| dc.contributor.advisor | Balkenhol, Niko Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Makarow, Ramona Irina Gloria Fanny | |
| dc.date.accessioned | 2020-04-21T09:22:56Z | |
| dc.date.available | 2020-04-21T09:22:56Z | |
| dc.date.issued | 2020-04-21 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-137F-8 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7932 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 570 | de |
| dc.title | Identification of the specific volatile organic compounds emitted by Anoplophora glabripennis (Moschulsky) | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.contributor.referee | Balkenhol, Niko Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2020-02-04 | |
| dc.description.abstractger | Die Globalisierung und der zunehmende internationale Handel erhöhen seit Jahren die Zahl und das Risiko der Einschleppungen von gebietsfremden Arten und Schadensorganismen. Obwohl die Anpassung der heimischen Arten über viele Jahre und Generationen an das heimische Habitat stattgefunden hat, bringen Neueindringlinge häufig Eigenschaften mit sich, die der ursprünglichen Art überlegen sind. Sie haben dadurch das Potenzial zur Dezimierung oder vollständigen Verdrängung der heimischen Art. Auch die Einschleppung von Krankheiten oder Nematoden birgt großes Schadpotenzial.
Die Maßnahmen, die den örtlichen Pflanzenschutzdiensten zur Bekämpfung invasiver Arten zur Verfügung stehen sind limitiert. Sie beschränken sich im Grunde auf die Fällung von befallenen Bäumen oder Pflanzen und die regelmäßige Kontrolle von Befallsgebieten. Eine Ausbreitung von einzelnen Befallsherden kann auf diese Weise zwar verhindert werden, unentdeckte Befallsgebiete hingegen, können sich ungestört ausweiten. Das Aufspüren stellt das Hauptproblem dar bei der Vermeidung der Ausbreitung von invasiven Arten: Das betrifft sowohl den Befall im Freiland, der in der Regel zufällig durch aufmerksame Mitbürger entdeckt wird, als auch das Aufspüren einzelner Tiere auf Ihrem Einschleppweg. Auf dem Gebiet der invasiven Arten gibt es nur wenig Forschung, die sich mit der Entwicklung von adäquaten Detektoren befasst. Für andere Gebiete wie Explosivstoffe oder Betäubungsmittel reicht die Forschung schon mehr als eine Dekade zurück und entsprechend gibt es heute Detektoren, die beispielsweise an Flughäfen zum Aufspüren von Sprengstoffen Verwendung finden. Das zugrundeliegende Detektorprinzip richtet sich auf die Chemie der Stoffe. Überträgt man den Pfad der Detektorentwicklung auf invasive Arten, steht an erster Stelle (i) die Aufklärung der chemischen Substanzen, die vom Zielobjekt emittiert wird. Darüber hinaus stellt sich bei Lebewesen die Frage, ob ihre chemische Signatur (ii) spezifisch ist und eine Abgrenzung zu anderen, einheimischen Arten möglich ist. Diese Dissertation näherte sich diesen beiden Fragestellungen am Beispiel des Insekts Anoplophora glabripennis (Moschulsky) (Asiatischer Laubholzbockkäfer, kurz: ALB).
In Kapitel 1 werden die chemischen Substanzen qualifiziert, die durch Anoplophora glabripennis in seinen Entwicklungsstadien (Imago, Adult, Oviposition) emittiert werden. Vor dem Hinblick der Entwicklung von Detektionsmöglichkeiten steht die Qualifizierung von volatilen, organischen Substanzen im Fokus. Unter Verwendung eines geeigneten Adsorbens können dies Volatile angereichert werden. Die Analyse erfolgt mittels Gaschromatographie/Massenspektrometrie gekoppelt mit einem Thermodesoptions Einlasssystem (TD-GC/MS). Insgesamt werden 229 Substanzen identifiziert, von denen 34 von ALB-Larven, 19 von adulten Tieren und 176 von Eiablagen stammen. Eiablagen werden in zwei Generation und jeweils in mehrmaliger Wiederholung gemessen. Als Schnittmenge aus beiden Generationen werden 24 Substanzen nachgewiesen. (+)-α-Longipinene tritt dabei in 100 %, (+)-Cyclosativene und α-Cubebene in 99 % aller Eiablage Messungen auf. Das Monoterpen Ocimene tritt in einem späteren Entwicklungsstadium der Eiablage auf. Zwei Substanzen treten bei allen ALB Probentypen auf: 2,4-Dimethyl-1-heptene und (+)-Cyclosativene.
