E-Dissertationen

Identification, Virulence and Ecological Characterisation of Indigenous Entomopathogenic Nematodes as Biological Control Agents Against Fall Armyworm (Spodoptera frugiperda) in Nigeria

Tue, 07 Apr 2026 00:00:00 GMT

Identification, Virulence and Ecological Characterisation of Indigenous Entomopathogenic Nematodes as Biological Control Agents Against Fall Armyworm (Spodoptera frugiperda) in Nigeria Okolo, Christopher Tobe Smallholder agriculture in Nigeria faces persistent insect pest pressure and a widespread dependence on chemical insecticides in several crop sectors, alongside limited awareness of sustainable alternatives. This researched evaluated the potential of indigenous entomopathogenic nematodes as biological control agents within an integrated pest management approach (IPM), using the Fall armyworm (FAW) Spodoptera frugiperda as a target organism for benchmarking. The work combines three strands of enquiry that are required for practical deployment. These are the socioeconomic conditions for adoption, the biological identification and virulence of local isolates, and the ecological characterisation that determines field fitness.
A structured survey of 740 farmers across ten Nigerian states examined awareness, perceptions, and willingness to adopt. Awareness of entomopathogenic nematodes was 12.8%, while 70.9% expressed interest in training. Perceived effectiveness and safety were neutral to moderate, and education showed a modest positive association with willingness to adopt. Cost, availability, and application complexity were the most frequent barriers. Field facing training through videos and on-farm demonstration was preferred.
From 202 soil samples collected in Ibadan and Zaria, six nematode isolates were recovered and identified by morphology and molecular markers as Heterorhabditis bacteriophora (Ib-CRIN68), Steinernema carpocapsae (Ib-IART45, Ib-ITUC102), Steinernema feltiae (Za-SAM), Steinernema nepalense (Ib-HORT), and Oscheius myriophilus (Ib-FRIN32). Recovery rates were 3.9 % in Ibadan and 1.4 % in Zaria. Virulence against S. frugiperda was stage and dose dependent. Steinernema carpocapsae isolates produced more than 90% mortality in second instars at 200 infective juveniles per insect within 72 hours. Lethal concentration values for early instars were 40 to 75 infective juveniles, and greater than 150 for pupae. Time to 50% mortality in second instars was 24 to 36 hours for S. carpocapsae.
Ecological assays showed peak infectivity and reproduction at 25 to 30°C, with progeny yields above 100,000 infective juveniles per cadaver at 25°C. Steinernema carpocapsae displayed an ambusher strategy, while H. bacteriophora penetrated deeper soil layers with a cruiser profile. Desiccation survival extended to water activity 0.83 to 0.89 for the best isolates, with MW50 between 0.88 and 0.95. Under anoxia, 72-hour survival exceeded 60% for S. carpocapsae and H. bacteriophora. Oxidative stress tolerance was highest in S. carpocapsae. These results indicate robust ecological fitness for the two leading species.
The research demonstrates that indigenous S. carpocapsae and H. bacteriophora are strong candidates for biological control of S. frugiperda in Nigerian systems. The combination of farmer willingness to learn, confirmed pathogenicity, and favourable ecological traits outlines a practical pathway for integration into pest management. Future work should prioritise semi field and field validation, development of stable and affordable formulations, and delivery models that align with farmer preferences and local production capacity.; Identifizierung, Virulenz und ökologische Charakterisierung einheimischer entomopathogener Nematoden zur biologischen Bekämpfung des Herbstheerwurms (Spodoptera frugiperda) in Nigeria
