| Klaus-Josef Schmerbauch: Gärqualität und Schimmelpilzwachstum in Silagen in Abhängigkeit von Lagerungsdichte und äußerem Luftabschluß |
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Aus dem Institut für Nutztierwissenschaften der Humboldt-Universität zu Berlin
Fachgebiet Futtermittelkunde
Prof. Dr. habil. E. Kaiser
Dissertation
Gärqualität und Schimmelpilzwachstum in Silagen in Abhängigkeit von Lagerungsdichte und äußerem Luftabschluß
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum agriculturarum
(Dr. rer. agr.)
eingereicht an der
Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
von
Diplom-Agraringenieur Klaus-Josef
Schmerbauch
geboren am 25. Juni 1963 in Faulungen (Thüringen)
Dekan: Prof. Dr. Dr. h.c. mult. E. Lindemann
Gutachter:
1. Prof. Dr. habil. E. Kaiser
2. Prof. Dr.-Ing. habil. C. Fürll
3. Prof. Dr. Dr. J. Bauer
eingereicht am: 23. August 1999
Datum der Promotion: 15. März 2000
Eigene Schlagworte:
Silage, Lagerungsdichte, Luftabschlußgüte, Schimmelpilze, Ergosterin, Mykotoxine
Abstrakt
Das Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung der Grenzbedingungen von Lagerungsdichte und äußerer Luftabschlußgüte (Gasdurchlässigkeit des Zudeckmaterials), unter denen Schimmelpilzwachstum während der Silagelagerung eingeschränkt wird.
Den Schwerpunkt bildeten 10 Praxis- und Laborsilierversuche mit extensiv erzeugtem Grünfutter, das aufgrund relativ hoher Rohfasergehalte allgemein schwer verdichtbar ist. In den Silagen wurde die Pilzkeimzahl sowie der Gehalt an Ergosterin und Roquefortin C bestimmt.
Für die Analyse des Ergosteringehaltes wurde eine neue Methode entwickelt. Die Gasdurchlässigkeit von 1 – 8 Folienlagen der verwendeten Silierstretchfolie wurde radiometrisch gemessen.
Im Versuchszeitraum (1995 – 1997) wurde Grünfutter von jahreszeitlich verschiedenen Aufwüchsen unter landwirtschaftlichen Praxisbedingungen einsiliert. Mit Hilfe drei verschiedener Ballenpressen wurden insgesamt 165 Silageballen mit unterschiedlichen Lagerungsdichten erzeugt. Die Folienlagenzahl und die Lagerdauer bei den Silageballen wurde gestaffelt. Hierdurch sollte der Einfluß des Luftabschlusses auf Gärqualität, Pilzbefall und Mykotoxingehalt in den Silagen untersucht werden.
Im Labor wurden Einflußfaktoren wie der Trockenmassegehalt (T-Gehalt) des Siliergutes geprüft. In den Praxisversuchen trat bei einem T-Gehalt < 400 g/kg unabhängig von Lagerungsdichte und äußerem Luftabschluß eine relativ starke Buttersäurebildung in den Silagen auf. Dagegen wurden bei einem T-Gehalt > 450 g/kg bei ausreichendem Luftabschluß buttersäurefreie (≤ 0,3 % T) Silagen erzielt. Hier lag offenbar ein ausreichender T-Gehalt zur Sicherung einer guten Gärqualität vor.
In allen Versuchen stellte die Erhöhung der Lagerungsdichte die primäre Grundlage zur Erzeugung eines ausreichenden Luftabschlusses in den Silagen dar. Die äußere Luftabschlußgüte besaß im Vergleich dazu sekundären Charakter. Als notwendige Grenzbedingungen des Luftabschlusses zur Erzeugung einer guten Gärqualität sowie zur Einschränkung von Pilzbefall in den Silagen erwiesen sich: (1) eine Lagerungsdichte von mindestens 200-210 kg T/m³ und (2) eine maximale Gasdurchlässigkeit des Zudeckmaterials von 1,7 l/m² in 24 Stunden (6 Folienlagen der verwendeten Silierstretchfolie).
