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Die Minimierung von Chlorat bei der elektrolytischen Gießwasserdesinfektion ist aufgrund problematischer Chloratrückstände in pflanzlichen Lebensmitteln von Bedeutung. Im Hinblick auf verfahrenstechnische Optimierungsvorschläge wurde daher am Beispiel einer Salzelektrolyseanlage (Einkammersystem) geprüft, wie viel Chlorat beim Herstellungsprozess des Desinfektionsmittels entsteht und wie sich dessen Anteil bei einer Lagerung unter warmen Temperaturbedingungen im Gewächshaus verändert. Zudem wurde untersucht, wie sich der Pflanzendünger Ammonium auf das Desinfektionsmittel auswirkt. Dabei ergab sich, dass die Chloratbildung durch eine Kühlung des Elektrolysereaktors sowie des Desinfektionsmitteltanks und durch ein zur Kurzzeitlagerung ausgelegtes Bevorratungssystem von Desinfektionsmittel minimiert werden könnte. Ferner wurde bestätigt, dass Ammonium den Desinfektionsmittelverbrauch bzw. Chlorateintrag deutlich erhöht. Daher empfiehlt sich eine sensorbasierte Dosierung, um sich ändernde chemische Vorgänge im Gießwasser (Chlorzehrung) zu berücksichtigen.
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LANDTECHNIK 71(2), 2016, 25–34
Chloratminimierung bei der elektrolytischen
Desinfektion von Gießwasser
Ingo Schuch, Dennis Dannehl, Martina Bandte, Johanna Suhl, Yuan Gao, Uwe Schmidt
Die Minimierung von Chlorat bei der elektrolytischen Gießwasserdesinfektion ist aufgrund
problematischer Chloratrückstände in pflanzlichen Lebensmitteln von Bedeutung. Im Hinblick
auf verfahrenstechnische Optimierungsvorschläge wurde daher am Beispiel einer Salzelek-
trolyseanlage (Einkammersystem) geprüft, wie viel Chlorat beim Herstellungsprozess des
Desinfektionsmittels entsteht und wie sich dessen Anteil bei einer Lagerung unter warmen
Temperaturbedingungen im Gewächshaus verändert. Zudem wurde untersucht, wie sich der
Pflanzendünger Ammonium auf das Desinfektionsmittel auswirkt. Dabei ergab sich, dass die
Chloratbildung durch eine Kühlung des Elektrolysereaktors sowie des Desinfektionsmittel-
tanks und durch ein zur Kurzzeitlagerung ausgelegtes Bevorratungssystem von Desinfektions-
mittel minimiert werden könnte. Ferner wurde bestätigt, dass Ammonium den Desinfektions-
mittelverbrauch bzw. Chlorateintrag deutlich erhöht. Daher empfiehlt sich eine sensorbasierte
Dosierung, um sich ändernde chemische Vorgänge im Gießwasser (Chlorzehrung) zu berück-
sichtigen.
Schlüsselwörter
Wasserdesinfektion, Salzelektrolyse, Hypochlorit, Chlorat, Chlorzehrung
Bei der Nutzung von Oberflächenwasser (v. a. gespeichertes Regenwasser) für die Bewässerung und
bei einer Wiederverwendung von überschüssigem Gießwasser (v. a. bei geschlossenen Systemen) ist
das Verbreitungsrisiko von wasserbürtigen Phytopathogenen erhöht (Sally 2011). Zur Senkung des
Befallsrisikos existieren bereits mehrere Verfahren zur Wasserdesinfektion, die prinzipiell für den
Pflanzenbau geeignet sind. Dabei sind physikalische Desinfektionsverfahren (Wärme, UV-Strahlung,
Filtration) von den chemischen Verfahren (Ozon, Wasserstoffperoxid, Kupfer-/Silber-Ionen, Chlordio-
xid, Chlor) zu unterscheiden (van OS 2010). Im Gegensatz zu den physikalischen verfügen die chemi-
schen Verfahren über den Vorteil einer potenziellen Wirkung im gesamten Bewässerungssystem; da-
mit kann die Krankheitsübertragung von Pflanze zu Pflanze verhindert werden (WOhanka et al. 2015).