Die kleinbäuerliche Landwirtschaft in Nigeria steht unter anhaltendem Druck durch Insekten und weist in mehreren Anbausektoren eine weit verbreitete Abhängigkeit von synthetischen Insektiziden auf, bei gleichzeitig geringer Kenntnis über nachhaltige Alternativen. Diese Arbeit bewertete das Potenzial einheimischer entomopathogener Nematoden (EPN) als biologische Bekämpfungsorganismen im Rahmen eines integrierten Pflanzenschutzes. Als Zielorganismus zur Leistungsbewertung diente der Herbstheerwurm Spodoptera frugiperda. Die Studie vereint drei Untersuchungsstränge, die für eine praktische Umsetzung erforderlich sind. Diese betreffen die sozioökonomischen Bedingungen für die Einführung, die biologische Identifizierung und Virulenz lokaler Isolate sowie die ökologische Charakterisierung als Grundlage der Feldtauglichkeit von EPN in Nigeria.
Eine strukturierte Befragung von 740 Landwirtinnen und Landwirten in zehn nigerianischen Bundesstaaten erfasste Wissen, Wahrnehmungen und die Bereitschaft zur Einführung von EPN. Kenntnisse über EPN hatten 12,8% der Befragten, während 70,9% ein Interesse an Schulungen zur Nutzung von EPN äußerten. Die wahrgenommene Wirksamkeit und Sicherheit wurde neutral bis mäßig bewertet, und ein höherer Bildungsgrad stand in einem schwach positiven Zusammenhang mit der Einführungsbereitschaft von EPN. Kosten, Verfügbarkeit und Anwendungsaufwand waren die häufigsten Hemmnisse. Bevorzugt wurden praxisnahe Schulungen durch Videos und Vorführungen auf dem Feld.
Aus 202 Bodenproben aus Ibadan und Zaria wurden sechs EPN Isolate gewonnen und anhand morphologischer Merkmale sowie molekularer Marker identifiziert: Heterorhabditis bacteriophora (Ib-CRIN68), Steinernema carpocapsae (Ib-IART45, Ib-ITUC102), Steinernema feltiae (Za-SAM), Steinernema nepalense (Ib-HORT) und Oscheius myriophilus (Ib-FRIN32). Die Wiederfindungsraten betrugen 3,9% in Ibadan und 1,4% in Zaria. Die Virulenz gegenüber S. frugiperda war stadien- und dosisabhängig. Steinernema carpocapsae verursachte bei Zweitlarven mit 200 infektiösen Juvenilen je Insekt innerhalb von 72 Stunden mehr als 90% Mortalität. Lethalkonzentrationswerte für frühe Larven lagen bei 40 bis 75 infektiösen Juvenilen und bei Puppen über 150. Die Zeit bis zur 50%igen Mortalität in Zweitlarven betrug für S. carpocapsae 24 bis 36 Stunden.
Ökologische Versuche mit den EPN zeigten maximale Infektivität und Fortpflanzung bei 25 bis 30 °C, mit einer Nachkommenschaft von über 100.000 infektiösen Juvenilen je Kadaver bei 25 °C. Sterinernema carpocapsae zeigte eine Ansitzstrategie, während H. bacteriophora mit aktivem Suchverhalten in größere Bodentiefen eindrang. Das Überleben unter Austrocknung reichte bei den besten EPN Isolaten bis zu einer Wasseraktivität von 0,83 bis 0,89, mit MW50 zwischen 0,88 und 0,95. Unter Anoxie überstieg die 72-Stunden-Überlebensrate bei S. carpocapsae und H. bacteriophora 60%. Die höchste Toleranz gegenüber oxidativem Stress wurde bei S. carpocapsae festgestellt. Diese Ergebnisse belegen eine ausgeprägte ökologische Eignung der beiden führenden EPN Arten.
Diese Untersuchungen zeigen, dass einheimische S. carpocapsae und H. bacteriophora Isolate vielversprechende Kandidaten für die biologische Bekämpfung von S. frugiperda in nigerianischen Anbausystemen sind. Die Kombination aus Lernbereitschaft der Landwirte, bestätigte Pathogenität und günstigen ökologischen Eigenschaften der getesteten EPN Isolate weist einen praktikablen Weg für die Integration dieser Ergebnisses in den Pflanzenschutz auf. Zukünftige Arbeiten sollten Validierungen unter halbfreiland und freiland Bedingungen, die Entwicklung stabiler und kostengünstiger Formulierungen sowie Bereitstellungsmodelle priorisieren, die sich an den Präferenzen der Landwirte und an der lokalen Produktionskapazität orientieren sollten.