Ein ausreichender Luftabschluß war die Voraussetzung für die Wirksamkeit von Silierzusätzen hinsichtlich der Einschränkung von Pilzbefall und der Verbesserung der Gärqualität in den Silagen.
Die Mykotoxinbildung in den Silagen, die am Beispiel des Vorkommens von Roquefortin C (ROF) untersucht worden ist, wurde ungeachtet von Lagerungsdichte und äußerem Luftabschluß vor allem durch den T-Gehalt des Siliergutes beeinflußt. Bei einem T-Gehalt < 450 g/kg enthielten etwa 88 % der in diesem T-Bereich vorliegenden Silagen Roquefortin C. Bei einem T-Gehalt zwischen 450 und 550 g/kg enthielten noch etwa 10 % der hier vorliegenden Silagen Roquefortin C, überwiegend aber im Bereich der Nachweisgrenze von ≥ 0,05 mg ROF/kg T. Bei einem T-Gehalt > 550 g/kg wurde in den Silagen Roquefortin C nicht nachgewiesen.
Die insgesamt in den Silagen gemessenen Gehalte an Roquefortin C waren mit < 1,0 mg ROF/kg T relativ niedrig. Sie sind bei Verfütterung der Silagen an Wiederkäuer nach dem gegenwärtigen Erkenntnisstand toxikologisch als nicht kritisch einschätzbar.
Keywords:
silage, compactness, hermetic level, moulds, ergosterol, mycotoxins
Abstract
The goal of the investigation was to determine the boundary conditions of compactness and hermetic level of covering material (permeability of the covering material) to inhibit mould growth during silage storage.
The emphasis was based on 10 practical and lab ensiling experiments with green forage having a relatively high content of raw fiber, which in general is difficult to compress. The silages were investigated for their mould count, as well as for their content of ergosterol and roquefortine C.
A new method was developed to analyse the ergosterol content. The permeability of 1 – 8 numbers of wraps of the used ensiling stretch film was measured by radiometric methods.
During the experimental time (1995 – 1997), green forage from seasonally different bites were ensiled under practical agricultural conditions. Using three different balers, a total of 165 bales were wrapped at various compactness levels. The numbers of wraps and the storage period of the bales were staggered. Hereby the influence of air exclusion on fermentation quality, mould growth and mycotoxin content in the silage should be tested. In the lab, factors such as the dry matter content (d-content) of the green forage were tested.
In the practical experiments, the results showed that at a d-content of < 400 g/kg, a relatively high amount of butyric acid formed in the silages, independent of the compactness and hermetic level of the covering material. Whereas, at a d-content of > 450 g/kg, no butyric acid (≤ 0,3 % dry matter) was found in the silages with sufficient air exclusion. Here, the d-content to ensure a good fermentation quality was sufficient.
In all experiments, the primary way to generate sufficient air exclusion in the silages was to increase the compactness. Compared with this, the hermetic level of covering material had secondary character.
To get a sufficient fermentation quality, as well as an inhibition of mould growth in the silages, necessary boundary conditions of air exclusion were: (1) a compactness of at least 200-210 kg T/m³ and (2) a maximum permeability of the covering material of 1,7 l /m² in 24 hours (6 numbers of wraps of the used ensiling stretch film).
Sufficient air exclusion was necessary for the effectiveness of the silage additives in inhibiting mould growth and improving the fermentation quality in the silages.
The mycotoxin formation in the silages, investigated by measuring the occurrence of roquefortine C (ROF), was influenced mainly by the dry matter content of the ensiled material, regardless of the compactness and hermetic level of covering material. At a dry matter content of < 450 g/kg, about 88 % of the silages contained roquefortine C. Between 450 to 550 g/kg dry matter about 10 % of the silages containing roquefortine C, however, at low levels in the range of the detectable content of ≥ 0,05 mg ROF/kg dry matter. At a dry matter content of > 550 g/kg, no roquefortine C was found in the silages.
