Bekämpfung und Entsorgung des invasiven Japanischen Staudenknöterichs Reynoutria japonica Houtt. Verwendung der Mikrowellenbehandlung

Zusammenfassung

Dieses Protokoll bietet eine Methode zur Mikrowellenkontrolle von Japanischem Staudenknöterich im Feld und zur Entsorgung von ausgegrabenen Rhizomen unter Laborbedingungen. Es werden die Vor- und Nachteile beider Methoden diskutiert. Zukünftige Forschungsrichtungen werden auch vorgeschlagen, um den Einsatz von Mikrowellen zur Bekämpfung des Japanischen Staudenknöterichs zu optimieren.

Zusammenfassung

Ziel der Studie ist es, die Wirksamkeit der Mikrowellenbehandlung (MWT) bei einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Leistung von 800 W zur Bekämpfung des Japanischen Staudenknöterichs (Reynoutria japonica Houtt.) mit einem selbstfahrenden Gerät zu bewerten, das in der hauseigenen Anlage gebaut wurde. Die MWT wurde im Juli 2022 in der Feldpopulation des Staudenknöterich ausgebracht. Zuerst wurden die Pflanzen mechanisch aus dem Bereich von 1 m² bewegt, dann wurden die abgeschnittenen Triebe mit einer Höhe von etwa 4 cm für 25 min, 20 min und 15 min mikrowellenbehandelt. Die Bekämpfungsmaßnahmen bestanden aus: 1) nur geschnittene Pflanzen und 2) Rhizome, die bis zu einer Tiefe von 30 cm ausgegraben wurden. Die Wirksamkeit der Mikrowellenbehandlungen wurde für die nächsten 11 Monate beobachtet, indem die Anzahl der neu gewachsenen Triebe gezählt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass eine 25-minütige MWT-Behandlung den Vitalitätsverlust des Japanischen Staudenknöterichs zu 100 % beeinträchtigte, während eine 15-minütige MWT-Mikrowellenbehandlung das Pflanzenwachstum im Vergleich zu Kontrollen um etwa 50 % stimulierte. Rhizome wurden in einem separaten In-vitro-Experiment für Labortests ausgegraben. Die Rhizome wurden nach Dicke kategorisiert und mit einer handelsüblichen Mikrowelle einer 60 s MWT unterzogen, wonach ihre Temperatur und Vitalität beurteilt wurden. Die Temperatur der Rhizome nach MWT hing von ihrer Dicke ab. Die Rhizome, die sich auf Temperaturen über 42 °C erwärmten, wurden effektiv zerstört. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zeit, in der die Pflanzen Mikrowellen ausgesetzt sind, eine wichtige Rolle für die Wirksamkeit dieser Methode spielt. Je länger die Exposition gegenüber MWT, desto besser ist die Kontrolle. Je dünner die Rhizome sind, desto effektiver ist die in vitro Entsorgung von MWT-Rhizomen.

Einleitung

Der Japanische Staudenknöterich (Reynoutria japonica Houtt.) ist eine der sieben invasiven Pflanzenarten, die die natürliche Umwelt in Polen bedrohen¹. Diese Pflanze, die außerhalb ihres ursprünglichen Verbreitungsgebiets steht, weist ein breites Spektrum an Lebensräumen auf, von anthropogenen Lebensräumen wie Bahndämmen, Straßenrändern, Parks, Friedhöfen, Hausgärten, verschiedenen Arten von städtischen und postindustriellen Brachflächen bis hin zu natürlichen Lebensräumen, z. B. Waldrändern, Flussufern, Dickichten. Er ist manchmal auch in landwirtschaftlichen Gebieten zu finden. Es kommt gut mit verschiedenen Arten von Böden mit unterschiedlichem pH-Wert zurecht, von sauer bis leicht alkalisch ^2,3. Es weist eine hohe Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, Salzgehalt, periodischen Überschwemmungen und Trockenheit^{auf 2}. Es ist auch sehr widerstandsfähig gegen Bodenverunreinigungen, einschließlich Schwefelverbindungen⁴. Der Staudenknöterich bedroht die Natur ernsthaft und trägt zum Rückgang des Pflanzenartenreichtums bei. Sie konkurrieren effektiv mit einheimischen Arten, verhindern deren Verjüngung durch schnelles Wachstum und schränken den Lichteinfall^{ein 5}. Sie befallen andere Pflanzen alleopathisch und bewirken Veränderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens. Darüber hinaus wirken sie sich negativ auf die menschliche Wirtschaft aus, indem sie die Sichtbarkeit entlang der Straßen einschränken, den Hochwasserschutz zerstören, die Attraktivität von Investitions- und Tourismusgebieten verringern und wirtschaftliche Verluste im Zusammenhang mit ihrer Kontrolle verursachen ^6,7.

