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Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungssystems mit vermindertem phytosanitärem Risiko in Gewächshäusern - Teilprojekt 2

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Abstract and Figures

Bei der Nutzung von Oberflächenwasser zur Bewässerung und einer Wiederverwendung des überschüssigen Wassers ist das Verbreitungsrisiko von Pflanzenkrankheitserregern erhöht. Dies bedingt eine effektive Wasserdesinfektion. Hierzu wurde zunächst in vitro die Wirksamkeit einer durch Salzelektrolyse erzeugten Desinfektionslösung zur Inaktivierung von pilzlichen, bakteriellen und viralen Erregern geprüft. Erwartungsgemäß variieren die erforderlichen Chlorkonzentrationen und Einwirkzeiten in Abhängigkeit von der Erregerart. Anschließend wurde die Wirksamkeit in vivo bei Tomatenpflanzen unter Einsatz einer Mess- und Dosieranlage getestet, wobei eine diskontinuierliche Applizierung (1/Woche) des hypochlorithaltigen Desinfektionsmittels zur Unterbindung der Virusverbreitung und zum deutlichen Rückgang von Mikroorganismen im Wasser führte ohne phytotoxische Reaktionen hervorzurufen. Ferner wurde ein Zusammenhang zwischen der Akkumulation von Chlorat und Carotinoiden in Tomaten und der elektrolytischen Wasserdesinfektion festgestellt, wobei nach dem aktuellen Kenntnisstand der Frischgemüseverzehr unter den geprüften Desinfektionsbedingungen als unbedenklich eingestuft werden kann. Das System zur elektrolytischen Wasserdesinfektion in Gewächshäusern (SeWiG) muss nun unter kommerziellen Bedingungen getestet werden und seine Effizienz im Praxisbetrieb unter Beweis stellen. Grundvoraussetzung zur Anwendung im Pflanzenbau ist, dass die toxikologisch unbedenkliche Menge an Desinfektionsnebenprodukten nicht überschritten wird.
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Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungs-
systems mit vermindertem phytosanitärem Risiko
in Gewächshäusern – Teilprojekt 2
FKZ 2815502611
Abschlussbericht
für den Förderzeitraum
01.03.2013 – 30.06.2015
Humboldt-Universität zu Berlin
Lebenswissenschaftliche Fakultät
Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften
Fachgebiet Biosystemtechnik a
Fachgebiet Phytomedizin b
Ingo Schuch a, Martina Bandte b, Janine Berberich a, Marlon Hans Rodriguez b,
Carmen Büttner b, Uwe Schmidt a
Berlin, 11.03.2016
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
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Inhalt
1Einleitung .......................................................................................................................... 2
1.1Aufgabenstellung ....................................................................................................... 2
1.2Voraussetzungen des Vorhabens ............................................................................. 2
1.3Planung und Ablauf des Vorhabens .......................................................................... 3
1.4Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn .................................... 4
1.5Zusammenarbeit mit anderen Stellen ....................................................................... 4
2Ergebnisse ........................................................................................................................ 5
2.1Ermittlung der Wirkung auf Phytopathogene ............................................................. 5
2.1.1In vitro ................................................................................................................ 5
2.1.2In vivo ................................................................................................................. 8
2.2Ermittlung der pflanzenbaulichen Auswirkungen .................................................... 10
2.2.1Gießwasser ...................................................................................................... 10
2.2.2Pflanzenwachstum und Ertrag ......................................................................... 12
2.2.3Pflanzeninhaltsstoffe ........................................................................................ 13
2.3Projektbegleitende Technikstudie ........................................................................... 15
2.4Verwertbarkeit der Ergebnisse ................................................................................ 16
2.5Veröffentlichungen .................................................................................................. 17
3Kurzfassung .................................................................................................................... 19
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
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1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
Im Fokus der pflanzenbaulichen Untersuchungen standen, am Beispiel des hydroponischen
Gemüseanbaus im geschlossenen Bewässerungssystem mit zirkulierender Nährlösung, eine
mögliche Beeinflussung des Pflanzenwachstums, der Ertragsbildung sowie Produktqualität
unmittelbar durch die elektrolytische Gießwasserdesinfektion oder indirekt durch eine Verän-
derung der Nährstoffzusammensetzung im Wasser infolge der Desinfektionsmaßnahme.
Im Rahmen der phytomedizinischen Untersuchungen wurde geprüft, mit welcher Effizienz
ausgewählte virale, bakterielle und pilzliche Pflanzenkrankheitserreger mit Hilfe der elektroly-
tischen Gießwasserdesinfektion inaktiviert bzw. eliminiert werden können. Hierbei kommt der
Ausbreitung pflanzenpathogener Viren eine besondere Bedeutung zu, da diese vor allem bei
geschlossenen und rezirkulierenden Bewässerungssystemen schnell erfolgt und die Erreger
kurativ nicht zu bekämpfen sind. Dies kann zu Ertragseinbußen bis hin zum Totalverlust der
Pflanzenkulturen führen.
1.2 Voraussetzungen des Vorhabens
Wasser ist ein, in einer stetig zunehmenden Anzahl von Regionen, nur begrenzt verfügbarer
Faktor in der Lebensmittelproduktion. Etwa 70 % des weltweiten Wasserverbrauchs erfolgt
durch die Landwirtschaft. Eine effiziente Wassernutzung in der gesamten Produktionskette,
von der landwirtschaftlichen Produktion bis zur Lebensmittelindustrie, ist von herausragender
Bedeutung und stellt im Hinblick auf eine nachhaltige Nutzung der Ressource Wasser eine
große Herausforderung dar. Im Kontext der Pflanzenproduktion in Gewächshäusern gelingt
dies am besten mit geschlossenen bzw. rezirkulierenden Bewässerungsverfahren. Dabei
wird das überschüssige Gießwasser, welches nicht von den Pflanzen aufgenommen wurde,
gesammelt, ggf. aufbereitet und wiederverwendet.
Mit der Entwicklung innovativer Verfahren zur Wiederverwendung von Gießwasser kann ein
wichtiger Beitrag zur effizienten und ressourcenschonenden Wassernutzung geleistet wer-
den. Voraussetzung einer Wiederverwendung ist die Gewährleistung einer hohen Wasser-
qualität, insbesondere im Hinblick auf Pflanzenkrankheitserreger. Solche viralen, bakteriellen
oder pilzlichen Erreger können sich durch die Wiederverwendung im Wasser anreichern und
schnell im Pflanzenbestand verbreiten. Um die daraus resultierenden Ertragsverluste und
Qualitätseinbußen zu verhindern, sind hygienisierende Maßnahmen unerlässlich.
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1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens
In vergleichenden Anbauversuchen mit Tomatenpflanzen (cv. Pannovy) wurden im Experi-
mentalgewächshaus der Humboldt-Universität zu Berlin mehrere Bestandssegmente mit
getrennten Nährlösungskreisläufen auf Fließrinnen (NFT-Verfahren) unter identischen Klima-
und Wasserversorgungsbedingungen kultiviert. Zudem wurde vor Ort mit einer Einkammer-
Salzelektrolyseanlage (nt-BlueBox mini nt-CLE, newtec Umwelttechnik GmbH, Berlin) eine
hypochlorithaltige Desinfektionslösung ( 0,5 % KClO) hergestellt und diese mit Hilfe einer
Mess-/Dosieranlage (DOSACompact, Dosatronic GmbH, Ravensburg) automatisch ins dün-
gerhaltige Gießwasser dosiert. Dabei wurden verschiedene Dosierszenarien (kontinuierlich,
diskontinuierlich, ohne) bzw. Chlorkonzentrationen und Einwirkzeiten geprüft. Als Kontroll-
größen wurden der Algenwuchs und Biofilm in den Bewässerungsrinnen, die Zusammenset-
zung der Nährlösung sowie Merkmale des vegetativen und generativen Wachstums erfasst.
