Projekt 37299/01

Umweltfreundliche Produktion von gesundheitsfördernden Lebensmitteln mithilfe von hydroponischen Systemen mit weitgehender Kreislaufführung des Wassers

Projektträger

Aurapa GmbH
Turmstr. 4
74321 Bietigheim-Bissingen
Telefon: 07142-913667

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines hydroponischen Systems, mit dem den Pflanzen eine aus-reichende Menge an Nitrat in der Nährlösung zur Verfügung gestellt wird, um standardisierte konstante Nitratgehalte im Lebensmittel zu erzeugen. Weiterhin soll ein weitgehend geschlossener Wasserkreislauf etabliert werden, um Nitrat-Emissionen in das Grund- oder Abwasser vollständig zu vermeiden.
Das Treibhausgas Lachgas (N2O) trägt wesentlich zur Zerstörung der Ozonschicht bei und verursacht, nach CO2 und Methan, den dritthöchsten Beitrag zum Klimawandel. Der größte Teil davon entsteht in der Landwirtschaft durch Zersetzung von Stickstoffdüngern. Daher sollen Messungen der N2O Emissionen zeigen, inwieweit sich das neue Produktionsverfahren darauf auswirkt.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenHierzu wurden zwei baugleiche Labor-Hydroponik-Anlagen genutzt. Gerstengras-Keimlinge wurden ohne Pflanz-Substrat direkt auf einem Edelstahlgitter in einer Kiste kultiviert und periodisch mit Nährlösung überflutet (Ebbe- und Flutsystem). Zur kontinuierlichen Messung von Lachgas und CO2 wurden Abdeckscheiben verwendet, die den Luftraum der Kiste über den Pflanzen abschlossen. Auch wurden kontinuierlich pH, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit in der rezirkulierten Nährstofflösung gemessen. Eine periodische Umschaltung der Gasströme zum Messgerät oder zur Belüftung der Pflanzen, sowie die Schaltung der Rezirku-lation der Nährlösungen erfolgte mit dem PC, um ein Messgerät für beide Anlagen nutzen zu können. Eine Kühlung der Nährlösung war vorgesehen, aber wurde nicht benötigt, da die Temperaturen ohnehin konstant blieben.
Die Haupt-Nährstoffe Nitrat, Phosphat, Kalium und CSB wurden in der Nährstofflösung und in den Pflanzen analysiert.