Summarised, the measured amounts of < 1,0 mg ROF/kg roquefortine C in the silages is considered to be relatively low. Within the actual state of knowledge of toxicology, it is not considered dangerous to feed ruminant animals with silages containing these low amounts of roquefortine C.
Meinen Eltern
Konrad † und Maria Schmerbauch
Inhaltsverzeichnis
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1 Einleitung und Problemstellung
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2
Literaturübersicht
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2.1
Silierung von Grünfutter
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2.2 Schimmelpilzwachstum in Silagen
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2.2.1
Vorkommen von Schimmelpilzen
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2.2.2 Vorkommen von Mykotoxinen
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2.2.3 Bedeutung für Mensch und Tier
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2.3 Nachweis von Pilzwachstum
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2.4 Einflußfaktoren auf das Pilzwachstum
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2.5 Schlußfolgerungen
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3
Material und Methoden
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3.1
Praxissilierversuche
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3.2 Laborsilierversuche
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3.3 Begleitende Untersuchungen
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3.3.1
Gasdurchlässigkeit der verwendeten Silierstretchfolie
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3.3.2 Toxinbildungsvermögen von Penicillium roqueforti - Isolaten
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3.3.3 Methodenvergleich zur Beurteilung der aeroben Stabilität
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3.4 Verwendete Analysenmethoden
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3.4.1
Chemische Analytik
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3.4.2 Mikrobiologische Analytik
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3.4.3 Eigene Entwicklung und Modifikation von chemischen Methoden
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3.4.3.1
Bestimmung von Ergosterin
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3.4.3.2 Bestimmung von Roquefortin C
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4
Ergebnisse
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4.1
Praxissilierversuche
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4.2 Laborsilierversuche
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4.3 Pilzwachstum und Ergosteringehalt
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4.4 Gasdurchlässigkeit von Silierstretchfolie
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4.5 Aerobe Stabilität der Silagen
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4.5.1
Methodenvergleich
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4.5.2 Aerobe Stabilität und Luftabschluß
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4.6 Toxinbildungsvermögen von Penicillium roqueforti-Isolaten
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5
Diskussion
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5.1
Gärqualität der Silagen
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5.2 Pilzwachstum
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5.3 Mykotoxingehalt
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6
Zusammenfassung
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Literaturverzeichnis
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Anhang
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Verwendete Abkürzungen
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Selbständigkeitserklärung
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Danksagung
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Lebenslauf
Tabellen
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Tab. 1: Ernte, Pflanzenbestand, Siliergutparameter und Varianten bei den Praxissilierversuchen
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Tab. 2:
Ernte, Pflanzenbestand und Siliergutparameter bei den Laborsilierversuchen
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Tab. 3: Varianten der Laborsilierversuche (L 1: Faßsilos, L 2 bis L 5: Laborsilos)
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Tab. 4: Wiederfindungsrate von Ergosterin in verschiedenen Futtermitteln
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Tab. 5: Wiederfindungsrate von Roquefortin C in Grassilage