Problematisch ist bei den chemischen Desinfektionsverfahren jedoch eine mögliche Akkumula-
tion von unerwünschten Nebenprodukten im Wasser bzw. in den damit kultivierten Pflanzen oder
gewaschenen Pflanzenteilen. So zeigt eine umfangreiche Studie mit 1.020 Proben von Lebensmitteln
pflanzlichen Ursprungs, dass bei rund 10 % der Proben ≥ 0,01 mg Chlorat (ClO3
) pro kg Lebensmittel
nachweisbar ist (kaufmann-hOrlacher 2014). Chlorate, wie Natrium- oder Kaliumchlorat, wurden in
der Vergangenheit als Unkrautvernichtungsmittel eingesetzt. Diese sind allerdings seit 2010 in der
Europäischen Union als Herbizide nicht mehr zugelassen (eurOpäiSche kOmmiSSiOn 2008). Zudem kann
Chlorat beim Menschen zu einer Schädigung der roten Blutkörperchen und Hemmung der Jodaufnah-
me führen (Bfr 2014). Daher hat die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit eine vorläufige
Stellungnahme zum Chlorat-Grenzwert in Lebensmitteln veröffentlicht (efSa 2015), der sich auf eine
DOI:10.15150/lt.2016.3119
eingereicht 19. Oktober 2015 | akzeptiert 3. Februar 2016 | veröffentlicht 4. März 2016
© 2016 bei den Autoren. Dieser Open-Access-Artikel steht unter den Bedingungen der Creative-Commons-Lizenz
Namensnennung (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)
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akute Referenzdosis von 0,036 mg pro kg Körpergewicht und Tag bezieht. Die toxikologische Risiko-
bewertung wird allerdings noch fortgesetzt, da der bisherige Erkenntnisstand keine abschließende
gesundheitliche Bewertung zulässt.
Zur Frage, durch welche verfahrenstechnischen Prozesse das Chlorat in Lebensmittel gelangt,
wird u. a. der Einsatz von gechlortem Gieß- und Waschwasser in der Vor- und Nachernte vermutet
(kaufmann-hOrlacher 2014). Hierzu erfolgte bereits der Nachweis, dass eine Chlordesinfektion mit
elektrolytisch hergestelltem Hypochlorit (ClO) bei zirkulierendem Gießwasser (NFT-Verfahren) zur
Anreicherung von Chlorat in Tomatenfrüchten führen kann (Dannehl et al. 2015a). Bei dem zugrunde-
liegenden Desinfektionsverfahren wird entweder handelsübliche Chlorbleichlauge (Natriumhypoch-
lorit) aus Fässern verwendet oder das Desinfektionsmittel wird in Anlagen vor Ort selbst hergestellt.
Diese sogenannten Elektrolyseanlagen werden bislang vorrangig zur Aufbereitung von Trink- und
Badewasser eingesetzt (DygutSch und kramer 2012). Dabei wird aus Salz (z. B. NaCl), Wasser und
elektrischen Strom eine hypochlorithaltige Desinfektionslösung hergestellt. Die hierfür notwendige
Energie wird der Salzlösung (Elektrolyt bzw. Sole) über Elektroden (Anode und Kathode) zugeführt.
Während der so erzwungenen Stoffumwandlung (Redoxreaktion) werden Elektronen (e) übertragen.
Diese werden von negativ geladenen Ionen (Chlorid) an der Anode abgegeben (Gleichung 1) und von
positiv geladenen Ionen oder neutralen Stoffen (Wasser) an der Kathodenseite aufgenommen (Glei-
chung 2). Letztlich reagieren Hydroxid (OH) und Chlor (Cl2) nach Gleichung 3 zu Hypochlorit (ClO)
und Chlorid (Cl).
2 Cl Cl2 + 2 e (Gl. 1)
2 H2O + 2 e 2 OH + H2 (Gl. 2)
2 OH + Cl2ClO + Cl + H2O (Gl. 3)
Bei der Salzelektrolyse können sich je nach pH-Wert des zu desinfizierenden Wassers zwei unter-
schiedliche Chlorverbindungen in Form von Hypochlorit (ClO) bzw. hypochloriger Säure (HClO) aus-
bilden, die jedoch gemeinsam als freies Chlor bezeichnet werden (clark und SmajStrla 1992). Die zu-
gehörige Dissoziationsreaktion ist reversibel (Gleichung 4). Daher steigt der Anteil der hypo chlorigen
Säure, so wie der Hypochloritanteil abnimmt und umgekehrt. Während bei pH < 6 die hypochlorige
Säure (HClO) mit einer hohen Desinfektionsleistung überwiegt, ist es ab pH > 6 zunehmend das Hy-
pochlorit (ClO) mit geringerer Desinfektionsleistung. Ab pH > 7,5 gilt die desinfizierende Wirkung
als unzureichend (meBalDS et al. 1996).
ClO + H+ HClO (Gl. 4)
In wässriger Lösung erfolgt die Disproportionierung von drei Teilen Hypochlorit (ClO) in einer
mehrstufigen Reaktion zu einem Teil Chlorat (ClO3) und zwei Teilen Chlorid (Cl). Die Gesamtreak-
tion wird mit Gleichung 5 beschrieben. Dieser Prozess wird v. a. durch hohe Hypochloritkonzentrati-
onen, UV-Strahlung und Wärme beschleunigt (Strähle 1999, gaBriO et al. 2004). Aufgrund der unter
Wärmezufuhr ablaufenden Reaktionen kann sich so bereits während der elektrochemischen Herstel-
lung der Desinfektionslösung ein Chloratanteil von 2 bis 8 % ausbilden (DygutSch und kramer 2012).