Ergebnisse und Diskussion

Die wichtigsten Ergebnisse bezüglich der Nährstoffgehalte in den Gersten-Pflanzen („Gerstengras“):
1. Im Gerstengras wurde ein maximaler Nitratgehalt (gerechnet als NO3-) von 13 % bez. auf TM (Trockenmasse) gefunden. In früheren Versuchen wurden bis zu 15 % erreicht (bei unterschiedlichen Bedingungen)
2. Bei bis zu 250 mg/L NO3--N in der Nährlösung wurden die Nitratgehalte in der Pflanze von den Konzentrationen in der Nährlösung beeinflusst. Bei 420 mg/L NO3--N wurden keine höheren Nitratgehalte gemessen, vermutlich ergibt sich hier eine Art „Sättigung“.
3. Für die Kalium-Gehalte in der Pflanze gilt eine ähnliche Beziehung. Es wurden Kaliumgehalte von bis zu 14 % bez. auf TM ermittelt. Auch hier ergibt sich bis 780 mg/L Kalium in der wässrigen Phase eine Korrelation zu den Konzentrationen in der Nährlösung. Die absoluten Werte waren ebenfalls deutlich niedriger als in früheren Versuchen (Löffler 2018).
4. Das Alter der Pflanzen mit 7 d bzw. 14 d bewirkte nur geringe Unterschiede in den Nährstoffgehalten der Pflanzen. Damit könnte in der Praxis eine gewisse Flexibilität beim Erntezeitpunkt erreicht werden.
5. Der Erntezeitpunkt nach der nächtlichen Dunkelphase über 16 h hatte ca. 10 % höhere Nitratgehalte in der Pflanze gegenüber einer Ernte nach der 6 h dauernden Hellphase zur Folge. Die CSB-Gehalte waren dafür nach der Hellphase höher, was sich vermutlich mit der Produktion von löslichen Kohlehydraten in-folge des Photosynthese-Prozesses erklären lässt. Auch in früheren Versuchen wurde kein gravierender Unterschied bei einer Hellphase von 4 h nach einer Dunkelphase von 12 h gefunden.
6. Mit unterschiedlichen pH-Werten in der Nährlösung von 6,0 bzw. 8,0 ergaben sich keine wesentlichen Unterschiede bei den Nährstoffgehalten in der Pflanze.
Die Lachgas- (N2O) und Kohlendioxid (CO2) Messungen in der Gasphase ergaben folgende Ergebnisse:
1. Die Lachgas Konzentrationen in der Gasphase waren bei allen Versuchen normalerweise sehr niedrig (mit 1 ppm bis 2 ppm an der Bestimmungsgrenze). Nach einem Ausfall der Pumpe über 3 d, ergab sich ein kurzzeitiger Peak der N2O-Konzentrationen, die danach schnell wieder auf die vorherigen geringen Werte zurückgingen (Versuch 3). Bei Versuch 4 wurde die Pflanzenerde nur einmal je Tag gewässert, wobei die N2O Konzentrationen jeweils kurz nach diesem Ereignis einen Peak zeigten. Dies könnte eine Reaktion der Pflanze auf die Trockenheit sein.
2. Die CO2 Konzentrationen in der Gasphase stiegen bis etwa zum 6. d kontinuierlich an. Dies liegt vermutlich daran, dass der Keimling die im Korn vorrätigen Inhaltsstoffe abgebaut hat, um das Wachstum der Pflanze zu ermöglichen. Nach dem 3. d konnte die junge Pflanze im Licht grüne Blätter ausbilden, die durch Photosynthese einen Teil des entstehenden CO2 wieder reduzieren können. Dazu passen auch die deutlichen Unterschiede zwischen den CO2 Konzentrationen in der Hell- und der Dunkelphase. In der Hellphase waren die Konzentrationen um bis zu 1000 ppm niedriger.
3. Nach dem 6. d wurden die CO2 Konzentrationen während der Dunkelphase geringer. Etwa ab dem 10. d wurden die Konzentrationen während der Hellphase niedriger im Vergleich zur Außenluft. Da die Ernte bereits am 14. d stattfand, konnte die weitere Entwicklung nicht mehr verfolgt werden. Man kann jedoch davon ausgehen, dass die CO2 Gesamtbilanz mit zunehmendem Alter der Pflanzen negativ wird, so dass mehr CO2 verbraucht als produziert wird.
4. Mit einem pH-Wert von 8,0 in der Nährlösung wurden etwas geringere Lachgas Konzentrationen als mit einem pH von 6,0 gemessen. Allerdings waren die Werte insgesamt so niedrig, dass die Unterschiede nicht signifikant sind.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bisher nur dieser Schlussbericht. Veröffentlichung ist geplant.


Fazit

Das Ziel des Projekts, ein hydroponisches System zu entwickeln, mit dem sich Gerstengras mit reproduzierbaren Nährstoffgehalten produzieren lässt, wurde erreicht. Dabei wurde sehr wenig Wasser verbraucht. Bei dem hier verwendeten Ebbe-und-Flut System wurden - bei Regelbetrieb - auch bei hohen Nitratkonzentrationen nur sehr geringe Mengen Lachgas erzeugt.
Allerdings war das verwendete hydroponische System für Laborbedingungen konzipiert. Um die Treibhausgase im Gasraum messen zu können, musste zeitweise ein abgeschlossenes System erzeugt werden. Obwohl die Luft in dem Gasraum regelmäßig immer wieder ausgetauscht wurde, könnte diese Tatsache, ebenso wie der sehr begrenzte Raum in der kleinen Labor-Hydroponik-Anlage die Pflanzen und die Ergebnisse beeinflusst haben.
Einige Versuche, wie z.B. mit der Pflanzenerde, konnten hier nur als erste orientierende Versuche durchgeführt werden. Hier wären in Zukunft weitere Untersuchungen nötig, um verlässliche Vergleiche zwischen einer konventionellen Landwirtschaft und der hydroponischen Anbautechnik zu ermöglichen.