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Tab. 6: Versuch P 1 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Rand und Kern von Silagen nach 4 Monaten Lager (n = 2)
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Tab. 7: Versuch P 2 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Rand und Kern von Silagen nach 6 Monaten Lager (n = 2)
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Tab. 8: Versuch P 3 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Rand und Kern von Silagen nach 6 Monaten Lager (n = 1-2)
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Tab. 9: Versuch P 4 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Rand und Kern von Silagen nach 5 Monaten Lager (n = 2)
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Tab. 10: Versuch P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Rand und Kern von Silagen nach 4 Monaten Lager (n = 1-2)
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Tab. 11: Versuche P 1 bis P 3 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf den Pilzbefall in Rand und Kern von Silagen nach 4 bis 6 Monaten Lager
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Tab. 12: Versuche P 4 und P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf den Pilzbefall in Rand und Kern von Silagen nach 4 bis 5 Monaten Lager
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Tab. 13: Versuche P 1 bis P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) auf ausgewählte Gärparameter und die Pilzkeimzahl in Rand und Kern von Silagen bei 6 Folienlagen
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Tab. 14: Versuche P 1 bis P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf das Vorkommen von Roquefortin C (≥ 0,05 mg ROF/kg T) in den Silagen (n = 330)
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Tab. 15: Versuche P 1 bis P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf den Roquefortin C - Gehalt in Rand und Kern von Silagen nach 4 - 6 Monaten Lager
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Tab. 16: Versuch L 1 - Einfluß von T-Gehalt, Dichte, Silierzusätzen und äußerem Luftabschluß auf Gärparameter in Rand und Kern von Silagen (Faßsilos) nach 3 Monaten Lager (n = 2)
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Tab. 17: Versuche L 2 und L 3 - Einfluß von T-Gehalt, Dichte und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Silagen nach 1 Monat Lager bei Erdeintrag und verstärkter Lufteinwirkung (n = 3-4)
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Tab. 18: Versuch L 4 - Einfluß von T-Gehalt, Dichte und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Silagen nach 1 Monat Lager bei verstärkter Lufteinwirkung und Pilzsporenbeimpfung (n = 1-2)
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Tab. 19: Versuch L 5 - Einfluß von T-Gehalt, Dichte und Folienlagenzahl auf Gärparameter in Silagen nach 1 Monat Lager bei verstärkter Lufteinwirkung und Pilzsporenbeimpfung (n = 1-2)
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Tab. 20: Versuche P 2 bis P 5 - Aerobe Stabilität (Temperaturanstieg) in Rand und Kern der Silagen bei Unterteilung in die einzelnen Varianten der Verdichtung (C / R / RS)
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Tab. 21: Toxinbildungsvermögen von aus Grassilagen isolierten Penicillium roqueforti - Stämmen (Nährmedium: Grassilage, 14 Tage abgedunkelt bei Raumtemperatur aerob inkubiert)
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Tab. A 1: Versuche P 1 bis P 5 - Trockenmasse-Dichte bei den Silageballen
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Tab. A 2: Versuche P 4 und P 5 - durchschnittliche Häcksellängenverteilung bei den Silagen
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Tab. A 3: DLG-Schlüssel zur Beurteilung der Gärqualität von Grünfuttersilagen (1992/1997) [WEISSBACH und HONIG, 1992; WEISSBACH und HONIG, 1997]
Bilder
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Abb. 1: Ökologische Parameter für Pilzwachstum und Mykotoxinbildung [OMINSKI et al., 1994]
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Abb. 2: Einfluß des aW-Wertes auf Wachstum und Mykotoxinbildung ausgewählter Schimmelpilzarten [nach Ergebnissen von NORTHOLT et al., 1978; NORTHOLT et al., 1979a]
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Abb. 3: Grassilagebereitung mit einer hochverdichtenden Compactrollenpresse
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Abb. 4: Auslagerung der Silageballen mit einem Ballenschneidmesser
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Abb. 5: Schematische Darstellung eines zylindrischen Laborsilos für die Versuche L 2 bis L 5
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Abb. 6: Stahlbehälter zur radiometrischen Messung der Gasdurchlässigkeit von Stretchfolie