3 ClO ClO3 + 2 Cl (Gl. 5)
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Das zu desinfizierende Wasser kann hinsichtlich seiner Nutzungsart und chemischen Parameter
unterschiedlich sein. So enthält zirkulierende Nährlösung für hydroponische Gemüsekulturen wie
Tomate oder Gurke mit 18 mg Ammonium pro Liter (SOnnevelD und Straver 1988), im Vergleich zum
Trinkwasser mit < 0,05 mg Ammonium pro Liter (BWB 2015), eine wesentlich höhere Konzentration
an Pflanzennährstoffen. Zudem erhöht der Stickstoffdünger Ammonium (NH4+) die Chlorzehrung im
Wasser und oxidiert mit hypochloriger Säure (HClO) in mehreren Teilschritten zunächst zu Chlora-
min (gebundenes Chlor) mit verminderter antimikrobieller Wirkung (uS natiOnal reSearch cOuncil
1987), dann zu Nitrit und zuletzt weiter zu der für Pflanzen schnell verfügbaren Stickstoffquelle
Nitrat (NO3) (Bryant et al. 1992). Dabei bindet 1 mg Ammonium-Stickstoff (NH4-N) etwa 10 mg der
als freies Chlor messbaren hypochlorigen Säure (WOhanka et al. 2015). Die Gesamtreaktion wird mit
Gleichung 6 dargestellt.
4 HClO + NH4+ NO3 + H2O + 6 H+ + 4 Cl (Gl. 6)
Im Mittelpunkt dieses Beitrags steht die verfahrenstechnische Adaption der bislang vorrangig zur
Desinfektion von Trink- und Badewasser eingesetzten Elektrolysetechnik für den Anwendungsfall
der Gießwasserdesinfektion, vor allem bei geschlossenen Bewässerungssystemen. Am Beispiel einer
Salzelektrolyseanlage (Einkammersystem) wird ermittelt, wie viel problematisches Chlorat beim Her-
stellungsprozess des Desinfektionsmittels entsteht und wie sich dessen Anteil bei einer Lagerung un-
ter den warmen Temperaturbedingungen im Gewächshaus (Sommerbetrieb) verändert. Zudem wird
untersucht, wie sich der Pflanzendünger Ammonium auf den Desinfektionsmittelverbrauch bzw.
Chlorateintrag ins Gießwasser auswirkt.
Material und Methoden
Gegenstand der Untersuchungen ist eine Einkammer-Salzelektrolyseanlage (nt-BlueBox mini nt-CLE,
newtec Umwelttechnik GmbH, Berlin), die im Experimentalgewächshaus der Humboldt-Universität
zu Berlin (Standort Dahlem) zur Vor-Ort-Herstellung einer Desinfektionslösung dient (Abbildung 1).
Salzelektrolyse
Während des elektrochemischen Herstellungsvorgangs der Desinfektionslösung wird im Elektro-
lysereaktor (Abbildung 1, C: Einkammersystem ohne Membran) eine Lösung mit ca. 3,5 % Salzge-
halt (Sole) durch das Anlegen eines elektrischen Gleichstroms (≈ 9 A) im Niedervoltbereich (≈ 13
V) für 15 min einer Redoxreaktion unterzogen. Die Sole (Abbildung 1, B) enthält Kaliumchlorid
(KCl ≥ 99,5 %, p. a., ACS, ISO, Carl Roth GmbH + Co. KG, Karlsruhe). Da diese mit Leitungswasser
(≈ 16 °dH) erzeugt wird, ist die Anlage mit einem Wasserenthärter (Abbildung 1, A) zur Vermeidung
von Kalk ablagerungen auf den titanbeschichteten Elektroden ausgestattet. Zur Lagerung der Desin-
fektionslösung dient ein Vorratstank (Abbildung 1, D) mit Füllstandssensor. Dieser regelt bei einer
Desinfektionsmittelentnahme (z. B. durch eine Dosiervorrichtung) die automatische Tanknachfüllung
bis zum Erreichen eines vorgegebenen Sollwerts. Die Funktionsweise der Salzelektrolyseanlage ba-
siert auf zwei Patenten des Anlagenbauers (gaO et al. 1997, gaO 2010).
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Analyse zur Chloratbildung
Um den Einfluss der Lagerdauer unter den warmen Temperaturbedingungen im Gewächshaus (Som-
merbetrieb) auf den Gehalt von Chlor und Chlorat in der Desinfektionslösung zu ermitteln, wurde
diese nach der salzelektrolytischen Herstellung für vier Wochen (August 2014) im Gewächshaus ge-
lagert. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass die Tagesmitteltemperatur der Desinfektionslösung
dem Tagesmittel der gemessenen Lufttemperatur (5-Minuten-Intervall) im Gewächshaus entspricht.