Mit dem Ziel der Abgrenzung zu einheimischen Arten, werden in Kapitel 2 einheimische Insektenarten hinsichtlich ihrer VOC-Emissionen untersucht, die besonders bei der visuellen Bestimmung von ALB häufig zu Verwechslungen führen. Überschneidungen zu ALB werden im Falle von Saperda carcharias Puppe und Cossus cossus Larve für 2,4-Dimethyl-1-heptene festgestellt. Die Gruppe der Sesquiterpene bleibt von Überschneidungen zu einheimischen Arten unberührt. Neben den einheimischen Arten werden in Kapitel 2 auch andere VOC-Quellen, die im Lebensraum von ALB den chemischen Hintergrund ausmachen, untersucht. Dazu zählen gesunde Wirtsäume im Freiland ebenso wie gestresste Bäume, deren Stress durch mechanischen Schaden und schlechte Wasser- und Lichtversorgung hervorgerufen wird. Der Befall eines Baumes durch ALB führt zu Stress beim Baum, da durch die Larven ein Schaden in den Versorgungswegen entsteht und die Versorgung des Baumes gestört ist. Stress im Allgemeinen führt zu einer veränderten VOC-Signatur von Bäumen. Um nun auszuschließen, dass gestresste Bäume für das VOC-Muster verantwortlich sind, werden diese ebenfalls untersucht. Insgesamt werden 169 Substanzen identifiziert, wovon 11 Substanzen bei mechanisch geschädigten Bäumen auftreten, nicht jedoch bei gesunden Wirtsbäumen. (+)-Cyclosativene, (+)-α-Longipinene, Copaene und Caryophyllene kann alleinig auf ALB-Befall zurückgeführt werden, da diese Substanzen nur bei ALB-befallenen Acer auftraten, nicht aber bei mechanisch geschädigten Acer. Jedoch traten diese Stoffe auch bei gesunden Bäumen der Gattung Salix auf und bergen somit das Potenzial von Verwechslung. 2,4-Dimethyl-1-hepten tritt bei ALB-befallenen Bäumen auf und vereinzelt bei Analysen einheimischer Arten. Folglich führt eine Erweiterung des ALB-Musters von (+)-Cyclosativene, (+)-α-Longipinene, Copaene um die Substanzen 2,4-Dimethyl-1-heptene und das Monoterpen 3-Carene oder Ocimene zu einem spezifischen ALB-VOC-Muster.
Für die Verifizierung des ALB-VOC-Musters werden in Kapitel 3 mit ALB-Spürhunden Experimente durchgeführt. Einzig ALB-Spürhunde werden derzeit zur Detektion von ALB eingesetzt. Sie werden mit biologischem ALB-Material konditioniert und erlernen ALB befallenes Material anzuzeigen. Mit dieser Annahme wird eine synthetische ALB-Mischung aus Standards der Substanzen (+)-Cyclosativene, (+)-α-Longipinene, Caryophyllene und Ocimene hergestellt und auf dafür entwickelten Geruchsträgern aufgebracht und den Spürhunden auf unterschiedlichen Versuchsstrecken angeboten. Die Substanz Copaen kann der Mischung nicht beigefügt werden, da alle Bestrebungen Standards dieser Substanz zu erwerben erfolglos bleiben. In verschiedenen Experimenten bestätigen verschiedene Spürhundeteams die Wiedererkennung der Geruchsstoffe als ALB-typisch.
Insgesamt kann die Extraktion spezifischer VOC-Muster eine vielversprechende Strategie sein, um eine Verschärfung des Problems der Einschleppung invasiver Schadorganismen zu verhindern. Die Methode kann auch auf andere in Europa bereits problematische Arten wie Agrilus planipennis oder Monochamus, den Vektor der Nematode Bursaphelenchus xylophilus, übertragen werden. Die Kombination der verschiedenen VOC-Muster kann dann genutzt werden, um entweder bereits vorhandene Detektoren–wie Spürhunde oder instrumentelle Analytik-einzusetzen oder neue zu entwickeln. Die Implementierung von Detektoren für Importkontrollen wäre der nächste Schritt, um zum Schutz der heimischen Biodiversität auf Grundlage dieser Ergebnisse beizutragen. | de |
| dc.description.abstracteng | The globalisation and the increasing international trade have raised the number and risk of introduction of foreign species and invasive pests for years. Although native species have adapted to the native habitat over many years and generations, invasive intruders often possess characteristics that are superior to native species. Thus, and because of a lack of natural enemies, they bear the potential of decimation or complete displacement of the native species; furthermore, the introduction of pathogens or nematodes as a vector possesses a high damage potential.