Es wurden viele Versuche unternommen, den Japanischen Staudenknöterich zu bekämpfen, hauptsächlich mit synthetischen Herbiziden wie Glyphosat oder 2,4-D⁸. Aufgrund ungünstiger Umwelteinflüsse wird diese Methode jedoch für die meisten von Staudenknöterich besiedelten Standorte nicht empfohlen. Auf der anderen Seite beinhalten mechanische Methoden ein regelmäßiges Mähen der Pflanzen, das aufgrund des tiefen Rhizomsystems, aus dem neue Triebe hervorgehen, unwirksam ist⁹. Eine interessante Lösung ist die Verwendung von dichten Netzen, die das Wachstum des Staudenknöterichs begrenzen, aber diese Methode hat auch Einschränkungen aufgrund möglicher Schäden am Netz oder an Trieben, die außerhalb seines Bereichs wachsen. Daher wird nach lateralen Methoden zur Bekämpfung dieser Art gesucht. Ein solches Verfahren kann die Verwendung von Mikrowellen¹⁰ sein.

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von 0,3 GHz bis 300 GHz und Wellenlängen von 1 m bis 0,001 m. Mikrowellenstrahlung ist für das menschliche Auge unsichtbar. Das elektromagnetische Spektrum eines Mikrowellenherds liegt im Bereich der Infrarotstrahlung und der Radiofrequenzen¹¹. Von dem breiten Spektrum an Mikrowellenfrequenzen sind nur wenige für medizinische oder industrielle Anwendungen vorgesehen. Die Vorschriften der Federal Communications Commission legen die Verwendung bestimmter Mikrowellenfrequenzen fest. Mikrowellen werden durch elektrisch neutrale Materialien wie Papier, Glas, Keramik und die meisten Kunststoffe übertragen und von Metallen reflektiert. In dem absorbierenden Material bewirken sie, dass Wärme erzeugt^{wird 12}. Das elektromagnetische Feld bei Mikrowellenfrequenzen versorgt hauptsächlich lebende Organismen in seinem Bereich mit Energie. Der thermische Effekt besteht in der Erhöhung der Körpertemperatur aufgrund der Aufnahme eines Teils der Energie durch den Körper. Die entsprechende Frequenz, Feldintensität und die Fähigkeit des Organismus, die Temperatur des Gewebes zu erhöhen, sind erforderlich. Es hängt auch von der Zeit der Exposition und der Art des Gewebes ab. Wenn eine kritische Gewebewärme überschritten wird, kommt es zu einer Denaturierung des Proteins¹³.

Mikrowellenstrahlung wird seit vielen Jahren in den Naturwissenschaften eingesetzt. Es wird z. B. zum Erhitzen der Luft in Gewächshäusern¹⁴, zum Desinfizieren des Bodens 15,16,17 und zum Trocknen von Obst und Gemüse 18,19,20 verwendet. Mikrowellen können auch Insektenschädlinge von Kulturpflanzen^{21, 22, 23} oder Unkraut im Sämlingsstadium²⁴ vernichten. Neuere Studien weisen auch auf die hohe Wirksamkeit der Mikrowellenmethode bei der Bekämpfung des invasiven Sosnowsky-Bärenklau hin^10,25.

Das Gerät HOGWEED wurde in der Fakultät für Forstwirtschaft der Landwirtschaftlichen Universität in Krakau²⁶ gebaut. Er hat seinen Antrieb und bewegt sich auf einem Raupenfahrwerk, das in schwer zugänglichen Bereichen eingesetzt werden kann. Ein solches Antriebssystem schadet dem Boden nicht, da die Gummiketten einen geringen Einheitsdruck auf das Gelände ausüben. Eine Funkfernbedienung steuert das Fahrzeug fern. Das Gerät wurde konstruiert, um die Wirkung von Mikrowellen auf invasive Unkräuter in natürlichen Ökosystemen zu untersuchen.