Als Produktionsergebnis wurden der Fruchtertrag sowie lebensmittelrelevante Pflanzenin-
haltsstoffe wie Lycopin und β-Carotin sowie Chlorat und Perchlorat erfasst.
Der Einfluss der Desinfektionslösung auf Phytopathogene wurde zunächst in vitro geprüft.
Dabei wurde die Wirksamkeit für pilzliche (Fusarium oxysporum, Fusarium verticillioides,
Verticillium dahliae, Pythium aphanidermatum, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani), bakteri-
elle (Xanthomonas campestris pv. campestris, Pseudomonas syringae pv. syringae) und
einen viralen (Pepino mosaic virus) Krankheitserreger bestimmt. Bei den phytopathogenen
Pilzen und Bakterien konnte die Effizienz nach Ausplattierung der mit der Lösung inkubierten
Suspensionen durch Ermittlung der vermehrungsfähigen Erregerstrukturen bestimmt und so
die Dosis-Wirkungskurven erstellt werden. Da pflanzenpathogene Viren außerhalb des Wir-
tes nicht kultivierbar sind, erfolgte die in vitro Prüfung mit Homogenaten Virus-infizierter Indi-
katorpflanzen.
Im nächsten Schritt wurde in vivo am Beispiel des Pepino mosaic virus (PepMV) der Einfluss
der elektrolytisch hergestellten Desinfektionslösung auf die Virusübertragung geprüft. Dazu
wurden gesunde und mit PepMV-infizierte Tomatenpflanzen (cv. Hoffmanns Rentita) im
NFT-Verfahren mit rezirkulierender Nährlösung kultiviert. Ein Wurzelkontakt zwischen den
gesunden und infizierten Pflanzen wurde über eine Wurzelsperre verhindert. Es wurden un-
terschiedliche Dosierregime (kontinuierlich und diskontinuierlich), Chlorkonzentrationen und
Einwirkzeiten geprüft, um deren Wirksamkeit zur Inaktivierung des Krankheitserregers und
Verhinderung der Verbreitung von PepMV im Bestand zu ermitteln. Als Kontrolle diente eine
parallele Installation, bei der keine Desinfektionslösung injiziert wurde. Die Pflanzen wurden
wöchentlich einzeln beprobt und so auf eine Infektion mit PepMV geprüft.
Aus kulturtechnischen Gründen wurde davon Abstand genommen, das Desinfektionsverfah-
ren in vivo an einem Gurke-Pathogen Modell zu prüfen. Stattdessen wurden die Versuche
zur Absicherung der Ergebnisse mit PepMV-infizierten Tomatenpflanzen wiederholt.
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1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn
Mehrere Verfahren wurden bisher auf ihre Eignung zur Minimierung der Ausbreitung von
Phytopathogenen im Wasser geprüft. Zu diesen gehören physikalische Desinfektionsverfah-
ren wie die Filtration 1, UV-Bestrahlung 2 und Erwärmung 3 sowie chemische Verfahren wie
die Ozonierung 4 und das Chloren 5. Mit Ausnahme der Filtration werden durch diese Behand-
lungen mitunter auch vermeintlich nützliche Mikroorganismen negativ beeinflusst und bei den
chemischen Verfahren ist eine Akkumulation von Desinfektionsnebenprodukten im Wasser
bzw. in den Pflanzen nicht auszuschließen. Demgegenüber steht eine zumeist höhere Effizi-
enz dieser Verfahren. Dennoch vermag es bislang kein Verfahren pflanzenpathogene Viren
zu ökonomisch und ökologisch vertretbaren Bedingungen zu inaktivieren.
Die Technologie der Firma newtec Umwelttechnik basiert auf dem Verfahren der anodischen
Oxidation 6,
7 zur salzelektrolytischen Erzeugung von Desinfizientien in Form von unterchlori-
gen Verbindungen (Hypochlorit bzw. hypochlorige Säure) im Einkammerreaktor ohne Memb-
ran. Im Gegensatz dazu arbeitet die Membranelektrolyse mit zwei Elektrodenkammern 8, die
durch eine empfindliche Kationentauschermembran voneinander getrennt sind. Die elektroly-
tische Wasserdesinfektion hat sich bereits zur Aufbereitung von Trink-/Badewasser sowie in
der Tierhaltung zur Tränkwasserdesinfektion bewährt. Allerdings konnte bisher nicht geklärt
werden, inwieweit das Verfahren auch bei wasserbürtigen Phytopathogenen wirksam ist.
1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Im Rahmen des Verbundvorhabens (Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungssys-
tems mit vermindertem phytosanitärem Risiko in Gewächshäusern) befasste sich der Teil-
projektpartner newtec Umwelttechnik GmbH (Teilprojekt 1, FKZ 2815502511) mit der verfah-
renstechnischen Entwicklung einer Anlage zur elektrolytischen Gießwasserdesinfektion (v. a.
für geschlossene Bewässerungssysteme beim hydroponischen Anbau in Gewächshäusern).
Die Projektergebnisse der Fa. newtec sind in deren Abschlussbericht zusammengefasst.
1 Ufer, T.; Posner, M.; Wessels, H.-P.; Werres, S. (2008): Untersuchungen zur Eliminierung von Phytophthora
spp. aus Recyclingwasser in Baumschulen mit Hilfe von Filtrationsverfahren. Nachrichtenbl. Deut. Pflanzen-
schutzd. 60(3), 45–61.
2 Ehret, D.; Alsanius, B.; Wohanka, W.; Menzies, J.; Utkhede, R. (2001): Disinfestation of recirculating nutrient
solutions in greenhouse horticulture. Agronomie 21(4):323-339.
3 Runia, W.T.; van Os, E.A.; Bollen, G.J. (1988): Disinfection of drain water from soilless cultures by heat treat-
ment. Neth. Journal of Agricultural Science 36:231-238.
4 Runia, W.T. (1995): A review of possibilities for disinfection of recirculation water from soilless cultures. Acta
Hort. (ISHS) 382:221-229.
5 Hong, C.X.; Richardson, P.A.; Kong, P.; Bush, E.A. (2003): Efficacy of chlorine on multiple species of Phy-
tophthora in recycled nursery irrigation water. Plant Dis. 87, 1183–1189.
6 Gao, T.; Gao, Y.; Han, B.; Li, J.; Zhang, D. (1997): Patent WO 1997011908 A2.
7 Gao, Y. (2010): Patent WO 2010020270 A1.
8 Tsai,Y.-T.; Hsieh, Y.-H.; Yang, C.-L.; Chang, C.-Y.; You, S.-H. (2011): Using membrane electrolysis method to
generate chlorine dioxide. Internat. Conf. on Environment Science and Engineering, IPCBEE Vol.8, 33-36.
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2 Ergebnisse
2.1 Ermittlung der Wirkung auf Phytopathogene
2.1.1 In vitro
Die in vitro Prüfung der Effizienz der elektrolytisch hergestellten Desinfektionslösung zur In-
aktivierung von Phytopathogenen wurde zunächst am Beispiel von pilzlichen, bakteriellen
und einem viralen Pflanzenkrankheitserreger vorgenommen.