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Abb. 7: Schema der Messung des Temperaturanstiegs zur Beurteilung der aeroben Stabilität
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Abb. 8: Versuch P 1 - Beziehung zwischen Pilzkeimzahl (lg) und pH-Wert in den Silagen
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Abb. 9: Versuch P 2 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf den Buttersäuregehalt in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 2)
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Abb. 10: Versuch P 3 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf den Buttersäuregehalt in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 1-2)
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Abb. 11: Versuch P 3 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf den Milchsäuregehalt in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 1-2)
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Abb. 12: Versuch P 4 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf den Buttersäuregehalt in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 1-2)
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Abb. 13: Versuch P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf den Milchsäuregehalt in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 1-2)
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Abb. 14: Versuch P 1 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf die Pilzkeimzahl (lg) in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 2)
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Abb. 15: Versuch P 2 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf die Pilzkeimzahl (lg) in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 2)
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Abb. 16: Versuch P 3 - Einfluß von Dichte und Folienlagenzahl auf die Pilzkeimzahl (lg) in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 1-2)
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Abb. 17: Versuch P 4 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf die Pilzkeimzahl (lg) in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 2)
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Abb. 18: Versuch P 5 - Einfluß von Dichte / Häcksellänge (RS) und Folienlagenzahl auf die Pilzkeimzahl (lg) in Rand und Kern von Silagen im Verlauf der Silierung (n = 1-2)
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Abb. 19: Versuche P 1 bis P 5 - Einfluß von Lagerungsdichte und Folienlagenzahl auf die Pilzkeimzahl in Rand und Kern der Silagen (n: R = 122 / RS = 60 / C = 148)
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Abb. 20: Versuche P 1 bis P 5 - Vorkommen von Roquefortin C (≥ 0,05 mg ROF/kg T) in den Silagen in Abhängigkeit von Pilzkeimzahl (lg) und T-Gehalt (n = 330)
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Abb. 21: Versuche P 1 bis P 5 - Vorkommen von Roquefortin C (≥ 0,05 mg ROF/kg T) in den Silagen in Abhängigkeit von Lagerungsdichte und T-Gehalt (n = 330)
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Abb. 22: Versuch L 1 - Einfluß von T-Gehalt, Silierzusätzen und Luftabschluß auf den Pilzbefall in verschiedenen Schichten von Silagen (Faßsilos) nach 3 Monaten Lager (n = 2)
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Abb. 23: Versuche L 2 und L 3 - Einfluß von Aufwuchs, T-Gehalt, Folienlagenzahl und Lufteinfluß auf den Pilzbefall in Silagen bei Schadbelastung durch Erdeintrag, 1 Monat Lager (n = 3-4)
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Abb. 24: Versuche L 4 und L 5 - Einfluß von Aufwuchs, T-Gehalt, Folienlagenzahl und Pilzsporenbeimpfung auf den Pilzbefall in Silagen bei verstärktem Lufteinfluß, 1 Monat Lager (n = 1-2)
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Abb. 25: Versuche L 4 und L 5 - Einfluß von Aufwuchs, T-Gehalt und Folienlagenzahl auf den Mykotoxingehalt in beimpften Silagen bei verstärkter Lufteinwirkung, 1 Monat Lager (n = 1-2)
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Abb. 26: Versuche L 4 und L 5 - Beziehung zwischen T-Gehalt und Roquefortin C-Gehalt in mit Penicillium roqueforti beimpften Silagen bei verstärkter Lufteinwirkung, 1 Monat Lager (n = 1-2)
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Abb. 27: Versuch P 3 - Einfluß von Lagerungsdichte und Folienlagenzahl auf den Ergosteringehalt in Rand und Kern der Silagen (n: R = 14 / C = 32)
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Abb. 28: Versuche P 1, P 2, P 4 und P 5 - Einfluß von Lagerungsdichte und Folienlagenzahl auf den Ergosteringehalt in Rand und Kern der Silagen (n: R = 108 / RS = 60 / C = 116)
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Abb. 29: Beziehung zwischen Pilzkeimzahl und Ergosteringehalt in ausgewählten Versuchen