Ziel der Studie ist es, die Wirksamkeit von Mikrowellenstrahlung mit einer Welle von 2,45 GHz, einer Leistung von 800 W und einer angenommenen Betriebszeit (von 15-25 min) zur Kontrolle des Wachstums von Japanischen Staudenknöterich-Pflanzen (Reynoutria japonica Houtt.) im Feld mit dem HOGWEED-Gerät zu bestimmen. Ziel der Studie ist es auch, die Entsorgung von Rhizomen unter Laborbedingungen mit einem handelsüblichen Mikrowellengerät zu ermitteln. Die Entsorgung ist wichtig für die sichere Entsorgung invasiver Pflanzenabfälle, damit sie die Umweltsicherheit nicht gefährden.

Protokoll

Wir führten das Feldexperiment mit einer Feldpopulation des invasiven Japanischen Staudenknöterichs (Reynoutria japonica Houtt.) durch, die in Krakau (50.04 N, 19.63 E) lokalisiert wurde, und zwar im Rahmen der schriftlichen Vereinbarung und Aufsicht des Krakauer Stadtgrünamtes, das dieses Gebiet verwaltet.

1. Feldbekämpfung des Japanischen Staudenknöterich mit einem speziellen Gerät, das Mikrowellen emittiert

1. Bauen Sie den Mikrowellen-Emitter mit einem Magnetron, das Wellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Leistung von 800 W erzeugt. Halten Sie den Aperturbereich der Hornantenne bei 0,024254 m² (134 mm x 181 mm) und die Mikrowellen-Leistungsdichte bei 32,8 kW/m². Stellen Sie den Wellenleiter und die Antenne aus vier 1 mm dicken Messingblechen her und verbinden Sie diese mit weichem Lötmittel. Es ist sicherzustellen, dass die Innenseite der Blechplatte versilbert ist, um die Leitfähigkeit der Metalloberfläche^{zu erhöhen 26}.
2. Führen Sie eine Mikrowellenkontrolle des Japanischen Staudenknöterichs während seiner intensiven Wachstumsphase durch, wenn die Pflanzen etwa 0,5-1,0 m hoch werden.
3. Zählen Sie die Anzahl der oberirdischen Staudenknöterich-Triebe pro 1 m². Schneiden Sie alle oberirdischen Teile der Pflanzen mit einem Handmäher ca. 4 cm über der Bodenoberfläche ab.
4. Entfernen Sie trockene Blätter mit einem Laubbläser mechanisch von der Oberfläche, um ein Anbrennen während der Mikrowellenbehandlung zu verhindern.
5. Erfassen Sie die Temperatur der vorbereiteten Oberfläche vor der Behandlung mit der Wärmebildkamera.
6. Platzieren Sie den Mikrowellenstrahler auf der vorbereiteten Oberfläche, auf den Trieben in der Mitte und drücken Sie ihn leicht an, damit er fest am Boden haftet. Geben Sie Mikrowellen ab, indem Sie einen Knopf an der Maschine drücken, und führen Sie die Behandlung für 25 Minuten, 20 Minuten und 15 Minuten für eine Oberfläche von 268 mm x 362 mm durch.
7. Erfassen Sie die Temperatur der behandelten Oberfläche mit der Wärmebildkamera.
8. Zur Kontrolle sind Flächen zu verwenden, auf denen die oberirdischen Teile nur mit einem Handmäher in ca. 4 cm Höhe über dem Boden mechanisch abgeschnitten werden (Kontrolle 1 - gemäht) und die Rhizome bis zu einer Tiefe von ca. 30 cm ausgehoben werden (Kontrolle 2 - ausgraben). Um die Rhizome auszugraben, verwenden Sie zunächst einen mobilen Kompressor mit einer Schmalstrahldüse und ziehen Sie dann mit Hilfe eines Metallschneiders die sichtbaren Rhizome heraus.
9. Kontrollieren Sie monatlich das Wachstum der Pflanzen im Untersuchungsgebiet und vergleichen Sie es mit beiden Kontrollgebieten in den nächsten Monaten bis zum Monat des intensiven Pflanzenwachstums, z.B. von Juli bis Mai. Zählen und dokumentieren Sie manuell die Anzahl der neuen Staudenknöterich-Triebe.