Ergänzend hierzu lagen die Sollwerte (Tag/Nacht) der Heizungstemperatur bei 17/20 °C und der
Lüftungstemperatur bei 24/24 °C. Die Temperatur im Gewächshaus wurde in 2 m Höhe mit einem
strahlungsgeschützten und ventilierten Klimamessgerät (P-TF-30, Positronik, Au in der Hallertau)
gemessen. Das freie Chlor (Cl2) in der Desinfektionslösung wurde mit der DPD-Methode (cleScerl et
al. 1999) und einem Photometer (Pocket Colorimeter II, Hach Lange GmbH, Düsseldorf/Berlin) jeweils
zum Beginn (n = 4, doppelte Probenanalyse) sowie zum Ende der Lagerung bestimmt. Analog dazu
erfolgten die Chloratmessungen mittels QuPPe-Methode (anaStaSSiaDeS et al. 2013) und Flüssigchro-
matographie mit Massen spektrometrie-Kopplung (1290 Infinity LC und 6460 Triple Quadrupole MS/
MS, Agilent Technologies GmbH, Waldbronn).
Analyse zur Chlorzehrung
Um den Einfluss von Ammonium auf die Chlorzehrung im Gießwasser zu quantifizieren, wurde eine
Nährlösung mit einem Ammoniumgehalt von 10 mg/l (± 0,5 mg/l) und einem pH-Wert von 6 herge-
stellt (n = 2). Hierzu wurden Trink- und Regenwasser (50 %/50 %) mit einer Stammlösung für hydro-
ponische Kulturen nach SOnnevelD und Straver (1988) gedüngt und mit Phosporsäure (3 % H3PO4)
angesäuert. Dabei erfolgte die Ammoniummessung mittels Nessler-Methode (hanna inStrumentS inc.
2010) sowie Photometer (HI 96733, Hanna Instruments GmbH, Vöhringen) und die pH-Messung
mittels Multiparameter-Meter (HI 9811, Hanna Instruments GmbH, Vöhringen). Abschließend wurde
zur Nährlösung die Desinfektionslösung in Konzentrationsstufen von 5, 10, 50, 75 und 100 mg freies
Abbildung 1: Innenansicht der Salzelektrolyseanlage mit den Komponenten Wasserenthärter (A), Soletank (B),
Elektrolysereaktor (C), Desinfektionsmitteltank (D) und Steuermodul (E) (Foto: I. Schuch)
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Chlor/l zugegeben, um nach 10 min Reaktionszeit das verbleibende freie Chlor mittels DPD-Methode
(cleScerl et al. 1999) und Photometer (Pocket Colorimeter II, Hach Lange GmbH, Düsseldorf/Berlin)
zu erfassen. Analog dazu wurden Vergleichsmessungen mit Trinkwasser und einem Ammonium-
gehalt < 0,05 mg/l (BWB 2015) durchgeführt. Alle Messungen erfolgten mit doppelter Probenanalyse.
Ergebnisse und Diskussion
Die exemplarisch verwendete Einkammer-Elektrolyseanlage produziert eine Desinfektionslösung mit
einer durchschnittlichen Konzentration an freiem Chlor von 4.872 mg/l (± 612 mg/l) und Chlorat von
197 mg/l (± 154 mg/l) (Abbildung 2), was – bezogen auf das freie Chlor – einem geringen Chlorat-
anteil von rund 4 % entspricht. Dabei ist die Chloratbildung vermutlich auf den endothermen Herstel-
lungsprozess im Elektrolysereaktor zurückzuführen (Strähle 1999, gaBriO et al. 2004). Im Vergleich
dazu weisen ähnliche Anlagen einen Chloratanteil von 2 bis 8 % auf (DygutSch und kramer 2012).
Bereits nach vierwöchiger Lagerung der Desinfektionslösung im Gewächshaus (Sommerbetrieb) mit
einer Lagertemperatur, die im Gesamtmittel bei 22,4 °C liegt und im Tagesmittel von 20,5 bis 25,6 °C
reicht, jedoch bezüglich der zugrunde liegenden Einzelmessungen mit minimal 17 °C (nachts) und
maximal 34,6 °C (tags) eine deutlich größere Temperaturspreizung (ΔT = 17,6 K) aufweist, sinkt der
Gehalt an freiem Chlor um nahezu 50 % auf 2.500 mg/l (± 375 mg/l). Zeitgleich steigt der Chlorat-
gehalt auf 1.412 mg/l (± 212 mg/l) (Abbildung 2). Dies entspricht einem hohen Chloratanteil von
rund 56 % (bezogen auf das freie Chlor), wobei dieses Ergebnis auf Reproduzierbarkeit geprüft und
um Lagerungsversuche mit geringeren Temperaturschwankungen im Gewächshaus (z. B. Winterbe-
trieb) sowie um den Nachweis etwaiger weiterer Nebenprodukte wie Chlorit (ClO2) und Perchlorat
(ClO4) ergänzt werden sollte.
