstechnik entnommen wurde. 55. Auf den Feldern gefundene PPNs gehörten mindestens zu einer der drei wichtigsten Gattungen: Scutellonema spp., Meloidogyne spp. und Pratylenchus spp. Die Felder wiesen eine anfängliche Nematodendichte von mindestens 500 Nematoden pro 250 cm3 Boden auf.

Jeder Hügel wurde mit Einzelsamen-Yamswurzel (Sorte Klatchi des Komplexes Dioscorea cayenensis-rotundata) bepflanzt, die je nach Behandlung mit Bananenpapier umwickelt war oder nicht. Die Yamswurzeln für das erste Versuchsjahr wurden in nematodenfreiem Boden unter Verwendung der Miniset-Technik56 produziert. Für die folgenden Jahre wurden Yamswurzeln von Landwirten gekauft, die zuvor für die Produktion nematodenfreier Yamswurzeln geschult worden waren. Kurz gesagt, sie richteten die Plantage mit behandelten Muttersamen-Yamswurzeln ein, ernteten dann von Juli bis September die Knollen und hielten die Reben auf den Hügeln. Kleine Knollen, die von September bis Dezember aus den Wurzeln dieser Reben entstanden, wurden in den folgenden Jahren als saubere Saat-Yamswurzeln verwendet. Es wurden keine Düngemittel ausgebracht und die Bepflanzung und andere Kulturarbeiten wurden von den Landwirten gemäß den örtlichen Gepflogenheiten durchgeführt. Die Pflanzung erfolgte zu Beginn der ersten Regenzeit (8.–11. Juni 2015, 13.–16. Mai 2016, 26. April–29. Mai 2017, 8. Mai 2018) und die Knollen wurden 7 bis 8 Monate später geerntet, als die Reben vollständig getrocknet waren. Typische FP besteht darin, das Yamswurzelsamenstück ohne weitere Eingaben in den Hügel zu pflanzen. Die FPs variieren je nach Betrieb, die Unkrautbekämpfung erfolgt jedoch, wenn sie auftritt, durch manuellen Anbau und es wird kein Dünger auf die Hügel gegeben. Es werden keine landwirtschaftlichen Chemikalien zur Insekten- oder Krankheitsbekämpfung eingesetzt. Der Anbau von Yamswurzeln ist sehr aufwandsarm und arbeitsintensiv, da die Pflanzenbewirtschaftung manuell erfolgt.

Die Bewertung der Wirksamkeit der W&P-Technologie nach der Ernte wurde 2016 initiiert, um die Wirkung von Behandlungen auf die Zunahme der Nematodenpopulation, den Gewichtsverlust der Yamswurzelknollen und die Qualität nach der Lagerung zu untersuchen. Die Knollen wurden geerntet und die Erträge als kumulatives Gewicht aller Hügel bestimmt und in Gramm pro Quadratmeter ausgedrückt. Die Wirkung von W&P auf die Lagerfähigkeit der Knollen wurde nach drei- und fünfmonatigen Lagerzeiten bewertet. Zwei Knollen wurden bei der Ernte zufällig von einzelnen Parzellen gesammelt, in Plastiktüten angeordnet und weiter in einer überdachten, seitlich offenen Yamswurzelscheune gelagert (Abb. 5f), um den Aufbau der Nematodenpopulation und den Knollenschaden zu beurteilen. Das Gewicht von zwei Knollen pro Parzelle, die für Nacherntestudien verwendet wurden, wurde vor und nach der Lagerung aufgezeichnet und der prozentuale Gewichtsverlust wurde wie folgt berechnet:

An verschiedenen Standorten gesammelte Knollen wurden im selben Yamswurzelstall gelagert, daher wurde das Lagerbarkeitsexperiment unter denselben klimatischen Bedingungen durchgeführt, um eine Beeinflussung der Ergebnisse zu vermeiden. Der Standort des Lagerfähigkeitsexperiments liegt in der subhumiden Savannenregion mit einem subäquatorialen Klima, das durch zwei Regenzeiten von Mitte März bis Mitte Juli und Mitte September bis Mitte November gekennzeichnet ist, die sich mit zwei Trockenzeiten abwechseln. Die jährliche durchschnittliche Niederschlagsmenge liegt zwischen 1.000 und 1.200 mm und die Jahresmitteltemperatur zwischen 25 und 30 °C.