Die Prüfung fand entsprechend des Bulletins OEPP/EPPO 9 statt, dem Standard zur Prüfung
der Effizienz von Produkten für die Desinfektion von Oberflächen, Werkzeugen, Geräten und
Gegenständen im landwirtschaftlichen sowie gärtnerischen Bereich. Dazu wurden Desinfek-
tionslösungen mit einem Gehalt an freiem Chlor von 0, 2, 4, 6 und 10 mg/l eingesetzt. Die
Inkubationszeit betrug 5, 10, 30, 60 und 120 Minuten sowie 18 bzw. 24 Stunden. Die Neutra-
lisation der Desinfektionslösung vor deren Ausplattierung bzw. Inokulation erfolgte mit Natri-
umthiosulfat Pentahydrat (Antichlor). Die Auswertung erfolgte in Abhängigkeit vom Erreger
nach 3 bis 21 Tagen. Die Versuche wurden mit mindestens drei Wiederholungen durchge-
führt.
Fünf von sechs pilzlichen Erregern ließen sich nach einer Einwirkzeit von 30 Minuten mit
6 mg freiem Chlor/l vollständig inaktivieren (Abb. 1 und Abb. 2). Lediglich R. solani zeigte
erst nach einer Behandlung mit 10 mg freiem Chlor/l eine Reduktion des Myzelwachstums
um 30 % (Einwirkzeit 2 h) bzw. 70 % (Einwirkzeit 24 h) (Abb. 2).
Die beiden in die Prüfung einbezogenen Bakterienarten reagierten unterschiedlich auf die
zur Inaktivierung eingesetzte Desinfektionslösung (nicht abgebildet). Während X. campestris
bereits bei einer 5-minütigen Inkubation mit 1 mg freiem Chlor/l nicht mehr vermehrungsfähig
war, waren zur Inaktivierung von P. syringae 30 Minuten mit 6 mg freiem Chlor/l oder alterna-
tiv 5 Minuten mit 10 mg freiem Chlor/l erforderlich.
Die Behandlung der Blatt-Homogenate von PepMV-infizierten Pflanzen mit der Desinfekti-
onslösung führte erst bei einer Konzentration von 18 mg freiem Chlor/l und einer Kontaktzeit
von 60 Minuten zu einer Verhinderung der Infektion der Indikatorpflanzen (nicht abgebildet).
Bei einer Einwirkzeit von 30 Minuten konnte bei der gleichen Mittelkonzentration eine Infekti-
on nur bei einer von acht Indikatorpflanzen verhindert werden. Die charakteristischen virus-
bedingten Blattsymptome traten dabei zwei Wochen nach der Behandlung auf. Die Infektion
der Indikatorpflanzen wurde mit Hilfe des ELISA-Nachweisverfahrens bestätigt.
9 OEPP/EPPO (2008): PP 1/261 (1) Disinfection in plant production. Bulletin OEPP/EPPO 38, 311-315.
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Abb. 1: Inaktivierung phytopathogener Pilze in vitro (eingesetzte Pilzsuspensionen: F. oxysporum: 0,86x106 Koni-
dien/ml; F. verticillioides: 0,81x106 Konidien/ml; V. dahliae: 1,28x106 Sporen/ml) in Abhängigkeit vom Gehalt an
freiem Chlor in der elektrolytisch hergestellten Desinfektionslösung und der Inkubationszeit.
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Abb. 2: Inaktivierung phytopathogener Pilze in vitro (eingesetzte Pilzsuspensionen: P. aphanidermatum: 1,15x106
Zoosporen/ml; B. cinerea: 0,97x106 Sporen/ml; R. solani: 1,35x106 Myzel/ml) in Abhängigkeit vom Gehalt an
freiem Chlor in der elektrolytisch hergestellten Desinfektionslösung und der Inkubationszeit.
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2.1.2 In vivo
Im Anschluss an die in vitro Tests unter Laborbedingungen wurde der Einfluss des elektroly-
tischen Desinfektionsverfahrens auf den viralen Erreger Pepino mosaic virus (PepMV) in vivo
bei Tomatenpflanzen geprüft.
Dabei erfolgte die Applizierung der elektrolytisch hergestellten Desinfektionslösung automa-
tisiert und sensorgestützt. Geprüft wurden verschiedene Dosierintervalle (kontinuierlich und
diskontinuierlich), Mittelkonzentrationen (0,2 bis 2 mg freies Chlor/l) und Einwirkzeiten
(30 Minuten, 60 Minuten, 5 Stunden). Als unbehandelte Kontrolle diente eine parallele Be-
wässerungsinstallation.
Bei der kontinuierlichen Applizierung von sowohl 2 als auch 1 mg freiem Chlor/l traten Pflan-
zenschäden auf, sodass der Versuch vorzeitig abgebrochen wurde. Bei einem darauf fol-
genden Anbauversuch mit einer diskontinuierlichen Applizierung von 0,2 mg freiem Chlor/l
(60 min/Woche) wurden Pflanzenschäden vermieden und eine Verbreitung von PepMV voll-
ständig verhindert. Bei der Applizierung von 0,5 mg freiem Chlor/l (30 min/Woche) traten
Neuinfektionen bei etwa der Hälfte der Pflanzen auf (Abb. 3).
Die Unterbrechung des Übertragungsweges von PepMV erfordert in vivo eine wesentlich
geringere Dosierung als die Inaktivierung des Krankheitserregers in vitro. Dafür ist die unter-
schiedliche Konzentration des Erregers in einem künstlichen bzw. natürlichen Inokulum ver-
antwortlich. Die Erregerkonzentration ist beim infizierten Pflanzenmaterial hoch im Vergleich
zum niedrigen Gehalt in natürlich kontaminierter Nährlösung. So sind auch für die Inaktivie-
rung pilzlicher und bakterieller Krankheitserreger vermutlich geringere Konzentrationen an
freiem Chlor erforderlich, als die in vitro anhand von standardisierten Sporensuspensionen
ermittelten (Abb. 1 und Abb. 2).
In unbehandelter Nährlösung kultivierte PepMV-infizierte Tomatenpflanzen produzierten nur
des Gesamtfruchtgewichts/Pflanze im Vergleich zu den Pflanzen mit Wasserdesinfektion.
In allen Versuchsreihen führte die Behandlung mit der elektrolytisch hergestellten Desinfekti-
onslösung zu einer erhöhten Anzahl der Früchte/Pflanze. Die mit PepMV-infizierten Aus-
gangspflanzen in der Kontrolle produzierten mit 48 % einen großen Anteil nicht marktfähiger
Früchte, im Vergleich zu nur 5 % bei den mit behandelter Nährlösung kultivierten Pflanzen.
Der mittlere Gesamtfruchtertrag (PepMV-infizierte Ausgangs- und Testpflanzen) war mit des-
infizierter Nährlösung deutlich höher im Vergleich zu solchen in unbehandelter Nährlösung
(Abb. 4).
Erste Versuche mit den verbreiteten und stabilen Krankheitserregern Fusarium oxysporum
sowie Tobacco mosaic virus zeigten zudem, dass auch die Übertragung dieser „Problemer-
reger“ mit der Nährlösung bzw. dem Gießwasser über das elektrolytische Desinfektionsver-
fahren verhindert werden kann, wenn 0,5 mg freies Chlor für 60 Minuten/Woche in das Be-
wässerungssystem appliziert werden (nicht dargestellt).