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Abb. 30: Versuche P 1 bis P 5 - Pilzkeimzahl (logarithmisch) und Ergosteringehalt in Rand und Kern der Silagen in Abhängigkeit von der Folienlagenzahl (n: R = 122 / RS = 60 / C = 148)
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Abb. 31: Gasdurchlässigkeit bei unterschiedlicher Anzahl von Stretchfolienlagen (1 F bis 8 F)
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Abb. 32: Versuche P 2 bis P 5 - Vergleich der Meßergebnisse von zwei Methoden (Temperaturanstieg / Sauerstoffverbrauch) zur Beurteilung der aeroben Stabilität von Silagen (n = 107)
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Abb. 33: Versuch P 5 - Einfluß von T-Dichte und Folienlagenzahl auf die aerobe Stabilität (AE-T) in Rand und Kern von 2 und 4 Monate gelagerten buttersäurefreien Silagen (n: R=24 / C=24)
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Abb. 34: Versuch P 5 - Beziehung zwischen aerober Stabilität (Temperaturanstieg) und Pilzkeimzahl (lg) in 2 und 4 Monate gelagerten buttersäurefreien Silagen (n: R=24 / C=24)
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Abb. A 1: Quantifizierung von Milch-, Essig-, Propion- und Buttersäure mittels Ionenausschluß-Chromatographie - Chromatogramm der Standardsubstanzen (Buttersäure hier: n-Buttersäure)
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Abb. A 2: Quantifizierung von Milch-, Essig-, Propion- und Buttersäure mittels Ionenausschluß-Chromatographie - Chromatogramm einer Grassilageprobe
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Abb. A 3: Quantifizierung von Ammoniak als Ammonium-Ion (NH4
+-Ion) mittels Ionenaustausch-Chromatographie - Chromatogramm der Standardsubstanz
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Abb. A 4: Quantifizierung von Ammoniak als Ammonium-Ion (NH4
+-Ion) mittels Ionenaustausch-Chromatographie - Chromatogramm einer Grassilageprobe
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Abb. A 5: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Chromatogramm der Standardsubstanz
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Abb. A 6: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Chromatogramm einer Grünfutterprobe
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Abb. A 7: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Chromatogramm einer Maissilageprobe
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Abb. A 8: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Chromatogramm einer Grassilageprobe
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Abb. A 9: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Chromatogramm einer Getreideprobe
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Abb. A 10: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Ermittlung der Wiederfindungsrate – Chromatogramm einer Getreideprobe (Get. 2) ohne Addition von Ergosterin (natürlicher Gehalt)
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Abb. A 11: Bestimmung von Ergosterin mittels HPLC - Ermittlung der Wiederfindungsrate - Chromatogramm einer Getreideprobe (Get.2) mit Addition von 10 mg ERG/kg T
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Abb. A 12: Bestimmung von Roquefortin C mittels HPLC - Chromatogramm der Standardsubstanz
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Abb. A 13: Bestimmung von Roquefortin C mittels HPLC - Chromatogramm einer mykotoxin-negativen (< 0,05 mg ROF/kg T) Grassilageprobe
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Abb. A 14: Bestimmung von Roquefortin C mittels HPLC - Chromatogramm einer mykotoxin-positiven (≥ 0,05 mg ROF/kg T) Grassilageprobe
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Abb. A 15: Bestimmung von Roquefortin C mittels HPLC - Ermittlung der Wiederfindungsrate - Chromatogramm einer Grassilageprobe (Si. 1) ohne Addition von Roquefortin C
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Abb. A 16: Bestimmung von Roquefortin C mittels HPLC - Ermittlung der Wiederfindungsrate - Chromatogramm einer Grassilageprobe (Si. 1) mit Addition von 3,2 mg ROF/kg T
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Abb. A 17: Bestätigung der als Impfkulturen für die Laborsilierversuche L 4 und L 5 vorge-sehenen Penicillium roqueforti - Isolate Pc.24 und Pc.38 durch die DSMZ
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Abb. A 18: Protokoll der DSMZ über die Identifizierung des Penicillium roqueforti - Isolats Pc.24
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Abb. A 19: Protokoll der DSMZ über die Identifizierung des Penicillium roqueforti - Isolats Pc.38
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