Die Populationsdichten der Nematoden wurden bei der Ernte anhand von Knollen und Bodenproben geschätzt. Um die Dichte der Knollennematodenpopulation zu bestimmen, wurden Probenschalen (äußere Kortikalis) mit einem Küchenschäler von einer 5 × 5 cm2 großen Fläche auf vier Seiten jeder der drei Knollen entfernt (modifiziert aus Lit. 18; Abb. 5g, h und Zusatzvideo). . Anschließend wurden die Knollenschalen derselben Parzelle gründlich gemischt und 25 g Schalen zur Nematodenextraktion mithilfe der Zentrifugationstechnik entnommen. Für Bodennematoden wurden Bodenteilproben aus den Knollenzonen in den mittleren Hügeln entnommen und eine zusammengesetzte Bodenprobe von 250 cm3 pro Parzelle entnommen und zur Populationsschätzung verarbeitet. Anschließend wurden die Nematoden morphologisch identifiziert und unter einem Olympus CX31-Präpariermikroskop bei 20-facher Vergrößerung gezählt.

Nach dem im vorherigen Absatz beschriebenen Verfahren wurden auch Nematoden in gelagerten Knollen aus 25 g Yamswurzelschalen extrahiert. Der Aufbau der S. bradys-Population während der Lagerung wurde bei der Yamswurzelernte und nach der Lagerung bestimmt. Der Reproduktionsfaktor (Rf) für S. bradys während der Lagerung wurde dann wie folgt berechnet:

Vor dem Entfernen der Schale wurden die Knollenproben bei der Ernte und nach drei oder fünf Monaten Lagerung einer visuellen Beurteilung der Nematodensymptome unterzogen. Der Schweregrad der Hausschwamm- und Risssymptome wurde auf einer Skala von 1 bis 5 wie folgt bewertet: 1 = saubere Knolle; 2 = 1–25 % der Knollenhaut zeigt gezielte Symptome (geringe Schädigung); 3 = 26–50 % der Knollenhaut zeigen gezielte Symptome (geringe bis mäßige Schädigung); 4 = 51–75 % der Knollenhaut zeigen gezielte Symptome (mittlerer bis schwerer Schaden); und 5 = 76–100 % Knollenhaut mit den angestrebten Symptomen (hoher Schadensgrad)28,57,58.

Die Datenanalyse für jeden Standort bestand aus einer Varianzanalyse (ANOVA) für ein randomisiertes vollständiges Blockdesign mit drei Behandlungen (FP, BP und BP-Abm) und fünf Wiederholungen. Die Jahresergebnisse wurden kombiniert, um die Unterschiede zwischen den Jahren zu ermitteln. Die gesamte Datenanalyse wurde unter Verwendung des allgemeinen linearen Modellverfahrens der PC/SAS-Software (SAS Institute) durchgeführt. Der LSD wurde für die mittlere Trennung verwendet. Da wir erhebliche Unterschiede in den Niederschlagsmustern und Anbaupraktiken zwischen Betrieben und Jahren beobachteten, wurden jedes Jahr und die Daten zwischen Betrieben innerhalb jedes Jahres separat analysiert.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel als separate Quelldatendateien und ergänzende Informationsdateien enthalten. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

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Diese Arbeit wurde ganz oder teilweise von der Bill & Melinda Gates Foundation (OPP1118810 und OPP1196989) unterstützt. Gemäß den Förderbedingungen der Stiftung wurde der vom Autor akzeptierten Manuskriptversion, die aus dieser Einreichung entstehen könnte, bereits eine generische Creative Commons Attribution 4.0-Lizenz zugewiesen. Diese Arbeit wurde teilweise an der Analytical Instrumentation Facility (AIF) der North Carolina State University durchgeführt, die vom Bundesstaat North Carolina und der National Science Foundation unterstützt wird (Auszeichnungsnummer ECCS-1542015). Das AIF ist Mitglied des North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network (RTNN), einem Standort der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI). Die Autoren möchten sich auch beim Kenan Institute for Engineering, Technology & Science an der NC State University bedanken. AA dankt H. Dedehouanou, F. Chadare, A. Badou und dem technischen Personal der Nematologie-Abteilung der Universität Abomey-Calavi für ihren Beitrag zur Studie über die Wahrnehmung der W&P-Technologie und der Feldversuche durch Yam-Stakeholder.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: T. Pirzada, A. Affokpon.

Diese Autoren haben diese Arbeit gemeinsam betreut: SA Khan, CH Opperman.

Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik, North Carolina State University, Raleigh, NC, USA

Tahira Pirzada & Saad A. Khan

Fakultät für Pflanzenwissenschaften, Fakultät für Agrarwissenschaften, Universität Abomey-Calavi (UAC), Abomey-Calavi, Benin

Antoine Affokpon

Abteilung für Entomologie und Pflanzenpathologie, North Carolina State University, Raleigh, NC, USA

Richard H. Guenther, Reny Mathew, Tim L. Sit, Stephen R. Koenning, Eric L. Davis und Charles H. Opperman

Abteilung für Waldbiomaterialien, North Carolina State University, Raleigh, NC, USA

Sachin Achat, Aitana Blevins, Medwick V. Byrd und Lokendra Pal

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TP, AA, RM, RHG, LP, AB, TLS, MVB und SA trugen alle zu den Experimenten bei. TP und AA haben den Artikel geschrieben. CHO und SAK leiteten das Projekt. TP, AA, RGH, LP, SRK, CHO und SAK trugen zur Analyse und Interpretation der Daten bei. Alle Autoren beteiligten sich an der Diskussion und der kritischen Durchsicht des Manuskripts.

Korrespondenz mit Charles H. Opperman oder Saad A. Khan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Food dankt Hannah Karuri, Fathiya Khamis und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

REM-Bilder zeigen Oberflächenabschnitte von Papier aus (a) Bananenfasern (BF) und (b) OCC. REM-Bilder zeigen Variationen in der Fasermorphologie der Querschnitte der Handblätter, die aus in verschiedenen Anteilen gemischten BF:OCC-Fasern entwickelt wurden, (c) BO82 (80:20), (d) BO64 (60:40), (e) BO46 (40:60) und (f) BO28 (20:80). Drei unabhängige Replikate jeder Probe wurden mit fünf verschiedenen Vergrößerungen gescannt, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen. Diagramme, die die Variation der (g) Berstindizes und (h) der Dichte und des Luftwiderstands (im umgekehrten Verhältnis zur Porosität) der aus BF, OCC und Hybridfasern (BO) hergestellten Handblätter zeigen. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der jeweiligen Mittelwerte von 10 unabhängigen Replikaten dar. Handblätter.

Quelldaten

(ad) Fotos, die das Design von Bodenintegritätsstudien im Gewächshaus unter Verwendung von Tomatenpflanzen als Bioindikator zeigen. (e) Schematische Darstellung, die das Design des „W&P“-Tests basierend auf Bodenintegritätsstudien vorschlägt. (f) Fotos, die verschiedene Proben vor und nach der Lagerung im Boden für 7, 14 und 21 Tage zeigen. REM-Bilder zeigen den Oberflächenabschnitt von (g) BF, (h) BO82, (i) BO64, (j) BO46, (k) BO28 und (l) OCC nach der Entfernung aus dem Boden nach 21 Tagen. Rote Pfeilspitzen zeigen Sporen von Bodenmikro-/Makroorganismen. Typischerweise wurden drei unabhängige Replikate jeder Probe mit fünf verschiedenen Vergrößerungen gescannt, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen.

(a) Röntgentomograph, der die zufällige dreidimensionale Ausrichtung und lose Packung der Fasern in Bananenpapier zeigt. Um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen, wurden zwei unabhängige Replikate des Bananenpapiers mit unterschiedlichen Vergrößerungen und an verschiedenen Orten gescannt. (b) SEM-Bilder mit hoher und niedriger Vergrößerung, die die Morphologie eines Querschnitts von Bananenpapier zeigen. Drei unabhängige Replikate des Papiers wurden mit fünf verschiedenen Vergrößerungen gescannt, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen. (c) Spannungs-Dehnungs-Diagramm von so zubereitetem Bananenpapier (BP-0) und nach 7 (BP-7), 14 (BP-14) und 21 Tagen (BP-21) Lagerung im Boden. Typischerweise werden drei unabhängige Replikate jeder Probe getestet, um die Reproduzierbarkeit der Daten zu überprüfen. (d) Diagramm, das die Bioverfügbarkeit von Abm aus BF, OCC, BO82 und BP nach 15 Hydratationszyklen (n = 3) zeigt. Fehlerbalken zeigen jeweils die Standardabweichung der mittleren Bioverfügbarkeitsdaten.

Quelldaten

(a) Karte mit den Regionen Savé (grün), Glazoué (orange) und Savalou (rot) in Benin. Die Basiskarte wurde ohne Genehmigung unter Verwendung von Daten aus der Database of Global Administrative Areas (GADM; https://gadm.org/) angewendet. ). (bd) Fotos, die die Vorbereitung und Einrichtung von Yamswurzelfeldern zeigen. (e) Schematische Darstellung des randomisierten vollständigen Blockdesigns eines Feldes mit Parzellen, die mit mit Abamectin beladenem Bananenpapier (BP-Abm), nur Bananenpapier (BP) und einer unbehandelten Kontrolle behandelt wurden, die als Farmers' Practice (FP) bezeichnet wird.