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Abb. 3: Verbreitung von PepMV über rezirkulierende Nährlösung in einem NFT-System und Infektion der Toma-
tenpflanzen innerhalb von 16 Wochen in Abhängigkeit von der Gießwasserdesinfektion. PepMV-infizierte Aus-
gangspflanzen (Pflanzen A01 bis A05 und B01 bis B05 sowie C01 bis C05 und D01 bis D05) und nicht PepMV-
infizierte (Pflanzen A06 bis A13 und B06 bis B13 sowie C06 bis C13 und D06 bis D13). Pflanzen mit dem Index B
bzw. D wurden mit behandelter Nährlösung versorgt, während Pflanzen mit dem Index A bzw. C mit unbehandel-
ter Nährlösung versorgt wurden. Alle Einzelpflanzen wurden wöchentlich auf eine Infektion mit PepMV geprüft.
Der Zeitpunkt zu dem die PepMV-Infektion erstmals in der Pflanze detektiert wurde, ist mit schwarzer Linie ge-
kennzeichnet. Dunkelgraue Felder: PepMV-infiziert; hellgraue Felder: nicht PepMV-infiziert; Links: 0,2 mg freies
Chlor/l für 1 h/Woche; Rechts: 0,5 mg freies Chlor/l für 30 min/Woche.
10
Abb. 4: Der Box und Whisker-Plot zeigt die Maximal- und Minimalwerte, die oberen und unteren Quartile und den
Median der mittleren Gesamtfruchtmenge der Tomatenpflanzen nach 10 Erntewochen abhängig von der Applizie-
rung des elektrolytisch hergestellten Desinfektionsmittels in die rezirkulierende Nährlösung. Kreise bezeichnen
Ausreißer. Ungleiche Kleinbuchstaben zeigen signifikante Unterschiede.
11
10,
11
Bandte, M.; Rodriguez, M. H.; Schuch, I.; Schmidt, U.; Büttner, C. (2016): Plant viruses in irrigation water:
reduced dispersal of viruses using sensor-based disinfection. Irrig. Science, DOI 10.1007/s00271-016-0500-1.
11
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2.2 Ermittlung der pflanzenbaulichen Auswirkungen
2.2.1 Gießwasser
Der Einfluss einer diskontinuierlichen Applizierung (90 min/Woche) des elektrolytisch herge-
stellten Desinfektionsmittels in verschiedenen Konzentrationen (1 bzw. 2 mg freies Chlor/l)
auf die Akkumulation des Desinfektionsnebenproduktes Chlorid (Cl-) im düngerhaltigen
Gießwasser wurde am Beispiel eines geschlossenen Bewässerungskreislaufes für den hyd-
roponischen Tomatenanbau geprüft. Eine wichtige Voraussetzung zur Eignung des elektroly-
tischen Desinfektionsverfahrens für den Pflanzenbau ist, dass die phytotoxisch unbedenkli-
che Menge an Chlorid im Gießwasser nicht überschritten wird.
Die Ergebnisse der wöchentlichen Wasseranalysen zeigen, dass der Chloridgehalt im desin-
fizierten Gießwasserkreislauf schneller steigt als beim unbehandelten Gießwasser (Abb. 5),
wobei die Anbauempfehlung zum hydroponischen Tomatenbau von max. 532 mg Chlorid/l 12
auch nach einem ¼ Jahr ohne Austausch des rezirkulierenden Wassers mit 196 mg Chlorid/l
(Kontrolle) 13, 386 mg Chlorid/l (D I) 14 sowie 444 mg Chlorid/l (D II) 15 unterschritten blieb.
Gleichwohl tolerieren Tomatenpflanzen, im Vergleich zu anderen hydroponischen Kulturen
(z. B. Gurke oder Salat), auch höhere Chloridgehalte im Gießwasser.
Abb. 5: Auswirkung in 12 Wochen auf die Anreicherung von Chlorid (Cl-) im Wasser durch Applizierung von elekt-
rolytisch hergestellter Desinfektionslösung ins rezirkulierende düngerhaltige Gießwasser. D I = 1 mg freies Chlor/l
für 90 min/Woche; D II = 2 mg freies Chlor/l für 90 min/Woche; Kontrolle = unbehandelt. 16
12 Sonneveld, C.; Straver, N. (1988): Nutrient solutions for vegetables and flowers grown in water or substrates.
7th ed., no. 8, Voedingsoplossing glastuinbouw.
13, 14, 15, 16 Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015a): Effects of hypochlorite as a disin-
fectant for hydroponic systems on accumulations of chlorate and phytochemical compounds in tomatoes. Euro-
pean Food Research and Technology 242(3):345-353.
14
15
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Zudem wurde bei diskontinuierlicher Applizierung des Desinfektionsmittels (90 min/Woche)
ein Rückgang des Algen-/Biofilms im Bewässerungssystem festgestellt, wobei sich dieser
Effekt mit steigender Dosis verstärkte (Abb. 6). So wurde im Vergleich mit der unbehandelten
Kontrollvariante die Algenbildung um 15 % (D I) 17 bzw. 48 % (D II) 18 verringert. Diesbezüg-
lich führte die gleiche Behandlung zu einem temporären Rückgang der koloniebildenden
Mikroorganismen im Gießwasser um bis zu 100 % 19 (Abb. 7).
Abb. 6: Auswirkung nach 3 Wochen auf den Algen- und Biofilm im Bewässerungssystem durch Applizierung von
elektrolytisch hergestellter Desinfektionslösung ins rezirkulierende düngerhaltige Gießwasser. D I = 1 mg freies
Chlor/l für 90 min/Woche; D II = 2 mg freies Chlor/l für 90 min/Woche; Kontrolle = unbehandelt. Ungleiche Klein-
buchstaben zeigen signifikante Unterschiede. Vertikale Linien zeigen die Standardabweichung. 20
Abb. 7: Auswirkung auf die Mikroorganismen im Wasser durch Applizierung (montags) von elektrolytisch herge-
stellter Desinfektionslösung ins rezirkulierende düngerhaltige Gießwasser bei 22 °C (a) und 36 °C (b). D I = 1 mg
freies Chlor/l für 90 min/Woche; D II = 2 mg freies Chlor/l für 90 min/Woche; Kontrolle = unbehandelt. Ungleiche
Kleinbuchstaben zeigen signifikante Unterschiede. Vertikale Linien zeigen die Standardabweichung. 21
17, 18, 19, 20, 21 Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015b): Hypochlorite application for con-
trolling algae biofilm formation, microorganisms and tomato production in recirculating systems. Gesunde Pflan-
zen 67(4):191-199.
18
19
20
21
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2.2.2 Pflanzenwachstum und Ertrag
Im Rahmen der Studie wurde der Einfluss einer diskontinuierlichen Gießwasserdesinfektion
mit einem elektrolytisch hergestellten Desinfektionsmittel auf die Entwicklung eines hydropo-
nisch angebauten Tomatenbestandes (cv. Pannovy) geprüft.
Die Ergebnisse der Bonituren zeigen (Tab. 1), dass Tomatenpflanzen mit einer diskontinuier-
lichen Gießwasserdesinfektion für 90 min/Woche mit 1 mg freies Chlor/l (D I) eine ähnliche
Wuchshöhe wie unbehandelte Tomatenpflanzen erreichen 22. Dagegen führt eine Verdopp-
lung der Desinfektionsmittelkonzentration (D II) zum Anstieg der Wuchshöhe 23. Hinsichtlich
der Anzahl der ausgebildeten Blätter ergab sich beim Desinfektionsszenario mit 1 mg freies
Chlor/l (D I), im Vergleich zu den beiden anderen Varianten, eine Erhöhung der Blattanzahl
pro Pflanze 24. Chlorotische oder nekrotische Blattveränderungen wurden bei keiner Variante
festgestellt.