Abbildung 2: Einfluss der Lagerdauer unter warmen Bedingungen im Gewächshaus (Sommerbetrieb, Tmax = 34,6 °C)
auf das freie Chlor und Chlorat in der mittels Salzelektrolyse erzeugten Desinfektionslösung; Mittelwerte ± StAbw
(n = 4) für freies Chlor und Chlorat unmittelbar nach dem Herstellungsprozess (blaue Balken) und nach vierwöchiger
Lagerung im Gewächshaus (rote Balken)
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Den Messungen nach gelangen bei der Verwendung von frischer Desinfektionslösung und einer an-
timikrobiellen Dosis von 1 mg freiem Chlor/l (clark und SmajStrla 1992) rechnerisch etwa 0,04 mg
Chlorat/l (± 0,03 mg/l) ins behandelte Gießwasser. Dabei würde eine Erhöhung bzw. Absenkung
der Desinfektionsdosis den Chlorateintrag in gleicher Ausprägung beeinflussen. Wird die Desinfek-
tionslösung hingegen für vier Wochen im Gewächshaus (Sommerbetrieb) gelagert, wobei die für die
warme Jahreszeit im Gewächshausinneren typischen Temperaturschwankungen zwischen Tag und
Nacht auftreten, steigt bei der o. g. Desinfektionsdosis der Chlorateintrag rechnerisch auf 0,56 mg/l
(± 0,08 mg/l).
Die Messungen zur Chlorzehrung zeigen einen deutlichen Unterschied zwischen dem Wasser
ohne bzw. mit Ammonium. So findet ein Anstieg des freien Chlors beim Gießwasser (10 ± 0,5 mg
NH4+/l) erst nach Erreichung der Chlorzehrungsgrenze statt (Abbildung 3, rote Strichlinie) – im Ge-
gensatz zum Trinkwasser (< 0,05 mg NH4+/l), in dem das freie Chlor annähernd der applizierten Do-
sis entspricht (Abbildung 3, blaue Linie). Diesbezüglich lässt sich mithilfe einer Regressionsgeraden
(Abbildung 3, rote Punktlinie), die durch die Parallelität zur Messung ohne Ammonium gestützt wird,
ein Zehrungsverhältnis von Ammonium zu Chlor von etwa 1 : 7 ableiten (nach 10 min Reaktionszeit).
Dieses liegt unter dem für Ammonium-Stickstoff von 1 : 10 (WOhanka et al. 2015, ohne Angabe der
Reaktionszeit). Hierzu ist anzunehmen, dass der Zeitraum zwischen Chlorzugabe und Probenahme
einen Einfluss auf den Messwert hat. Daher sollten zukünftige Messungen zur Chlorzehrung um
weitere Einwirkzeiten ergänzt werden (z. B. nach 5, 20 und 30 min).
Abbildung 3: Zehrung des freien Chlors 10 min nach Dosierung der mittels Salzelektrolyse erzeugten Desinfekti-
onslösung beim Trinkwasser ohne Ammonium (blaue Linie) und bei Gießwasser mit Ammonium (rote Strichlinie);
Ableitung der Chlorzehrungsgrenze (rote Punktlinie) bei einer Chlordosis von 75 und von 100 mg/l unter Annahme
eines linearen Verlaufs; Mittelwerte für freies Chlor ± StAbw (n = 2)
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Während der Chlorzehrung durch Ammonium entstehen Chloramine (gebundenes Chlor). Diese
haben im Vergleich zum freien Chlor zwar eine herabgesetzte antimikrobielle Wirkung (uS natiOnal
reSearch cOuncil 1987), dafür jedoch eine längere Halbwertzeit, wobei der Chloraminzerfall unter
UV-Einstrahlung maximal 0,2 mg/l h erreicht (White 1992). Darüber hinaus kann aus Chloramin
unter nitrifizierenden Bedingungen die für Pflanzen schnell verfügbare Stickstoffquelle Nitrat (NO3)
entstehen (Bryant et al. 1992). Diesbezüglich ist anzunehmen, dass eine kontinuierliche Chlorung
den zugrunde liegenden mikrobiologischen Abbauprozess (Nitrifikation) schneller zum Erliegen
bringt als eine diskontinuierliche bzw. stoßweise Chlordesinfektion von Gießwasser.