Holistic Health Approaches in Ghana

Thu, 02 Apr 2026 00:00:00 GMT

Holistic Health Approaches in Ghana Perez Arredondo, Ana Maria This thesis examines holistic health approaches in Ghana, specifically One Health and Eco-Health, guided by three interrelated research objectives through a series of essays corresponding to five chapters. The first objective traces the evolution of One Health and intersectoral collaborations across emergencies, comparative contexts, and institutional changes, examining whether One Health can be sustained beyond emergencies and which narratives and stakeholders influence policy implementation. The second objective, from a Eco-Health view, identifies how social and environmental determinants mediate health behaviours at community levels, and the third objective assesses factors influencing renewable energy adoption in health facilities, particularly photovoltaic systems as pathways toward reliable, low-carbon healthcare delivery.
Chapter 2 presents a systematic literature review of One Health approaches across SARS, MERS, and COVID-19 outbreaks. The analysis revealed three dominant framings: institutional coordination and collaboration, implementation-focused actions for disease control, and extended approaches incorporating environmental dimensions.
Chapter 3 compares Ghana and India across rabies control, avian influenza management, and flood and drought responses to illuminate how governance structures shape intersectoral collaboration trajectories. The comparison identified enabling conditions for effective collaboration: concrete shared problems, guiding frameworks, coordinating authorities, adequate resources, and sustained political commitment.
Chapter 4 examines the evolution of One Health narratives in Ghana from 2000 to 2025. Among the distinct narratives identified, crisis-response narratives dominated, reflecting experiences and the establishment of capacities to deal with disease outbreaks and mobilize resources for response, at the cost of creating dependencies privileging emergency preparedness over endemic challenges and environmental prevention.
Chapter 5 analyses how social and environmental factors mediate healthcare utilisation through household surveys from 1,200 households in Accra. Mediation analysis revealed that environmental risk perception predicted social capital formation, which influenced healthcare utilisation patterns. However, the results were not conclusive.
Chapter 6 examines renewable energy preferences through a discrete choice experiment with 193 private and faith-based health facilities. Reliability improvements emerged as the dominant driver of photovoltaic adoption, consistently outweighing cost considerations. Geographic heterogeneity was pronounced, with middle belt facilities exhibiting lower adoption propensity while northern facilities preferred higher solar coverage.
The evidence presented in this thesis shows that the implementation of holistic approaches in Ghana requires concrete shared problems, dedicated resources, and deliberate efforts to connect global policy mandates with local realities. Ghana's experience demonstrates that sustained intersectoral collaboration depends on reshaping the narratives and resource structures toward environmental and social determinants that shape population health.

Improving Explanations of Convolutional Neural Networks with Applications to Land Cover Mapping

Thu, 02 Apr 2026 00:00:00 GMT

Improving Explanations of Convolutional Neural Networks with Applications to Land Cover Mapping Stomberg, Timo Tjaden Convolutional neural networks (CNNs) have revolutionized computer vision and remain a key technology in many satellite imagery applications for environmental monitoring. As these models are integrated into scientific workflows and operational monitoring, questions about their interpretability arise; however, explaining how they generate their predictions remains challenging. Attribution methods like Grad-CAM and occlusion sensitivity are widely used to explain CNN predictions, yet they often yield differing explanations. These inconsistencies make it hard to assess reliable explanations and undermine overall trust in machine learning models.