The available measures of the local plant protection services to combat invasive species are confined. They are limited to the felling of infested trees or plants and regular controls within the infested area. A spread of single infestations can thereby be prevented, but undetected infestations can unimpededly spread, which points out the main challenge: the detection of the species. This concerns the infestation in open land as well as the single animal on its path of introduction. Concerning the development of new adequate detection systems for invasive species, there is only little research activity going on. For other fields like detection of explosives or narcotics, the research activities date back for more than one decade and consequently there are detection systems available, which are, for example, used for explosive detection in airports. The detection principle bases on the chemistry of these substances. When adapting the development steps for a detector of invasive species, the first step (i) is the investigation of the chemical substances emitted by the species of interest. Beyond that, for living organisms it is relevant to investigate (ii) if their chemical signature is specific and if a distinction to native organisms is possible. This dissertation focusses in these two major issues on the example of Anoplophora glabripennis (Moschulsky) (Asian longhorned beetle, ALB).
In part I the chemical substances emitted by Anoplophora glabripennis in different development stages (imago, larva, oviposition) were investigated. The focus of the investigation was on the volatile organic compounds (VOCs), which are available in the gas phase for a detector. They were analysed qualitatively by thermal desorption coupled with gas chromatography and a mass selective detector. Altogether 229 substances were identified: 34 from larvae, 19 from imagines and 176 from ovipositions. Ovipositions of two generations were analysed, both over an 8-week period with focus on ageing and repeatability. (+)-α-Longipinene occurred in 100 %, (+)-cyclosativene and α-cubebene in 99 % of all oviposition measurements. The monoterpene ocimene occurred from ovipositions in a later development stage. 2,4-Dimethyl-1-heptene and (+)-cyclosativene were detectable in all three ALB sample types.
With the objective of distinction to native insect species, in part II some native insect species were analysed, which often lead to mistaken identification of species by visual determination. Overlap between ALB and native insect species were identified for Saperda carcharias Pupa and Cossus cossus larva for 2,4-dimethyl-1-heptene. No overlap for sesquiterpenes were identified. Beside native insect species, in part II other VOC sources that determine the chemical background of ALB’s habitat were investigated: healthy, not infested host trees in open land and stressed trees, whereas the stress originates from mechanical damage and poor water and light supply. The infestation of a tree also leads to stress as there is a damage in the tree’s internal channels of supply with the consequence of a lack of supply. Generally, stress leads to a change in the VOC pattern of trees. To ensure that the VOCs determined from ALB infested trees originate from the ALB infestation and not from general stress, the mechanically stressed trees were also analysed.
Altogether 169 substances were identified. 11 substances occur from ALB infested or mechanically damaged trees, but not from healthy trees. (+)-Cyclosativene, (+)-α-longipinene, copaene and caryophyllene are detectable only from ALB-infested Acer not from mechanically damaged or healthy Acer; however, these substances are also emitted by healthy Salix and thus bear the potential of mistaken identification.
2,4-Dimethyl-1-heptene is among all tree samples exclusively present in the ambience of ALB-infested trees. It is rarely detectable from native insect species’ samples. As a result, the expansion of the ALB VOC pattern to (+)-cyclosativene, (+)-α-longipinene, copaene and 2,4-diemthyl-2-heptene and the monoterpene 3-carene and ocimene can be interpreted as an ALB-specific VOC pattern.
In order to verify this pattern, in part III some experiments were carried out with sniffer dogs. At present sniffer dogs are the only available detectors for ALB. They are commonly conditioned with biologic ALB samples and trained to indicate ALB-infested material. On the basis of this assumption differently setted experiments were carried out with a synthetic ALB mixture consisting of standards of the substances (+)-cyclosativene, (+)-α-longipinene, caryophyllene and ocimene. The use of copaene was not possible, because standards for these sesquiterpenes were not available at all. The mixture was applied on a developed scent carrier. In different experiments different sniffer dog teams confirm the recognition of the ALB-mixture as ALB-characteristic.
In summary, the method of extracting specific VOC patterns could be a promising strategy to prevent an aggravation of the invasive species’ problem. With the method more invasive pests like Agrilus planipennis or the genus Monochamus, the vector of the nematode Bursaphelenchus xylophilus can be analysed and their specific VOC pattern added to ALB pattern. For invasive pests of the same species as ALB e.g. Anoplophora chinensis, it is likely that the VOC emission is similar with identical specific VOCs. The extraction of specific VOCs from further invasive pests combined with the VOC pattern of Anoplophora would cover relevant and threatening pests from this decay in Europe and Northern America. The development, approval and implementation of suitable detectors for import controls would be the next step to contribute to the protection of Europe’s biodiversity and forest habitats on the basis of these results. | de |
| dc.contributor.coReferee | Kaul, Peter-Michael Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Anoplophora glabripennis, volatile organic compounds, TD-GC/MS | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-137F-8-5 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 1695587405 | |