Im Hinblick auf das ermittelte Zehrungsverhältnis von Ammonium zu Chlor ist unter Berücksich-
tigung der Nährstoffempfehlung zur Tomaten- und Gurkenbewässerung von 18 mg NH4+/l (SOnnevelD
und Straver 1988) und eines Sollwerts im Gießwasser von 1 mg freiem Chlor/l ein Mehrverbrauch
an Desinfektionslösung um den Faktor 126 (bezogen auf Chlorzehrung 1 : 7) zu erwarten. In glei-
cher Ausprägung wird der Chlorateintrag ins Gießwasser beeinflusst, wobei zur Chlorataufnahme
durch Pflanzen noch wenig bekannt ist. Die amtliche Lebensmittelüberwachung zeigt jedoch, dass
relativ hohe Chloratgehalte z. B. in Tomaten (0,2 mg/kg) und Karotten (0,3 mg/kg) auftreten können
(kaufmann-hOrlacher 2014). Hierzu wurde mittlerweile nachgewiesen, dass die salzelektrolytische
Gießwasserdesinfektion zur Chlorateinlagerung bei Gemüse führen kann. In der Studie von Dannehl
et al. (2015a) wurden Tomatenpflanzen im geschlossenen Kreislauf auf Fließrinnen (NFT-Verfahren)
durchgehend bewässert und die vor Ort hergestellte Desinfektionslösung wurde über einen Zeitraum
von 3 Monaten stoßweise (1x je Woche für 90 min) in Konzentrationen von 1 (Variante DI) bzw. 2 mg
freies Chlor/l (Variante DII) ins düngerhaltige Gießwasser (enthielt u. a. Ammonium) dosiert. Im Er-
gebnis wurde keine Ertragsminderung bei zugleich hoher antimikrobieller Wirksamkeit festgestellt
(Dannehl et al. 2015b). Allerdings stieg der Chloridgehalt im Wasser nach einer Stoßdesinfektion
durchschnittlich um 14 mg/l (DI) bzw. 21 mg/l (DII) (Dannehl et al. 2015a), wobei die Anbauempfeh-
lung zum hydroponischen Tomatenanbau von < 532 mg Chlorid/l (SOnnevelD und Straver 1988) auch
nach 3 Monaten ohne Wasserwechsel unterschritten blieb. Gleichwohl tolerieren Tomaten im Ver-
gleich zu anderen hydroponischen Kulturen (z. B. Salat) auch höhere Chloridgehalte im Gießwasser
(SOnnevelD und Straver 1988). Des Weiteren stieg unter dem o. g. stoßweisen Desinfektionsregime der
Chloratgehalt in den Tomaten auf 0,22 mg/kg (DI) bzw. 0,25 mg/kg (DII) (Dannehl et al. 2015a), wor-
aus sich nach dem aktuellen Erkenntnisstand eine toxikologisch unbedenkliche Tagesverzehrmenge
bis zu 10 kg Tomaten ableitet (bezogen auf 70 kg Körpergewicht und unter Ausschluss sonstiger
Chlorataufnahmen) (efSa 2015).
Schlussfolgerungen
Salzelektrolyseanlagen sind prinzipiell zur Gießwasserdesinfektion geeignet, wenn Verfahrenstech-
nik, Lagerbedingungen, Dosiermanagement und Anwendungsfall aufeinander abgestimmt sind.
Zukünftig werden hierzu noch Fallstudien mit differenten Pflanzenkulturen, Anbausystemen, Do-
sierszenarien und Phytopathogenen benötigt. Grundvoraussetzung für die Anwendung im Pflanzen-
bau ist jedoch, dass die toxikologisch unbedenkliche Menge von Desinfektionsnebenprodukten (v. a.
Chlorid, Chlorit, Chlorat, Perchlorat) im Wasser, im Substrat und in den Pflanzen (v. a. Gemüse) nicht
überschritten wird.
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Bereits während der Salzelektrolyse entsteht aufgrund des unter Wärmezufuhr ablaufenden elek-
trochemischen Prozesses ein gewisser Chloratanteil. Folglich sollten Techniken erprobt werden, um
die Reaktionswärme abzuführen (z. B. durch Lüfter, Wasserkühler oder Peltier-Kühler).
Eine weitere Maßnahme betrifft die Lagerung der Desinfektionslösung, v. a. unter warmen Bedin-
gungen, da mit zunehmender Lagerdauer der desinfektionswirksame Anteil des freien Chlors sinkt
und der Chloratanteil steigt. Bei der Gießwasserdesinfektion im Gewächshaus erscheint demnach die
Vor-Ort-Herstellung einer frischen, dem kurzfristigen Mengenbedarf (z. B. eines Tages) angepassten,
Desinfektionslösung als vorteilhaft gegenüber den industriell hergestellten großvolumigen Lagerge-
binden (Fässer). Zudem empfiehlt sich eine Kühlung des Desinfektionsmitteltanks.
Ein weiterer Ansatz zur Chloratminimierung im Wasser bzw. in den damit kultivierten Pflanzen
betrifft das Dosiermanagement. So könnte eine diskontinuierliche Desinfektion, z. B. 1– bis 2-mal je
Woche, mit höherer Chlordosis zu weniger Chlorateintrag führen als eine kontinuierliche Chlorung
mit geringer Dosis. Vergleichstests zur Pflanzenverträglichkeit und Befallsminderung stehen jedoch
noch aus.
Bei der Dosierung von elektrolytisch hergestellter Desinfektionslösung in das Gießwasser zeigt
sich, dass der Pflanzendünger Ammonium das freie Chlor schnell bindet und folglich den Desinfekti-
onsmittelverbrauch bzw. Chlorateintrag bis zum Erreichen der Chlorzehrungsgrenze deutlich erhöht.
Daher empfiehlt sich eine konzentrationsabhängige Dosierung mittels Chlorsensor, um so auch sich
ändernde chemische Vorgänge im Wasser (Chlorzehrung) bei der Dosierregelung zu berücksichtigen.
Ferner sollte so wenig Ammoniumdünger wie möglich eingesetzt und stattdessen ein Ausgleich mit
anderen Düngestoffen (z. B. Nitrat) angestrebt werden.