Tab. 1: Auswirkung auf die Wuchshöhe und Blattanzahl von Tomatenpflanzen (cv. Pannovy) durch Applizierung
von elektrolytisch hergestellter Desinfektionslösung ins rezirkulierende düngerhaltige Gießwasser. D I = 1 mg
freies Chlor/l für 90 min/Woche; D II = 2 mg freies Chlor/l für 90 min/Woche; Kontrolle = unbehandelt. Ungleiche
Kleinbuchstaben zeigen signifikante Unterschiede. Werte mit dem Plusminuszeichen (±) zeigen die Standardab-
weichung. 25
Hinsichtlich der Tomatenerträge wurde im Vergleich zu den unbehandelten Pflanzen durch
die wöchentliche Gießwasserdesinfektion mit 1 mg freies Chlor/l (D I) ein Anstieg im Frucht-
ertrag um nahezu 10 % 26 und der Fruchtanzahl um ca. 15 % 27 festgestellt (Tab. 2). Zu Be-
ginn des Erntezeitraums waren Fruchtertrag und Fruchtanzahl sogar um 55 % bzw. 57 %
gegenüber der Kontrolle erhöht 28, wobei sich diese Unterschiede während der Anbauperiode
abschwächten. Im Gegensatz dazu ergab sich beim Desinfektionsszenario mit 2 mg freies
Chlor/l (D II) eine ähnliche Ertragssituation wie bei den unbehandelten Kontrollpflanzen 29
(Tab. 2). Unter Berücksichtigung der Ergebnisse zum Wachstum und Ertrag am Beispiel von
Tomatenpflanzen bleibt festzuhalten, dass die vielversprechendsten Effekte durch das Des-
infektionsregime „D I“ erzielt wurden, wobei phytotoxische Effekte unter den geprüften Be-
dingungen ausgeschlossen werden können.
22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015b): Hypochlorite application for
controlling algae biofilm formation, microorganisms and tomato production in recirculating systems. Gesunde
Pflanzen 67(4):191-199.
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Tab. 2: Auswirkung auf Fruchtertrag, Fruchtanzahl und Fruchtgewicht von Tomatenpflanzen (cv. Pannovy, Ernte
ab Fruchtfarbe 9 OECD und Fruchtgewicht > 50 g) durch Applizierung von elektrolytisch hergestellter Desinfekti-
onslösung ins rezirkulierende düngerhaltige Gießwasser. D I = 1 mg freies Chlor/l für 90 min/Woche; D II = 2 mg
freies Chlor/l für 90 min/Woche; Kontrolle = unbehandelt. Ungleiche Kleinbuchstaben zeigen signifikante Unter-
schiede. Werte mit dem Plusminuszeichen (±) zeigen die Standardabweichung. 30
2.2.3 Pflanzeninhaltsstoffe
Problematisch bei den chemischen Wasserdesinfektionsverfahren ist eine mögliche Akkumu-
lation von unerwünschten Nebenprodukten im Wasser bzw. in den damit bewässerten Pflan-
zen oder gewaschenen Pflanzenteilen. So zeigt die amtliche Lebensmittelüberwachung am
Beispiel von Chlorat (ClO3-), dass dieses u. a. in unverarbeiteten Tomaten (0,2 mg/kg) und
Karotten (0,3 mg/kg) auftreten kann 31. In hoher Konzentration kann Chlorat beim Menschen
zu einer Schädigung der roten Blutkörperchen und Hemmung der Jodaufnahme führen 32.
Zur Frage durch welche verfahrenstechnischen Prozesse Chlorate in Lebensmittel gelangen,
wird u. a. der Einsatz von gechlortem Gieß-/Waschwasser vermutet 33, wobei zu den Mecha-
nismen der Chlorataufnahme durch Pflanzen noch wenig bekannt ist.
In der dem Abschlussbericht zugrundeliegenden Studie wurde ein Zusammenhang zwischen
der Anreicherung von Chlorat in Tomatenfrüchten und der elektrolytischen Gießwasserdesin-
fektion festgestellt. Die Ergebnisse zeigen (Tab. 3), dass der Chloratgehalt von 0,01 mg/kg
(Kontrolle) 34 auf 0,22 mg/kg (D I) 35 bzw. 0,25 mg/kg (D II) 36 steigt, wenn die Pflanzen im ge-
schlossenen Kreislauf auf Fließrinnen (NFT) durchgehend bewässert werden und die Desin-
fektionslösung diskontinuierlich (90 min/Woche) mit 1 (D I) bzw. 2 mg freies Chlor/l (D II) ins
düngerhaltige Gießwasser dosiert wird. Eine Anreicherung von Perchlorat (ClO4-) fand hin-
30 Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015b): Hypochlorite application for controlling
algae biofilm formation, microorganisms and tomato production in recirculating systems. Gesunde Pflanzen
67(4):191-199.
31, 33 Kaufmann-Horlacher, I. (2014): Chlorat-Rückstände in pflanzlichen Lebensmitteln - ein Update.
Chemisches und Veterinäruntersuchungsamt Stuttgart (CVUA).
https://dl.dropboxusercontent.com/u/8384843/Homepage/CVUAS_RK_Chlorat-Update2014.pdf, Abruf 05.01.16.
32 BfR (2014): Vorschläge des BfR zur gesundheitlichen Bewertung von Chloratrückständen in Lebensmitteln.
Stellungnahme Nr. 028/2014 des BfR vom 12. Mai 2014. http://www.bfr.bund.de/cm/343/vorschlaege-des-bfr-zur-
gesundheitlichen-bewertung-von-chloratrueckstaenden-in-lebensmitteln.pdf, Abruf 05.01.16.
33
34, 35, 36 Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015a): Effects of hypochlorite as a disinfect-
ant for hydroponic systems on accumulations of chlorate and phytochemical compounds in tomatoes. European
Food Research and Technology 242(3):345-353.
35
36
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
14
gegen nicht statt 37. Es ist anzunehmen, dass sich die Chlorateinlagerung ins Fruchtgemüse
unter Praxisbedingungen mit einer Tropfbewässerung reduzieren lässt.
Im Kontext der Diskussion um Chloratrückstände in Lebensmitteln hat die Europäische Be-
hörde für Lebensmittelsicherheit eine Stellungnahme zum Chlorat-Grenzwert veröffentlicht,
der sich auf eine Referenzdosis von 0,036 mg pro kg Körpergewicht und Tag bezieht 38. Bei
70 kg Körpergewicht entspricht dies einer zulässigen Aufnahme von 2,52 mg Chlorat/Tag.
Um diese Menge zu erreichen, lässt sich unter den geprüften Desinfektionsbedingungen und
unter Ausschluss sonstiger Chlorataufnahmen eine toxikologisch unbedenkliche Tagesver-
zehrmenge von 11,45 kg (D I) bzw. 10,08 kg (D II) Frischtomate ableiten. Die Grundvoraus-
setzung zur Anwendung der elektrolytischen Wasserdesinfektion im Vor- und Nacherntebe-
reich ist jedoch, dass die toxikologisch unbedenkliche Menge an Desinfektionsnebenproduk-
ten nicht überschritten wird.