This thesis addresses these challenges by investigating how explanations of CNN-based models can be made more interpretable, consistent, and reliable for remote sensing applications. First, we introduce UH-Net, an interpretable-by-design architecture that incorporates a high-resolution deep layer to combine semantic richness with spatial detail in attribution maps. Second, we conduct a systematic comparison of attribution methods across different CNN architectures and layers to better understand their behavior, strengths and limitations. Building on these insights, we propose a harmonization method that significantly reduces differences in attribution results across methods and provides more comprehensible explanations. Furthermore, we present two feature-specific attribution methods that achieve an inherent degree of harmonization by design. Finally, we apply our methods to naturalness mapping, making us among the first to do so using satellite imagery. To this end, we develop a high-quality Sentinel-2 dataset covering both protected and anthropogenic regions in Fennoscandia. Using UH-Net and harmonized attribution maps, we generate and evaluate large-scale naturalness maps and temporal changes across Fennoscandia from 2018 to 2024.
Overall, this work contributes new insights, methods, datasets, and applications for explainable machine learning in remote sensing. By improving the interpretability and consistency of CNN explanations, it advances the responsible and transparent application of machine learning in environmental science.; Verbesserung der Erklärbarkeit von Convolutional Neural Networks mit Anwendungen in der Landbedeckungskartierung
Convolutional Neural Networks (CNNs) haben die Bildverarbeitung nachhaltig geprägt und sind heute ein zentraler Bestandteil zahlreicher Anwendungen der satellitenbildbasierten Umweltbeobachtung. Mit ihrer Nutzung in Forschung und operativen Anwendungen steigt jedoch auch der Bedarf an Nachvollziehbarkeit und Transparenz; denn wie CNNs zu Entscheidungen gelangen, ist häufig schwer verständlich. Zwar existieren etablierte Attributionsmethoden wie Grad-CAM und Occlusion Sensitivity, doch liefern diese oftmals voneinander abweichende Erklärungen. Diese Inkonsistenzen erschweren es, verlässliche Erklärungen zu finden, was das Vertrauen in Machine-Learning-Modelle insgesamt mindert.
Die vorliegende Dissertation untersucht daher, wie sich die Erklärbarkeit CNN-basierter Modelle verständlicher, konsistenter und verlässlicher gestalten lässt. Hierfür stellen wir zunächst das UH-Net vor — eine Architektur, die durch eine tiefe, hochauflösende Repräsentationsebene detailliertere und semantisch reiche Attributionskarten erzeugt. Anschließend vergleichen wir gängige Attributionsmethoden systematisch über verschiedene CNN-Architekturen und -Ebenen hinweg, um ihr Verhalten, ihre Stärken und ihre Einschränkungen präziser einschätzen zu können. Auf Basis dessen präsentieren wir eine Harmonisierungsmethode, die Unterschiede zwischen den Verfahren deutlich reduziert und plausiblere Erklärungen ermöglicht. Ergänzend hierzu entwickeln wir zwei neue, merkmalsorientierte Attributionsverfahren, die bereits konzeptionell auf harmonisierte Attributionen abzielen. Zuletzt wenden wir unsere Methoden zur Kartierung von Natürlichkeit an und gehören damit zu den Ersten, die dies anhand von Satellitenbildern tun. Dazu erstellen wir einen Datensatz, der Sentinel-2-Bilder aus naturgeschützten sowie anthropogen geprägten Landschaften in Fennoskandien enthält. Unter Verwendung des UH-Net und harmonisierter Attributionskarten leiten wir daraus flächendeckende Natürlichkeitskarten ab und analysieren Veränderungen im Zeitraum 2018 bis 2024.
Insgesamt liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse, Methoden, Datensätze und Anwendungen für erklärbares maschinelles Lernen in der Fernerkundung. Durch die Verbesserung der Interpretierbarkeit und Konsistenz von CNN-Erklärungen trägt sie zu einem verantwortungsvollen und transparenten Einsatz von Maschinellem Lernen in Umweltwissenschaften bei.