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New York, NY
Wohanka, W.; Domke, O.; Schmidt, J. (2015): Entkeimung von Nährlösung oder Gießwasser – Verfahren,
Einsatzbereiche und Bewertung. KTBL-Arbeitsblatt 0738, Darmstadt
Autoren
Dr. Ingo Schuch und Dr. Dennis Dannehl sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fachgebiet Biosystemtechnik der Hum-
boldt-Universität zu Berlin (HU), Albrecht-Thaer-Weg 3, 14195 Berlin, E-Mail: ingo.schuch@agrar.hu-berlin.de.
Dr. Martina Bandte ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Phytomedizin der Humboldt-Universität zu Berlin
(HU), Lentzeallee 55/57, 14195 Berlin.
M. Sc. Johanna Suhl ist wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Biologie und Ökologie der Fische am
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB), Müggelseedamm 301, 12587 Berlin.
Dipl.-Ing. Yuan Gao ist Geschäftsführer der Firma newtec Umwelttechnik GmbH, Am Borsigturm 62, 13507 Berlin.
Prof. Dr. Uwe Schmidt ist Leiter des Fachgebiets Biosystemtechnik und geschäftsführender Direktor des Albrecht Daniel
Thaer-Instituts für Agrar- und Gartenbauwissenschaften an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU), Albrecht-Thaer-Weg 3,
14195 Berlin.
landtechnik 71(2), 2016 34
Hinweise und Danksagungen
Die Ergebnisse stammen aus einem Forschungsprojekt (FKZ 2815502611), welches im Rahmen des Programms zur Inno-
vationsförderung durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert und mit Unterstützung
der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) durchgeführt wurde.
Das Thema wurde in Teilen auf der 50. Gartenbauwissenschaftlichen Jahrestagung und dem Internationalen WeGa-Sym-
posium, Freising-Weihenstephan, 24.–28. Februar 2015, vorgestellt und eine Kurzfassung in der BHGL-Schriftenreihe
veröffentlicht (Bd. 31, S. 34).
Die Autoren danken M. Sc. Janine Berberich und M. Sc. André Seyfarth für die Unterstützung bei der Versuchsdurchfüh-
rung.
... Schuch et al. (2016): Chloratminimierung bei der elektrolytischen Desinfektion von Gießwasser. Landtechnik; 71(2):25-33.8 ...
... Schuch et al. (2016): Chloratminimierung bei der elektrolytischen Desinfektion von Gießwasser. Landtechnik; 71(2):25-33. ...
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Technical Report
Im Produktionsgartenbau besteht bei geschlossener Bewässerung ein erhöhtes Verbreitungsrisiko von wasserübertragbaren Pflanzenkrankheitserregern. Hierzu weisen die gängigen Verfahren zur Wasserdesinfektion zwar eine hohe Effizienz bei der Eliminierung von Pilzen und Bakterien auf, können aber Viren nur mit hohem Energieaufwand (Wärmebehandlung > 90 °C) zuverlässig inaktivieren. Daher wurde das System zur elektrolytischen Wasserdesinfektion in Gewächshäusern (SeWiG) entwickelt und im Rahmen einer DIP-Förderung auf große Praxisgewächshäuser skaliert und optimiert. Das zum Einsatz kommende Desinfektionsmittel wird vor Ort während eines elektrochemischen Prozesses (Salzelektrolyse) erzeugt. Die eigentliche Wasserbehandlung erfolgt durch eine sensorgesteuerte Applizierung mit diskontinuierlicher Dosierstrategie (2-3/Woche), wobei ein desinfektionswirksamer Puffereffekt zur Verringerung des Energie- und Desinfektionsmitteleinsatzes führt. Unter Praxisbedingungen beträgt der Energieverbrauch des Verfahrens lediglich 0,5 kWhel/m³. Zudem ist die Wirksamkeit gegen Pflanzenviren wie Tobacco mosaic virus und Pepino mosaic virus hervorzuheben. Am Beispiel eines tomatenproduzierenden Gewächshausbetriebs ließen sich die mikrobielle Belastung im Drain und der Biofilm in den Bewässerungsrinnen deutlich reduzieren. Hinsichtlich des Einflusses auf die Pflanze trat unter den geprüften Bedingungen keine Ertragsminderung auf und die toxikologisch unbedenkliche Menge an Desinfektionsnebenprodukten (Chlorat, Perchlorat) wurde nicht überschritten (gemäß EFSA-Berechnungsmodell). Mit Projektende sind die Voraussetzungen zur Marktetablierung des Desinfektionsverfahrens gegeben.