Hinsichtlich der Auswirkung einer diskontinuierlichen Applizierung von elektrolytisch herge-
stellter Desinfektionslösung auf die Akkumulation von Metaboliten in Tomaten wurde ein An-
stieg des Gehalts an Lycopin und β-Carotin in den Früchten nachgewiesen. Beide Stoffe
gehören zu den Carotinoiden mit antioxidativer Wirkung. Im Vergleich zu den unbehandelten
Pflanzen wurde der Gehalt an Lycopin um 21,1 % (D I) 39 bzw. 33,5 % (D II) 40 und der Gehalt
an ß-Carotin um 8,7 % (D I) 41 bzw. 23,9 % (D II) 42 erhöht.
Tab. 3: Auswirkung auf den Gehalt an Chlorat (ClO3-), Perchlorat (ClO4-) und Metaboliten in Tomatenfrüchten
(cv. Pannovy, Ernte ab Fruchtfarbe 9 OECD und Fruchtgewicht > 70 g) durch Applizierung von elektrolytisch
hergestellter Desinfektionslösung ins rezirkulierende düngerhaltige Gießwasser. D I = 1 mg freies Chlor/l für
90 min/Woche; D II = 2 mg freies Chlor/l für 90 min/Woche; Kontrolle = unbehandelt. r = Pearson-Korrelation;
R² = Bestimmtheitsmaß; m = slop in y = mx + b. Ungleiche Kleinbuchstaben zeigen signifikante Unterschiede.
Werte mit dem Plusminuszeichen (±) zeigen die Standardabweichung. Das Sternchen (*) zeigt signifikante Werte
bei einem Signifikanzniveau von p < 0,05. 43
37, 39, 40, 41, 42, 43 Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015a): Effects of hypochlorite as a
disinfectant for hydroponic systems on accumulations of chlorate and phytochemical compounds in tomatoes.
European Food Research and Technology 242(3):345-353.
38 EFSA (2015): Chlorat in Lebensmitteln – Risiken für öffentliche Gesundheit. Nachricht der Europäischen Be-
hörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) vom 24. Juni 2015. http://www.efsa.europa.eu/de/press/news/150624a,
Abruf 05.01.16.
39
40
41
42
43
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
15
2.3 Projektbegleitende Technikstudie
Von großer Bedeutung ist die Implementierung des entwickelten Wasserdesinfektionssys-
tems in große Gewächshausanlagen unter Praxisbedingungen. Hierzu wurden die Voraus-
setzungen durch eine projektbegleitende Studie zu den technischen Strukturen und Einsatz-
bedingungen in solchen gärtnerischen Produktionsanlagen geschaffen. Die Studie wurde im
Auftrag der Humboldt-Universität zu Berlin durch das Steinbeis-Transferzentrum (SU 308)
Energie-Umwelt-Information durchgeführt. Der Auftragnehmer verfügt über eine langjährige
Expertise bei der technischen Bewertung von Gewächshaussystemen.
Im Rahmen der Studie wurden die in der Praxis angewandten Methoden zur Wasserdesin-
fektion in Gewächshäusern erfasst und deren Besonderheiten sowie spezifische Eigenheiten
dokumentiert. Zudem werden darin, aus Sicht der Gewächshausbetreiber, die Vor-/Nachteile
der jeweiligen Desinfektionsverfahren aufgezeigt. Plangemäß sollten mit der Studie mind. 10
Gewächshausbetriebe berücksichtigt werden, die folgende Auswahlkriterien erfüllen:
Gewächshäuser mit Gemüse-/Zierpflanzenproduktion im ausgewogenen Verhältnis
Gewächshausfläche mind. 0,5 ha
Gewächshäuser mit/ohne Wiederverwendung des Gießwassers
Gewächshäuser mit/ohne Desinfektion des Gießwassers
Gewächshäuser mit chemischen/physikalischen Desinfektionsverfahren
Da bei der Studie das Thema innerbetriebliche Pflanzengesundheit eine Rolle spielt, wurden
die Informationen im Rahmen eines 1-2 h Interviews mit Hilfe eines anonymisierten Fragen-
katalogs erfasst. Ferner wurde zu jedem Gewächshaus ein Fließschema des installierten
Bewässerungssystems erstellt. Die nachfolgende Tab. 4 verschafft einen Überblick zu den
befragten Gewächshausbetrieben. Einer dieser Betriebe konnte nach Abschluss des Vorha-
bens für die Teilnahme an einem von der Landwirtschaftlichen Rentenbank bewilligten An-
schlussprojekt (AN 776376) "Praxiseinführung und Optimierung eines innovativen Systems
zur elektrolytischen Wasserdesinfektion in Gewächshäusern (SeWiG)" gewonnen werden.
Tab. 4: Übersicht der im Rahmen der projektbegleitenden Technikstudie befragten Gewächshausbetriebe nach
Produktionsrichtung, Anzahl, Fläche, Bewässerungs- und Desinfektionsverfahren.
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
16
2.4 Verwertbarkeit der Ergebnisse
Mit der Entwicklung eines innovativen Desinfektionsverfahrens für Gießwasser/Nährlösung
durch Adaptation bekannter Technologien wie der Salzelektrolyse, Inline-Chlormessung und
sensorbasierten Applizierung an die Erfordernisse für den Einsatz in Gewächshäusern steht
ein Verfahren zur Minimierung des phytosanitären Risikos bei der Wiederverwendung von
mit Pflanzenkrankheitserregern kontaminiertem Wasser zur Verfügung.
Pilze, Viren und Bakterien können sich vor allem bei geschlossenen Bewässerungssystemen
im Wasser anreichern und schnell im gesamten Pflanzenbestand verbreiten. Um daraus re-
sultierende Ertrags- und Qualitätseinbußen zu verhindern, sind phytosanitäre Maßnahmen
unerlässlich. Hierzu weisen etablierte Wasserdesinfektionsmethoden zwar eine hohe Effizi-
enz bei der Eliminierung von Pilzen oder Bakterien auf, können die Verbreitung von Viren
jedoch nicht sicher verhindern. Diese sind bisher nur durch eine energie- und kostenintensi-
ve Wärmebehandlung des Wassers zuverlässig zu inaktivieren.
Die dem Abschlussbericht zugrundeliegende Studie zeigt, dass eine diskontinuierliche Appli-
zierung einer durch Salzelektrolyse hergestellten Desinfektionslösung einen wichtigen Bei-
trag zur effizienten und ressourcenschonenden Nutzung von Wasser im Gewächshausanbau
liefern kann. Hervorzuheben ist dabei die Wirksamkeit gegen Pflanzenviren.