2. In-vitro-Entsorgung von Japanischem Staudenknöterich mittels Mikrowellen

1. Verwenden Sie als Mikrowellenquelle ein handelsübliches Kammergerät mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Leistung von 800 W mit einer elektrisch gesteuerten Kapazität von 28 l.
2. Japanische Staudenknöterich-Rhizome aus einer Tiefe von bis zu 30 cm ausgraben und mit einer Schere in 28 cm große Stücke schneiden.
3. Teilen Sie das Rhizom in drei Dickenklassen ein und messen Sie mit einem Messschieber den größten Durchmesser des Rhizoms. Geben Sie das Messergebnis in Zentimetern auf zwei Nachkommastellen an. Verwenden Sie ein Zeichenlineal, um das Ergebnis in Zentimetern auf eine Nachkommastelle genau zu berechnen. Klasse I bis 1,00 cm; Klasse II 1,01-2,00 cm; Klasse III über 2,01 cm.
4. Wählen Sie zehn repräsentative Rhizome pro Dickenklasse. Die frische Masse der Rhizome mit einer Waage abwiegen. Geben Sie die Ergebnisse in g mit zwei Dezimalstellen an.
5. Die Rhizome in die Mikrowelle stellen und 60 s in der Mikrowelle erhitzen. Unmittelbar nach der Mikrowellenbehandlung wird mit der Wärmebildkamera ein Thermogramm erstellt, um die Temperatur zu bestimmen, auf die sich ein bestimmtes Rhizom erwärmt hat.
6. Wiegen Sie die in der Mikrowelle erhitzten Rhizome nach der Mikrowellenbehandlung erneut, wenn sie auf Raumtemperatur abgekühlt sind.
7. Nehmen Sie weitere acht Rhizome, um deren Feuchtigkeit und Trockenmasse zu bestimmen. Wiegen Sie Rhizome, bevor Sie sie 2 Tage lang bei 105 °C in den Labortrockner legen. Wiegen Sie sie nach dieser Zeit erneut.
8. Bestimmen Sie die Temperatur der Rhizome anhand der Thermogramme der Wärmebildkamera. Bestimmen Sie die durchschnittliche, maximale und minimale Temperatur eines markierten Bereichs oder Abschnitts. In diesem Experiment wurde jedes Rhizom in 5 gleichmäßig verteilte Punkt-Ellipsen mit einer Fläche von etwa 2 cm unterteilt, die nicht über den Umriss des Rhizoms hinausragten. Berechnen Sie dann die durchschnittliche, maximale und minimale Temperatur jedes Rhizoms aus den 5 Punkten.
9. Legen Sie die in der Mikrowelle erhitzten Rhizome einzeln auf Tabletts, die mit steriler Watte ausgelegt sind. Stellen Sie sicher, dass ein Tablett Rhizome der gleichen Dickenklasse enthält. Verwenden Sie separate Trays für die Kontrollrhizome.
10. Gießen Sie die Tabletts mit Leitungswasser. Mit farbloser Lebensmittelfolie abdecken, um den Wasserverlust zu reduzieren. Stellen Sie die Tabletts an einen schattigen Ort, überwachen Sie sie und füllen Sie sie bei Bedarf mit Wasser auf. Führen Sie die Überwachung durch, bis neue Triebe beobachtet werden oder ein sichtbarer Zerfall des Gewebes auftritt, z. B. für 14 Tage.
11. Bei den Rhizomen, die überleben und neue Triebe entwickeln, führen Sie eine zusätzliche Analyse ihrer Temperatur über die gesamte Rhizomlänge durch.

Ergebnisse

Feldbekämpfung des Japanischen Staudenknöterichs mit einem speziellen Gerät, das Mikrowellen emittiert
Die durchschnittliche Anzahl der Triebe pro 1^m2 der mikrowellenbehandelten Fläche betrug 27. Abbildung 1 zeigt die durchschnittliche Anzahl der Triebe pro 1 m² , die nach der Mikrowellenbehandlung 11 Monate nach der Mikrowellenexposition wuchsen. In Bereichen, die 25 Minuten lang mit Mikrowellen behandelt wurden...

Diskussion

Die Wirksamkeit der Bekämpfung des Japanischen Staudenknöterichs (Reynoutria japonica Houtt.) mit dem konstruierten Gerät und der Entsorgung von Staudenknöterich-Rhizomen mit einem kommerziellen Mikrowellenherd wurde demonstriert. Beide Geräte emittierten Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Leistung von 800 W.

Es wurde beobachtet, dass je länger die Knöterich-Pflanzen Mikrowellenstrahlung ausgesetzt sind, desto geringer und sp...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
AXIS BTA2100d	AXIS Sp. z o.o.		balance
CompAir C50	LECTURA GmbH Verlag		mobile compressor
FLIR E60	FLIR Systems, Inc.		thermal imaging camera
FLIR Tools	FLIR Systems, Inc.		software to analyse the temperature from the thermogram
HDL_ANT version 3b4 program	PC Software by W1GHZ		software
Heraus UT 6120	Heraeus		laboratory drier