Article
Tested in experimental scale, an innovative system for electrolytic water disinfection in greenhouses (SeWiG) was very efficient. It was developed by Humboldt-Universität zu Berlin and newtec Umwelttechnik GmbH. With scaling up this system for industrial greenhouses, the new technology will be tested, validated and optimized under practical conditions. The implemented technology will be incrementally scaled-up. After successful installation of the disinfection system within a separated part of an industrial greenhouse, two large-scaled greenhouses will use the on-site produced hypochlorite as a disinfectant for irrigation or drain water applied for vegetables and ornamental plants. The effects on plant growth, yield and product quality will be controlled and particular attention is paid to chlorate and perchlorate. Due to the first results, both pesticides are under the limits given by the European Commission. This can be related to the short dwell time of the disinfectant before dosing based on the on-demand production of fresh hypochlorite. Hypochlorite is dosed by the method of shock disinfection, which might decrease the accumulation of unwanted ingredients in plants. The special feature of the new system for electrolytic water disinfection is the functional superiority over common methods such as filtration, ultraviolet irradiation, heating, ozonation or chlorine dioxide. Worth highlighting is its high effectiveness against plant viruses and the reduced risk for users, plants and the environment while less energy is needed, compared to other disinfection systems. Besides a reduced formation of algae biofilm, a reduced application of fertilizers is expected. All parameters mentioned before will be monitored within this study.
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Article
Physical and chemical disinfection methods are used or are under investigation in greenhouse facilities to minimize the occurrence of pathogens and the application of pesticides in recirculating systems. Since the most of these methods differ in their effectiveness, more investigation is needed to produce healthy plants in a sustainable way. Therefore, the present study is focused on the identification of interactions between hypochlorite (ClO−) used as a disinfectant for a recirculating system and algae formation, spread of microorganisms, as well as plant development. As such, on-site produced potassium hypochlorite (1 % KClO) solution were supplemented using proportional injection control once a week for 90 min, as a disinfectant, into a recirculating tomato production system (NFT) until a free chlorine concentration of 1 mg L−1 (D I) and 2 mg L−1 (D II) were reached, respectively. The formation of the algae biofilm was reduced by 15 % (D I) and 48 % (D II). These treatments also suppressed cultivated microorganisms up to 100 %. Tomato plants exposed to the treatment D I showed a comparable plant height to the control plants after 7 weeks, whereas D II led to a significant increase in plant height of 12 cm. However, the formation of leaves was more pronounced by treatment D I. After a growing period of 7 weeks, a significant difference in leaf number up to 2.9 leaves per plant was calculated compared to the other treatments. The same treatment had the largest positively impact on the fruit yield and number of fruit, which were increased by 10 and 15 %, respectively, compared to the control plants. Under consideration of all results, the most promising effects of ClO− as a disinfectant for hydroponic systems were achieved with a free chlorine concentration of 1 mg L−1 (D I), where phytotoxic effects can be excluded. http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10343-015-0351-3
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Article
With water conservation and reuse a priority for communities worldwide, recycling irrigation water in commercial plant nurseries and greenhouses is a logical measure. Plant pathogenic microorganisms may be present in the initial water source, or may accrue and disperse from various points throughout the irrigation system, constituting a risk of disease to irrigated plants. The continual recycling of this water is exacerbating this plant disease risk. Accurate and timely detection of plant pathogenic propagules in recycled irrigation water is required to assess disease risk. Both biological and economic thresholds must be established for important plant-pathosystems. Plant pathogens in recycled irrigation water can be managed by a variety of treatment methods that can be arranged in four broad categories: cultural, physical, chemical, and biological. An integrated approach using one or more techniques from each category is likely to be the most effective strategy in combating plant pathogens in recycled irrigation water.
Article
Recently, official food surveillance discovered high residues of chlorate (ClO3 −) and perchlorate (ClO4 −) in different plant-based foods, which was the start of a big discussion in the EU Commission. There is currently no knowledge about possible ClO3 − uptake quantities in vegetable, when hypochlorite (ClO−) is used as a disinfectant in plant production facilities. Therefore, the present study is focused on the identification of interactions between ClO− applications and ClO3 − accumulations in fruit, as well as findings in terms of suitable concentrations of ClO− to ensure food safety. Primary and secondary metabolites were analyzed as well. As such, on-site produced potassium hypochlorite (1 % KClO) solution was supplemented using proportional injection control once a week for 90 min, as a disinfectant, into a recirculating tomato production system (NFT) until a free chlorine concentration of 1 mg L−1 (D I) and 2 mg L−1 (D II) was reached, respectively. The chlorate (ClO3 −) content in fruit increased from 0.01 mg (Control) to 0.22 mg (D I) and 0.25 mg ClO3 − kg−1 FW (D II). A critical assessment of these values is given in the discussion section. Contrary to the expectations, a co-occurrence of ClO3 − and ClO4 − in fruit was not found. Compared to the control, the fruit contents of lycopene were increased by 21.3 % (D I) and 33.5 % (D II) and those of ß-carotene by 9.2 % (D I) and 23.9 % (D II), when calculated on a fresh weight basis. These results changed slightly when these substances were calculated on a dry weight basis. Furthermore, ClO3 − induced stress in fruit. In this context, a significant correlation (r) and a significantly increased slope (m) compared to zero were found between ClO3 − and lycopene (r = 0.74; m = 0.10), as well as ß-carotene (r = 0.70; m = 0.01). The content of soluble solids and that of titratable acids remained unaffected. http://rdcu.be/mHBZ