Die Technologie muss nun unter kommerziellen Bedingungen getestet werden und ihre Effi-
zienz und Robustheit im praktischen Betrieb unter Beweis stellen. Dabei stehen Faktoren wie
die Wasserqualität, Durchflussmenge, Investition und Betriebskosten im Vordergrund. Folg-
lich ist durch ein Scale-up des im Versuchsmaßstab effizienten Systems zur elektrolytischen
Wasserdesinfektion auf große Gewächshäuser, die Technologie unter Praxisbedingungen zu
erproben, zu validieren und gegebenenfalls zu optimieren. Dies ist Voraussetzung zur erfolg-
reichen Etablierung im Gewächshausanbau. Hierzu wird von 2015 bis 2018 ein von der
Landwirtschaftlichen Rentenbank bewilligtes Anschlussprojekt mit dem Titel: "Praxiseinfüh-
rung und Optimierung eines innovativen Systems zur elektrolytischen Wasserdesinfektion in
Gewächshäusern (SeWiG)" durchgeführt. Bei erfolgreichem Abschluss, steht der Branche
ein neuartiges Wasserdesinfektionsverfahren zur Verfügung, das einen Innovationssprung in
der Verminderung des phytosanitären Risikos bei gleichzeitiger Minimierung des Ressour-
ceneinsatzes und der Gewährleistung einer für Mensch und Umwelt sicheren Pflanzenpro-
duktion ermöglicht. Die Erfahrungen mit dem Betrieb der Pilotanlagen werden zukünftig im
Rahmen von Workshops den verschiedenen Stakeholdern wie Praktikern, Beratern und den
Vertretern von Wissenschaftseinrichtungen vorgestellt und dabei diskutiert.
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
17
2.5 Veröffentlichungen
Bandte, M.; Rodriguez, M. H.; Schuch, I.; Schmidt, U.; Büttner, C. (2016): Plant viruses in
irrigation water: reduced dispersal of viruses using sensor-based disinfection. Irriga-
tion Science, DOI 10.1007/s00271-016-0500-1.
Bandte, M.; Rodriguez, H.-M.; Fischer, G.; Schmidt, U.; Büttner, C. (2015): Potential of elec-
trolytic disinfection of nutrient solution to hamper dispersal of plant pathogens. XVIII.
International Plant Protection Congress, Berlin, Book of Abstracts, 120.
Berberich, J.; Schuch, I.; Gao, Y.; Bandte, M.; Büttner, C.; Schmidt, U. (2015): SeWiG: Pra-
xiseinführung und Optimierung eines innovativen Systems zur elektrolytischen Was-
serdesinfektion in Gewächshäusern. Agritechnica 2015, Hannover,
DOI 10.13140/RG.2.1.4361.7367.
Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015): Effects of hypochlorite as
a disinfectant for hydroponic systems on accumulations of chlorate and phytochemi-
cal compounds in tomatoes. European Food Research and Technology 242(3): 345-
353.
Dannehl, D.; Schuch, I.; Gao, Y.; Cordiner, S.; Schmidt, U. (2015): Hypochlorite application
for controlling algae biofilm formation, microorganisms and tomato production in re-
circulating systems. Gesunde Pflanzen 67(4):191-199.
Paulke, J.; Bandte, M.; Büttner, C. (2015): Eignung von elektrolytisch generiertem Kalium-
hypochlorit zur Inaktivierung von Pflanzenviren in rezirkulierender Nährlösungen im
Gewächshausanbau von Tomaten. 70. ALVA-Jahrestagung, Graz, Österreich, Ta-
gungsbericht (ISSN 1606-612X), 291.
Paulke, J.; Bandte, M.; Büttner, C. (2014): Eignung von elektrolytisch generiertem Kalium-
hypochlorit zur Inaktivierung von Pflanzenviren in rezirkulierender Nährlösungen im
Gewächshausanbau von Tomaten. 59. Deutsche Pflanzenschutztagung, Freiburg,
Julius-Kühn-Archiv 447:512.
Rodriguez Aguilar, M. H.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2015): Suitability of an electro-
lytic disinfector to sanitize irrigation water contaminated with plant pathogens. XVIII.
International Plant Protection Congress, Berlin, Book of Abstracts, 452-453.
Rodriguez, M.-H.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2015): Potential von Kaliumhypochlo-
rit zur Inaktivierung ausgewählter pilzlicher, bakterieller und viraler Pflanzenkrank-
heitserreger. 70. ALVA-Jahrestagung, Graz, Österreich, Tagungsbericht (ISSN 1606-
612X), 293.
Rodriguez, M.-H.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2015): Potential von Kaliumhypochlo-
rit zur Inaktivierung ausgewählter pilzlicher, bakterieller und viraler Pflanzenkrank-
heitserreger. 50. Gartenbauwissenschaftliche Jahrestagung, Freising, BHGL-
Schriftenreihe 31 (ISSN 1613-088X):152.
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
18
Rodriguez, H. M.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2014): Efficiency of potassium chlora-
te (KClO) to inactivate plant pathogens in nutrient solution. 66. International Symposi-
um on Crop Protection. Ghent, Belgium, Book of Abstracts, 56.
Rodriguez, M.-H.; Richter-Reichhelm, J.; Paulke, J.; Schuch, I.; Fischer, G.; Schmidt, U.;
Bandte M.; Büttner, C. (2014): Anwendbarkeit von elektrolytisch generiertem Kalium-
hypochlorit zur Inaktivierung von Pflanzenpathogenen in rezirkulierender Nährlösun-
gen im Gewächshausanbau. 69. ALVA Tagung, Wieselburg, Österreich, Abstract-
Band (ISSN 1606-612X), 100.
Rodriguez, M.-H.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2014): Effizienz von Kaliumhypo-
chlorit zur Inaktivierung ausgewählter pilzlicher, bakterieller und viraler Pflanzen-
krankheitserreger. 59. Deutsche Pflanzenschutztagung, Freiburg, Julius-Kühn-Archiv
447:511.
Schmidt, U.; Gao, Y.; Büttner, C. (2014): Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungs-
systems mit vermindertem phytosanitärem Risiko in Gewächshäusern (AO Gewächs-
haus). Innovationstage 2014. Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung, Bonn,
Tagungsband, 62-63.
Schuch, I.; Dannehl, D.; Bandte, M.; Suhl, J.; Gao, Y.; Schmidt, U.: Chloratminimierung bei
der elektrolytischen Desinfektion von Gießwasser (2016). Landtechnik - Agricultural
Engineering 71(2):25-34.
Schuch, I.; Berberich, J.; Seyfarth, A.; Gao, Y.; Schmidt, U. (2015): Anwendung der elektro-
lytischen Wasserdesinfektion bei Pflanzennährlösungen. 50. Gartenbauwissenschaft-
liche Jahrestagung, Freising, BHGL-Schriftenreihe 31 (ISSN 1613-088X):34.
Seyfarth, A.; Schuch, I.; Gao, Y.; Schmidt, U. (2014): Einsatz der elektrolytischen Wasser-
desinfektion bei geschlossenen Bewässerungssystemen. 49. Gartenbauwissen-
schaftliche Jahrestagung, Dresden, BHGL-Schriftenreihe 30 (ISSN 1613-088X):125.
Vincenz, J.; Bandte, M.; Büttner, C. (2014): Routinenachweis von Pflanzenviren in der Nähr-
lösung am Beispiel von Pepino Mosaic Virus. 69. ALVA-Jahrestagung, Wieselburg,
Österreich, Abstract-Band (ISSN 1606-612X), 295.
Vincenz, J.; Bandte, M.; Büttner, C. (2014): Ultrafiltration und Ultrazentrifugation zur Konzen-
trierung von Pflanzenviren in Nährlösung. 59. Deutsche Pflanzenschutztagung, Frei-
burg, Julius-Kühn-Archiv 447:513.
Vincenz, J.; Bandte, M.; Büttner, C. (2014): Ultrafiltration und Ultrazentrifugation zur Konzen-
trierung von Pflanzenviren in Nährlösung. 70. ALVA-Jahrestagung, Graz, Österreich,
Tagungsbericht (ISSN 1606-612X), 294.