Niederschlagsdaten für Savé (2015–2017), Galzoué (2015–2017) und Savalou (2017–2018).

Quelldaten

Daten zeigen (a) das Gewicht der Yamsknolle (g/Knolle) bei der Ernte und 3 Monate nach der Ernte (geringster signifikanter Unterschied (LSD) 31,2 bzw. 26,5 α = 0,01), (b) den prozentualen Gewichtsverlust der Knollen nach 3-monatiger Lagerung. (lsd = 0,81, α = 0,01), (c) Yamswurzelfäule auf einer Skala von 1 bis 5, beeinflusst durch W&P-Behandlungen (lsd = 0,10, Alpha 0,01) und (d) Reproduktionsfaktor 3 Monate nach der Ernte (Rf 3 = Populationsdichte nach 3 Monaten / anfängliche {Ernte}-Populationsdichte / g Yamswurzelschale) für Scutellonema bradys (lsd = 0,12, α = 0,01), (e) Einfluss von W&P-Behandlungen auf die endgültige Populationsdichte von Scutellonema bradys pro Gramm Yamswurzelschale von 2015–2018 (geringster signifikanter Unterschied = 1,41, α = 0,01) und (f) Populationsdichte (Pf3/g Yamswurzelschale) 3 Monate nach der Ernte für Scutellonema bradys, wie von W&P-Behandlungen von 2016–2018 betroffen (lsd = 2,95, α = 0,01). Die Datenanalyse bestand aus einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) für ein randomisiertes vollständiges Blockdesign mit drei Behandlungen und fünf Wiederholungen. Die kombinierte Analyse wurde wie bei einem faktoriellen Design mit drei Behandlungen (BP-Abm, BP und FP), fünf Wiederholungen, 26 Betrieben und vier Jahren ohne Anpassungen durchgeführt. Die gesamte Datenanalyse wurde unter Verwendung des allgemeinen linearen Modellverfahrens (PROC GLM) der PC/SAS-Software (SAS Institute, Cary, NC) durchgeführt. Die mittlere Trennung wurde durch den Waller-Duncan-K-Verhältnis-t-Test ermittelt. Die Kästchen werden durch Q1 (unten, 25. Perzentil) und Q3 (75. Perzentil) begrenzt, Whisker als Minimum (Q1-1,5*IQR) und Maximum (Q3 + 1,5*IQR), Median definiert durch die Linie im Kästchen (IQR), Mittelwert dargestellt durch X, Ausreißer durch Punkte dargestellt.

Quelldaten

Daten nach der Ernte, die den Gewichtsverlust der Knollen und die Gesundheit der Knollen (Hausschwamm und Rissbildung) nach 3- und 5-monatiger Lagerung in (a) und (d) Glazoué (2016-2017), (b) und (e) Savé (2016) zeigen -2017) und (c) & (f) Savalou (2017-2018) Regionen. Fehlerbalken in Teilen ac zeigen die Standardabweichung vom arithmetischen Mittel an.

Quelldaten

Ergänzende Diskussion, ergänzende Abbildungen. 1–3, Ergänzungstabellen 1–5 und Referenzen.

Video, das den Aufbau und die Ernte von Feldversuchen in Benin zeigt.

Excel-Datei mit Quelldaten für die in den ergänzenden Abbildungen gezeigten Diagramme. 1–3.

Quelldaten für Spannungs-Dehnungs- und Young-Modul-Diagramme.

Quelldaten für Wassersorption, Abamectin-Bindung und isotherme Titrationsergebnisse.

Quelldaten zur Beibehaltung der Bioaktivität.

Quelldaten zu Ertrag und Nematodenpopulation.

Quelldaten für alle Grundstücke.

Rohdaten für Berstindex, Dichte und Luftwiderstand.

Rohdaten zur Darstellung von Stress und Bioaktivitätserhaltung.

Quelldaten für Niederschlagsmuster.

Quellendaten zur Analyse verschiedener Behandlungseffekte.

Quellendatum zur Knollengesundheit und zum prozentualen Gewichtsverlust während der Lagerung.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Pirzada, T., Affokpon, A., Günther, RH et al. Auf pflanzlicher Biomasse basierende Hybrid-Saatgutverpackungen mildern Ertrags- und Nachernteverluste bei Kleinbauern in Subsahara-Afrika. Nat Food 4, 148–159 (2023). https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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Eingegangen: 07. Juli 2022

Angenommen: 10. Januar 2023

Veröffentlicht: 16. Februar 2023

Ausgabedatum: Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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