Beyond Deforestation Reductions

Thu, 02 Apr 2026 00:00:00 GMT

Beyond Deforestation Reductions Damm, Yannic Rudá The worldwide trend in tropical forest loss has been increasing overall since the 2000s. This imposes real social costs, such as through higher greenhouse gas emissions, diminished biodiversity, and harm to livelihoods and health. Market failures drive deforestation beyond the socially optimal level, as private land-use decisions do not internalize the full utility of intact forests or the external costs from clearing. To correct these failures, policymakers have three main mechanisms: (i) raising the private costs of clearing, (ii) increasing the private utility of keeping forests, and (iii) reducing the utility of alternative land uses. Policies that influence these mechanisms may generate additional outcomes beyond avoided deforestation, which have often been overlooked and remain insufficiently studied. This dissertation analyzes the positive secondary effects of conservation policies, the co-benefits, in the Brazilian Amazon to provide a more comprehensive assessment of policy performance and impacts.
The empirical strategy relies on counterfactual impact evaluation, combining high-resolution satellite data on land cover, fires, air pollution, and climate with administrative and socioeconomic records on agricultural production, trade flows, environmental enforcement, and health. Identification draws on quasi-experimental methods, including the generalized synthetic control method for staggered policy rollout, instrumental variables that exploit exogenous variation in satellite-based monitoring effectiveness, and an approach based on differences in spatial discontinuities.
The results show that policy instruments that increase environmental scrutiny---through public disclosure of high-deforestation municipalities, strengthened monitoring and enforcement, and restricted market and credit access for non-compliant production---reduce deforestation and forest-to-pasture conversion. At the same time, the expansion of profitable soybean cultivation shifts towards already-cleared areas, consistent with land-saving intensification rather than at the expense of forests. Local labor markets, wages, and credit availability adjust accordingly to this sustainable transformation, which is associated with productivity gains. Traders mitigate risks along the supply chain by exporting towards destinations less sensitive to imported-deforestation concerns. Conservation policies also deliver substantial health co-benefits: reductions in clearings and burnings lower fine particulate air pollution and avoid associated hospitalizations and deaths.
Taken together, the evidence indicates that well-designed conservation policies can curb deforestation while generating multiple co-benefits. At the same time, both co-benefits and trade-offs are context dependent and likely heterogeneous. Recognizing and explicitly incorporating this heterogeneity into policy design and evaluation can improve the targeting and effectiveness of interventions, help protect vulnerable groups, and ensure a more equitable distribution of gains. Clearly communicating co-benefits and trade-offs could also help strengthen public, economic and political support for forest conservation.; Mehr als nur Waldschutz : Co-Benefits von Naturschutzpolitiken im brasilianischen Amazonas
Der weltweite Verlust tropischer Wälder hat seit den 2000er-Jahren insgesamt zugenommen und verursacht erhebliche gesellschaftliche Kosten. Dazu gehören zum Beispiel höhere Treibhausgasemissionen, ein Rückgang der Biodiversität sowie Beeinträchtigungen von Lebensgrundlagen und Gesundheit. Marktversagen führt zu übermäßiger Entwaldung, da private Landnutzungsentscheidungen weder den vollen Nutzen intakter Wälder noch die von Waldrodungen ausgehenden externen Kosten berücksichtigen. Um dieses Marktversagen zu korrigieren, verfügen politische Entscheidungsträgerinnen und -träger über drei zentrale Mechanismen: (i) die privaten Kosten von Waldrodung erhöhen, (ii) den privaten Nutzen bestehender Wälder steigern und (iii) den Nutzen alternativer, nicht-waldlicher Landnutzungen senken. Politiken, die diese Mechanismen beeinflussen, können neben vermiedener Entwaldung zusätzliche Wirkungen entfalten, welche bislang häufig übersehen und wenig untersucht wurden. Diese Dissertation analysiert die positiven Begleiteffekte ("Co-Benefits") von Naturschutzpolitiken im brasilianischen Amazonasgebiet und ermöglicht dadurch eine umfassendere Bewertung politischer Entscheidungen.
Die empirische Strategie beruht auf kontrafaktischer Wirkungsabschätzung und verknüpft hochauflösende Satellitendaten zu Bodenbedeckung, Bränden, Luftverschmutzung und Klima mit administrativen und sozioökonomischen Informationen zu landwirtschaftlicher Produktion, Handelsströmen, Durchsetzung von Umweltvorschriften und Gesundheit. Die Identifikation stützt sich auf quasi-experimentelle Methoden, darunter das für gestaffelte Politikeinführungen geeignete generalisierte synthetische Kontrollverfahren, Instrumentalvariablen, die die exogene Variation in der Effektivität satellitengestützter Überwachung ausnutzen, sowie einen Ansatz der Differenzen in räumlichen Diskontinuitäten.
Die Ergebnisse zeigen, dass Politiken, die die Einhaltung von Umweltregularien verstärken -- etwa durch Aufdeckung und Nennung von Gemeinden mit hohen Entwaldungsraten, durch verstärkte Überwachung und Durchsetzung von Umweltvorschriften sowie durch beschränkten Markt- und Kreditzugang für unzulässige Produktion -- die Entwaldung und die Umwandlung von Wald in Weideland verringern. Gleichzeitig verlagert sich die Expansion profitabler Sojabohnenkulturen auf bereits gerodete Flächen, was auf eine flächensparende Intensivierung hindeutet. Lokale Arbeitsmärkte, Löhne und Kreditvergabe passen sich an diesen nachhaltigen Strukturwandel an, der mit Produktivitätsgewinnen verbunden ist. Entlang der Lieferketten mindern Händler Risiken, indem sie verstärkt in Absatzmärkte exportieren, die weniger sensibel auf importiertes Entwaldungsrisiko reagieren. Naturschutzpolitiken bringen zudem substanzielle Gesundheitsvorteile: Weniger Rodungen und Brände senken die Luftverschmutzung und Feinstaubbelastung und reduzieren damit einhergehende Krankenhauseinweisungen und Todesfälle.
Insgesamt deutet die Evidenz darauf hin, dass gut gestaltete Naturschutzpolitiken Entwaldung wirksam bekämpfen und gleichzeitig vielfältige Co-Benefits generieren können. Gleichzeitig sind sowohl Co-Benefits als auch Zielkonflikte stark kontextabhängig und vermutlich heterogen. Eine explizite Berücksichtigung dieser Heterogenität in der Gestaltung und Evaluierung von Politiken kann die Zielgenauigkeit und Wirksamkeit von Maßnahmen erhöhen, vulnerable Gruppen besser schützen und zu einer gerechteren Verteilung der Gewinne beitragen. Dadurch könnte auch die öffentliche, ökonomische und politische Unterstützung für den Waldschutz gestärkt werden.