Abschlussbericht: FKZ 2815502611
19
3 Kurzfassung
Bei der Nutzung von Oberflächenwasser zur Bewässerung und einer Wiederverwendung des
überschüssigen Wassers ist das Verbreitungsrisiko von Pflanzenkrankheitserregern erhöht.
Dies bedingt eine effektive Wasserdesinfektion. Hierzu wurde zunächst in vitro die Wirksam-
keit einer durch Salzelektrolyse erzeugten Desinfektionslösung zur Inaktivierung von pilzli-
chen, bakteriellen und viralen Erregern geprüft. Erwartungsgemäß variieren die erforderli-
chen Chlorkonzentrationen und Einwirkzeiten in Abhängigkeit von der Erregerart. Anschlie-
ßend wurde die Wirksamkeit in vivo bei Tomatenpflanzen unter Einsatz einer Mess- und Do-
sieranlage getestet, wobei eine diskontinuierliche Applizierung (1/Woche) des hypochlorithal-
tigen Desinfektionsmittels zur Unterbindung der Virusverbreitung und zum deutlichen Rück-
gang von Mikroorganismen im Wasser führte ohne phytotoxische Reaktionen hervorzurufen.
Ferner wurde ein Zusammenhang zwischen der Akkumulation von Chlorat und Carotinoiden
in Tomaten und der elektrolytischen Wasserdesinfektion festgestellt, wobei nach dem aktuel-
len Kenntnisstand der Frischgemüseverzehr unter den geprüften Desinfektionsbedingungen
als unbedenklich eingestuft werden kann. Das System zur elektrolytischen Wasserdesinfek-
tion in Gewächshäusern (SeWiG) muss nun unter kommerziellen Bedingungen getestet wer-
den und seine Effizienz im Praxisbetrieb unter Beweis stellen. Grundvoraussetzung zur An-
wendung im Pflanzenbau ist, dass die toxikologisch unbedenkliche Menge an Desinfektions-
nebenprodukten nicht überschritten wird.
Full-text available
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.
Full-text available
Article
The increasing use of recirculating nutrient solutions and drainage water for irrigation purposes requires effective sanitation methods to minimise the dispersal of plant pathogens. Among these, plant viruses are of particular interest because they cannot be cured. A new disinfection system was tested in regard to its ability to inactivate plant viruses in nutrient solution in greenhouses. Potassium hypochlorite produced onsite by an electrolytic disinfector and injected once weekly into the nutrient solution by a sensor, prevented the dispersal of Pepino mosaic virus in the tomato crop. The management program assures that virus particles released from infected plants do not accumulate, forming an infectious virus reservoir which represents an inoculum potential in the hydroponic system. Both tested applications at 0.2 or 0.5 mg free chlorine/l nutrient solution for 60 or 30 min ensured virus inactivation and did not cause phytotoxicity. The yield of tomato plants grown in KCIO-treated nutrient solution was even significantly higher than that of control plants. PepMV-infected source plants solely bore unmarketable tomatoes showing discoloration. By inhibiting the dispersal of PepMV and the infection of test plants, the amount of unmarketable tomato fruits was reduced rigorously in treated variants.
Full-text available
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
Full-text available
Conference Paper
Verschiedenste Methoden wurden bisher auf ihre Eignung zur Minimierung der Ausbreitung von Pflanzenpathogenen in rezirkulierenden Wassersystemen geprüft. Zu diesen gehören die Langsamsand-/Lavagranulatfiltration, UV-Bestrahlung, Erwärmung, Ozonierung, der Zusatz nichtionischer Tenside und das Chloren. Während einige Methoden pathogenabhängig eine hohe Effizienz bei der Inaktivierung bzw. Eliminierung von Pilzen oder Bakterien aufweisen, vermag bisher keine Methode pflanzenpathogene Viren zu ökonomisch und ökologisch vertretbaren Bedingungen zu inaktivieren. Dazu wurden zunächst acht wirtschaftlich bedeutende Krankheitserreger ausgewählt: Fusarium oxysporum, F. Verticillioides, Pythium aphanidermatum, Botrytis cinerea, Verticillium dahliae, Rhizoctonia solani, Xanthomonas campestris pv. campestris, Pseudomonas syringae pv. syringae und Pepino mosaic virus. Die Effizienz der KClO-Lösung zur Inaktiverung der Pathogene wurde in Anlehnung an den OEPP/EPPO Standard PP 1/261 (2008) zunächst in vitro bzw. an Testpflanzen ermittelt und Dosis-Wirkungs-Beziehungen berechnet. Wie erwartet variiert die zur vollständigen Inaktivierung der Krankheitserreger erforderliche Dosis und Kontaktzeit in Abhängigkeit von der Erregerart und ggf. dessen Entwicklungsstadium.
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
Potential of electrolytic disinfection of nutrient solution to hamper dispersal of plant pathogens
  • M Bandte
  • H.-M Rodriguez
  • G Fischer
  • U Schmidt
  • C Büttner
Bandte, M.; Rodriguez, H.-M.; Fischer, G.; Schmidt, U.; Büttner, C. (2015): Potential of electrolytic disinfection of nutrient solution to hamper dispersal of plant pathogens. XVIII. International Plant Protection Congress, Berlin, Book of Abstracts, 120.
Suitability of an electrolytic disinfector to sanitize irrigation water contaminated with plant pathogens
  • M H Rodriguez Aguilar
  • M Bandte
  • G Fischer
  • C Büttner
Rodriguez Aguilar, M. H.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2015): Suitability of an electrolytic disinfector to sanitize irrigation water contaminated with plant pathogens. XVIII. International Plant Protection Congress, Berlin, Book of Abstracts, 452-453.
Efficiency of potassium chlorate (KClO) to inactivate plant pathogens in nutrient solution. 66. International Symposium on Crop Protection
  • H M Rodriguez
  • M Bandte
  • G Fischer
  • C Büttner
Rodriguez, H. M.; Bandte, M.; Fischer, G.; Büttner, C. (2014): Efficiency of potassium chlorate (KClO) to inactivate plant pathogens in nutrient solution. 66. International Symposium on Crop Protection. Ghent, Belgium, Book of Abstracts, 56.
Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungssystems mit vermindertem phytosanitärem Risiko in Gewächshäusern (AO Gewächshaus). Innovationstage
  • U Schmidt
  • Y Gao
  • C Büttner
Schmidt, U.; Gao, Y.; Büttner, C. (2014): Entwicklung eines rezirkulierenden Bewässerungssystems mit vermindertem phytosanitärem Risiko in Gewächshäusern (AO Gewächshaus). Innovationstage 2014. Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung, Bonn, Tagungsband, 62-63.
  • I Schuch
  • D Dannehl
  • M Bandte
  • J Suhl
  • Y Gao
  • U Schmidt
Schuch, I.; Dannehl, D.; Bandte, M.; Suhl, J.; Gao, Y.; Schmidt, U.: Chloratminimierung bei der elektrolytischen Desinfektion von Gießwasser (2016). Landtechnik -Agricultural Engineering 71(2):25-34.
Routinenachweis von Pflanzenviren in der Nährlösung am Beispiel von Pepino Mosaic Virus
  • J Vincenz
  • M Bandte
  • C Büttner
Vincenz, J.; Bandte, M.; Büttner, C. (2014): Routinenachweis von Pflanzenviren in der Nährlösung am Beispiel von Pepino Mosaic Virus. 69. ALVA-Jahrestagung, Wieselburg, Österreich, Abstract-Band (ISSN 1606-612X), 295.